Anais do 14O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIV ENCITA / 2008
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil 2008.
ETAPAS CONSTRUTIVAS DE UM PROTÓTIPO DE UM RESFRIADOR
EVAPORATIVO
Gerardo Antero Barba Ureña, [email protected]
Ezio Castejon Garcia, [email protected]
Sergio Mourão Saboya, [email protected]
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 -Vila das Acácias - CEP 12228-900 - São José dos
Campos – SP - Brasil.
Resumo. O condicionamento de ar por resfriamento evaporativo é considerado um método energeticamente eficiente e utiliza água
como refrigerante de trabalho, o que isenta de qualquer dano ambiental. A partir deste principio será apresentado em etapas
desenvolvidas a construção de um protótipo de um resfriador evaporativo. Materiais, sensores e instrumentos utilizados serão
apresentados, bem como detalhamentos construtivos, os mesmos, serão apresentados utilizando-se de fotografias para uma maior
clareza. Este aparato foi desenvolvido no laboratório de ventiladores do curso de Engenharia Mecânica-Aeronáutica do ITA.
Resultados mais detalhados já foram submetidos à congressos nacionais (Encit-2008). Sua aplicação é de uso domestico e grandes
ambientes industriais com a utilização de ventiladores centrífugos tipo Sirocco, que são utilizados com dutos e requer maior
pressão. Como conclusão, tais resultados mostraram que o método é capaz de desenvolver uma refrigeração significativa
determinada pela diminuição da temperatura de entrada em relação a temperatura de saída. O efeito indesejável foi o aumento da
umidade relativa do ar condicionado.
Palavras chave: Construção de um Resfriador, Resfriador Evaporativo, Condicionamento de Ar.
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1. Introdução (Ti
es New Roman, Bold, size 10)
Este trabalho apresenta etapas construtivas do desenvolvimento de um protótipo de resfriador evaporativo. Este se
baseia num processo endotérmico, ou seja, retira calor em um determinado ambiente, por exemplo, 1 litro de água
consome cerca de 2.087,6 kJ para evaporar a temperatura de ambiente. Na escala industrial, as torres de resfriamento de
água também utilizam um fluxo de ar para esfriar a água pela evaporação de parte dela. O painel evaporativo do
resfriador de ar neste trabalho é composto por camadas de material de papel “Kraft” de alta qualidade, ondulado e
poroso, impregnado por uma resina que lhe confere grande rigidez e durabilidade (http://www.ecobrisa.com.br). Esta
publicação apresentará apenas detalhes construtivos do aparato desenvolvido, para ter uma ideia da redução da
temperatura em relação à Umidade relativa apresentaremos a Tabela 1 a seguir:
Temperatura de
entrada de ar
Umidade Relativa
30 %
40 %
50 %
60 %
75 %
25 ºC
Redução
8,5 ºC
7,0 ºC
5,5 ºC
4,5 ºC
2,5 ºC
32 ºC
da
9,5 ºC
8,0 ºC
6,5 ºC
5,0 ºC
2,5 ºC
37 ºC
Temperatura
11,0 ºC
8,5 ºC
7,0 ºC
5,5 ºC
3,0 ºC
Tabela 1 Redução da temperatura
2. O Aparato Experimental(Ti
O aparato desenvolvido, conforme fotografia apresentada na Fig. 1, e indicações de acordo com o esquema
apresentado na Fig. 2, é constituído principalmente pelos seguintes dispositivos:
•
Ventilador radial para admissão de ar externo e insuflamento sobre o painel evaporativo (Garcia, 2004);
•
Duto difusor para acoplamento do ventilador à caixa contendo o painel evaporativo;
•
Bocal de insuflamento do ar resfriado para o ambiente condicionado (após passagem pelo painel
evaporativo);
Como acessório ainda o aparato possui:
•
Válvula reguladora de vazão de ar posicionada na tomada de ar externo;
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•
Resistência Elétrica aquecedora posicionada no interior do duto, junto à sucção do ventilador radial com
objetivo de reduzir a umidade relativa “secando” a tomada de ar externo. Desta forma pode-se obter várias
medidas para uma faixa de umidade relativa de entrada de 25 a 60 %;
•
Fonte de potência (Wariac) para alimentar a resistência elétrica para diversas potências;
•
Reservatório d’água, posicionado abaixo da caixa contendo o painel evaporativo;
•
Pequena bomba para recirculação d’água (do reservatório para o painel);
•
Pequeno duto gotejador, posicionado acima do painel evaporativo, com objetivo de manter molhado este
último;
•
Tampa de vidro para fechamento da caixa do painel e visualização deste último, para certificação do estado
molhado.
Como instrumentação foi utilizada:
•
Uma sonda (Termohigrômetro) para medida de umidade relativa e temperatura de bulbo seco. As medidas
foram feitas em orifícios no início do difusor e saída do bocal, em posições simétricas difusor/bocal;
•
Dez termopares para medidas de temperatura da superfície de controle composta pelo difusor de
entrada/caixa com painel/bocal de saída. Tais medidas, mais as dos termômetros de vidro (para medição da
temperatura ambiente), foram realizadas para avaliar a taxa de transferência de calor por tal superfície de
controle para o ambiente em questão;
•
Dois manômetros de tubos inclinados para medidas da perda de carga imposta pelo resfriador evaporativo e
para medida da velocidade do escoamento (para cálculo da vazão mássica de insuflamento)
Figura 1 - Fotografia do Aparato Experimental
Figura .2 – Esquema do Aparato Experimental.
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2.1. Descrição da Montagem Experimental
A seguir, apresenta-se uma breve descrição da montagem experimental utilizada neste projeto. O resfriador
evaporativo foi construído com um difusor e um bocal, na entrada e saída respectivamente, sob mesma dimensão.
Usou-se material de chapa de aço galvanizado Nº 24 tendo as medidas como mostra a Fig. 3.
Figura 3. Difusor (e Bocal) de entrada e saída do painel evaporativo.
Figura 4 apresenta uma fotografia do difusor e bocal, acoplada ao centro e entre estes, à caixa do painel
evaporativo. Na Fig. 5., são mostradas as respectivas medidas.
Figura 4. Fotografia do difusor de entrada, caixa com painel evaporativo e bocal de saída do resfriador.
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Figura 5. Medidas do difusor/bocal de entrada e saída do painel evaporativo, e caixa para abrigo do painel evaporativo.
A caixa onde é instalado o painel evaporativo tem medidas apresentadas na Fig. 6.
Figura 6. Dimensões da caixa para abrigar o painel evaporativo.
Figura 7 apresenta outra fotografia da caixa no qual é instalado o painel evaporativo. Esta contém um orifício de
saída de 8 mm de diâmetro para a recirculação da água conforme mostrada na Fig 7. Na Figura 8 apresenta o orifício de
recirculação.
Figura 7. Caixa do painel evaporativo.
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Figura 8. Orifício de recirculação na caixa do painel evaporativo.
A seqüência inicial de construção do sistema de resfriamento evaporativo consiste em adaptar a saída do ventilador
radial ao difusor, e deste ao painel. Isso é feito com um duto de 10 cm de diâmetro e 10 cm de largura com um flange
contendo 6 orifícios para fixação ao duto da saída do ventilador com a entrada do difusor, como mostra a Fig. 9 e Fig.
10.
Figura 9. Medidas do flange de fixação entre a saída do ventilador e a entrada do difusor.
Figura 10. Duto de Interface entre a saída do ventilador e a entrada do difusor.
Como pode–se observar, o duto tem um orifício (de 1,5 cm de diâmetro) para realizar as medições do ar na entrada
do resfriador evaporativo. Estas medições são realizadas pelo Termohigrômetro (Van Waylen, 1998). Na seqüência, o
duto é soldado no difusor de entrada do resfriador, conforme mostra a Fig. 11.
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Figura 11. Interface entre a saída do ventilador radial e o difusor de entrada do painel.
A seguir mostra-se o painel evaporativo e suas respectivas medidas, que será posicionado na caixa, como mostram
as Fig. 12 e Fig. 13.
Figura 12. Dimensionamento do Painel evaporativo de papel “Kraft”.
O painel evaporativo é instalado na caixa-compartimento, de tal forma facilitar uma manutenção preventiva, ou
toda vez que necessite ser higienizado.
Figura 13. Painel evaporativo de papel “Kraft”.
Feito o acabamento da interface entre o ventilador radial e o painel evaporativo, foi acondicionado um outro
cilindro de saída com as mesmas características do cilindro de entrada do difusor (ou seja, um cilindro de 10 cm de
diâmetro com 10 cm de largura) soldado no bocal de saída. Este contém o mesmo orifício de 1,5 cm para realizar as
medições com o termohigrômetro. Junto com o cilindro foi soldado na parte interna uma grelha metálica para
homogeneizar o escoamento do ar resfriado a ser insuflado para o ambiente condicionado, Fig. 14.
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Figura 14. Grelha no bocal de saída do Painel Evaporativo.
Para garantir um escoamento homogêneo, fez-se necessário acondicionar um outro duto de 45 cm de comprimento
(Fig 14.), com mesmo diâmetro da saída do bocal (10 cm). O tubo de Pitot é adaptado na parte superior do duto para se
fazer a medição da pressão estática de saída do sistema.
Figura 15. Duto de saída do painel evaporativo e tubo de Pitot.
Outro tubo de Pitot também é instalado também no difusor de entrada do painel evaporativo, para a medição da
pressão total e estática. A diferença entre estas fornece a chamada pressão dinâmica.
Em seguida, apresenta-se a descrição do sistema recirculação da água e a vedação da tampa do painel evaporativo.
Uma característica da tampa é que pode-se visualizar por meio desta, e certificar que o painel está completamente
molhado, observando ainda a recirculação d´água por intermédio do gotejador de 35 cm de material de PVC com 10
furos de 3 mm espaçados a cada 2 cm. A tampa do painel é de vidro e tem uma espessura de 4 mm. A vedação é feita
com silicone, como mostrado na Fig. 16 e Fig. 17.
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Figura 16. Gotejador de PVC do painel evaporativo.
Figura 17. Gotejador instalado no painel evaporativo.
O sistema de recirculação d’água é efetuado com uma pequena bomba (de aquário) de 10,5 W, instalada no
reservatório de água, alimentando o painel evaporativo para assim completar o ciclo de realimentação.
A instalação também possui sensores de temperatura termopares tipo T, na superfície externa da carcaça do
difusor, caixa do painel evaporativo, reservatório d’água e bocal, conforme indicado na Fig. 18.
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Figura 18. Pontos dos sensores de temperatura termopares tipo “T” do sistema.
Além da determinação dos pontos dos sensores de temperatura tipo T, foram utilizados dois termômetros de
temperatura de vidro para obter referências adicionais nas medidas, podendo assim compará-los com as obtidas pelos
termopares.
Na configuração do sistema, deve-se medir e controlar a vazão mássica do ar resfriado. Esta vazão é controlada
pela válvula de entrada, mais conhecida como chapeuzinho chinês, posicionada na tomada de ar externo, como
mostrado na fotografia da Fig. 19.
Figura 19. Válvula de entrada para controle da vazão mássica de ar.
2.2. Medidas de Pressão - Tubo de Pitot
As seguintes medidas de pressão foram realizadas com a utilização do Tubo de Pitot:
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Pressão Total: Pt, medida por uma sonda, aonde o ar irá se chocar tendo sua velocidade levada até zero no ponto
de impacto. Esta pressão é medida através de um orifício da mesma, alinhado com o escoamento de modo de fazer com
que o ponto de impacto seja coincidente com o orifício (linha de estagnação de corrente). O orifício é ligado a um
manômetro previamente calibrado.
Pressão Estática: Pe, pressão que uma partícula do ar em movimento está sujeita. Isto nos indicaria que para
medir esta pressão precisaríamos que o nosso instrumento se movesse junto com o fluido. O valor local da pressão
estática pode ser tomado em uma direção normal às linhas de corrente do escoamento. Usar-se-á, por tanto, orifícios
colocados na sonda com um diâmetro na ponta de prova escolhido de modo a minimizar as incertezas nas medidas,
causados por perturbações no escoamento (bloqueio, curvatura das linhas de corrente, etc.).
Pressão Dinâmica: Pd, diferença entre a Pressão Total e Pressão Estática. É através desta que calculamos a
velocidade de escoamento, e conseqüentemente a vazão.
Figura 20. e 21. apresentam fotografias dos manômetros para as medidas de pressão total e dinâmica,
respectivamente. A diferença entre as pressões totais na entrada e saída do conjunto difusor/painel/bocal fornece a perda
de carga imposta pelo aparato a ser vencida pelo ventilador radial de forma a manter as vazões de ar resfriado para o
ambiente condicionado.
Figura 20 – Manômetro para medida de Pressão Total.
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Figura 21 – Manômetro para medida de Pressão Dinâmica.
2.3. Descrição do Procedimento Experimental
Uma vez conhecidos os aparelhos utilizados na experimentação, bem como os arranjos experimentais usados,
passa-se agora ao procedimento experimental em si. É de grande importância o conhecimento deste procedimento para
ratificar a validade do método empregado.
Depois de construído todo o aparato, o primeiro passo é liberar uma entrada de ar externo com vazão mássica
mínima, para logo aumentar progressivamente e fazer as respectivas medições de temperatura e umidade relativa de
entrada e saída com o Termohigrômetro. Conhecidos os dados de UR - Umidade relativa e Temperatura, são
determinadas as vazões mássicas e suas respectivas temperaturas (Moreira, 1999).
Seguinte passo é coletar os dados experimentais com o Termohigrômetro na entrada e saída do painel evaporativo
levando em consideração que tem-se temperatura alta e umidade relativa baixa, o que facilita a condição de trabalho.
2.4. Resultados esperados
Como resultado do trabalho foi obtida uma queda percentual da temperatura na saída do resfriador em função da
vazão mássica da mistura ar - vapor d’água como indica o gráfico da fig. 22.
Vazão Mássica Total da Mistura
(kg /s) x 10 -3
Eficiência de Resfriamento
η REF
(%)
22,99
25,3
24,78
30,4
26,59
30,2
26,65
26,5
26,72
26,9
27,01
22,5
27,18
19,8
27,33
17,0
Tabela 2. Eficiência de resfriamento e Vazão mássica total.
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,
R ES FR IA M ENTO V ER S US V A ZÃO M ÁS S ICA DA M IS TUR A
ηRESFR. (%)
31
29
27
25
23
21
19
17
22
23
24
25
26
m& t
27
28
(kg x10 -3 / s )
Figura 22 - Eficiência de resfriamento versus vazão mássica total.
3 Conclusões
Foi desenvolvido um dispositivo experimental associado a um bom sistema de medidas. Este sistema composto por
sensores de temperatura, de umidade e pressão aliadas a adequados instrumentos de leitura permitiu reproduzir
parâmetros físicos com bom grau de confiança e baixo nível de incerteza. O aparato desenvolvido é de fácil construção,
de baixo custo e de funcionamento simples. Basicamente é composto por chapas finas galvanizadas, um elemento de
papel (painel evaporativo), uma pequenina bomba d´água e um ventilador. Tem baixo consumo de energia já que
dispensa o uso de compressor, além de este último ser de elevado custo de aquisição. Em sistema de condicionamento
de ar usando refrigeração por compressão de vapor, o ar é renovado geralmente numa taxa de 10%. Isto é feito para se
evitar o aumento da carga térmica imposta sobre o sistema de refrigeração, evitando-se assim aumentar o consumo de
energia elétrica, que já é muito alto nestes sistemas convencionais. No sistema adotado neste trabalho, o ar é 100%
renovado, evitando-se assim a proliferação de bactérias comuns aos sistemas de condicionamento de ar convencionais,
evitando assim a disseminação de doenças diversas, principalmente as de cunho respiratório.
4 Referências
Garcia, E.C., 2004, “Apostila de Ensaio de Ventiladores – Curso de Máquinas de Fluxo -Laboratório”, ITA, São
José dos Campos.
Moreira, J.R.S., 1999, “Fundamentos e Aplicações da Psicrometria”, RPA Editorial Ltda, São Paulo.
Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Borgnakke, C., 1998, “Fundamentos da Termodinâmica Clássica”, 5ª Ed.,
Edgard Blücher, 537p.
http://www.ecobrisa.com.br, Viva Equipamentos Ind. Com. Ltda, 12.05.2008.