Figura 1: Aerofin – Aleta em espiral enrolada sobre o tubo

1- Introdução

Este artigo procura analisar o desempenho de sistemas de condicionamento de ar em carga parcial e verificar o resultado no controle da umidade. A temperatura também é importante, mas todo equipamento possui um termostato com um controle correto da temperatura, mas nem sempre um umidostato, ou mesmo estar projetado para o controle da umidade; se o equipamento operar controlado pela temperatura, resfriando abaixo do ponto de orvalho do ar de mistura, teremos também a desumidificação, mas sem um controle.

Pontos a serem discutidos:

  1. Primeiro problema: Shopping Ibirapuera.
  2. Escolha da condição externa do ar.
  3. Desempenho de trocadores de calor ar/água gelada.
  4. Desempenho de trocadores de calor de expansão direta ar/fluído frigorífico.
  5. Shopping Ibirapuera

O Shopping Ibirapuera foi inaugurado em 1976 com condicionadores de ar (Fan & Coils) da Starco equipados com serpentinas Aerofin (figura 1), uma fita de alumínio enrolada sobre um tubo de cobre de diâmetro 5/8 de polegada.

Problemas:

  1. Shopping com as lojas muito quentes;
  2. Não havia o resfriamento do ar, a diferença entre a temperatura de bulbo seco na entrada e na saída do trocador de calor era inferior a  1ºC.
  3. Não havia absorção de calor pela água a sua variação de temperatura era inferior a 1ºC.
  4. Refrigeradores de água com compressores centrífugos desligando por falta de carga térmica.

Verifiquei o processo da seleção da serpentina que em parte estava correto, mas a última etapa de escolha do número de circuitos não era feita, pois, segundo a tradição na época, “O circuito de água gelada é  pleno (1 circuito por tubo em altura), sempre!”

Foi este o problema velocidade muito baixa, regime do fluxo transição com péssima troca de calor. A solução foi a de remover todas as serpentinas e reduzir o número de circuitos de 16 para 4 e dimensionar o coletor pela área equivalente à área da soma do número de circuitos e não pela vazão. Feita a alteração, o sistema de condicionamento de ar passou a operar conforme o projeto.

A adoção de circuito pleno levou a um regime de fluxo transitório com uma velocidade de 0,31 m/s, a sua correção para fluxo turbulento com a adoção de circuito 1/4 , ou seja, 4 tubos em altura por circuito.

  1. Condição do ar externo

Cabe a pergunta: qual é a condição de ar externo a ser adotada para o projeto?

  1. Condição de máxima 32,2ºC TBSmax, temperatura de bulbo seco com a 20,2ºC, TBUcoinc temperatura de bulbo úmido coincidente?
  2. Condição máxima 23,2ºC TBUmax temperatura de bulbo úmido com 27,7 ºC TBScoinc temperatura de bulbo seco coincidente?

É uma decisão que cabe ao projetista, verificando o que é importante para o seu cliente: temperatura ou a umidade, ou ambos. Se analisarmos as temperaturas do ar externo ao longo do ano iremos verificar que a condição típica para São Paulo é de bulbo seco abaixo de 28ºC e umidade relativa acima de 70% (figura 2).

  1. Trocador de calor ar/água gelada

A seleção dos condicionadores de ar tipo “fancoil” é feita:

  1. Condição de projeto, previsão de máxima carga de refrigeração sensível, devido a insolação pelas paredes e janelas.
  2. Não é verificada a consequência da carga térmica que é variável ao longo do dia e ao longo do ano.
  3. Normalmente o controle é somente pelo termostato, o que significa que se não existir carga térmica sensível, não teremos a remoção da carga latente.
  4. É importante desacoplar as cargas de ar externo, com carga latente elevada da carga térmica sensível interna variável ao longo do dia e do ano.

Considero fundamental a verificação do desempenho do condicionador de ar em carga parcial, pois a operação em carga parcial reduz rapidamente a capacidade de refrigeração latente, o que pode provocar uma umidade relativa em torno de 80% com a temperatura de bulbo seco mantida dentro da faixa estabelecida em torno de 24ºC.

  • Manual ASHRAE HVAC Systems and Equipments

O manual da ASHRAE HVAC Systems and Equipments em seu capítulo13 –Hydronic Heating and Cooling – apresenta a figura 24 (figura 3), que mostra que a queda na capacidade de remoção do calor latente é rápida (de 25% para 0%) e que, abaixo de 30% da vazão nominal, não há remoção de calor latente; na remoção do calor sensível a queda é lenta (70% para 60%). Conclusão: o controle da temperatura não apresenta problema, mas o da umidade é crítico, principalmente com carga parcial de calor sensível.

Através de um programa de seleção de serpentinas vamos fazer uma série de simulações e ver o comportamento das serpentinas ar/água gelada.

Trocador de calor adotado:

  1. Aplicação: refrigeração.
  2. Diâmetro do tubo: 1/2
  3. Espessura da parede: 0,40 mm.
  4. Aleta: 12 al/pol em alumínio com espessura de 0,152 mm.
  5. Número de filas: de 3, 4 e 6
  6. Altura aletada: 508 mm.
  7. Comprimento aletado: 1524 mm.
  8. Altitude: nível do mar.
  9. Fluxo de ar: 6800 m3/h, 5100 m3/h e 3400 m3/h.
  10. Temperatura de bulbo seco de entrada: 27ºC (AHRI).
  11. Temperatura de bulbo úmido de entrada 19,5ºC (AHRI).
  12. Software utilizado: Loose Coil do Yorkworks

Nota: trocador de calor padrão para 35,16 kW (10 TR) da Starco.

  • Serpentina ar/água gelada

A análise da serpentina de ar/água gelada será feita com vazão de ar constante e fluxo de água variável 100%, 80%, 60%, 40%, 20%, com 4 e 6 filas

  • Serpentina de 4 filas 12 al/pol 4 tubos por circuito 1/1.
  • Serpentina de 4 filas 12 al/pol 8 tubos por circuito 1/2.
  • Serpentina de 4 filas 12 al/pol 8 tubos por circuito 1/2 – vazão de água variável.
  • Serpentina de 6 filas 12 al/pol 6tubos por circuito 1/1 – vazão de água variável
  • Conclusões:
  1. O fator de calor sensível é praticamente o mesmo para as serpentinas de 4 ou de 6 filas.
  2. A capacidade de refrigeração é maior em função da velocidade da água, regime de fluxo turbulento (ver 4.2.1 e 4.2.2) em cerca de 14%.
  3. A capacidade de refrigeração é maior em função da área de troca, 50% a mais de material (4 para 6 filas) cerca de 32% (ver 4.2.1 e 4.2.3).
  4. Confirmado que o calor latente é crítico em relação a carga parcial do calor sensível (redução da vazão de água).
  5. Lembrar do IPLV Integrated Part Load Value, quando:
  • 100% da capacidade de refrigeração ocorre em 1% do tempo,
  • 75% da capacidade de refrigeração ocorre em 42% do tempo,
  • 50% da capacidade de refrigeração ocorre em 45% do tempo,
  • 25% da capacidade de refrigeração ocorre em 12% do tempo.
  • Expansão direta

No caso da expansão direta vamos analisar capacidade de refrigeração, fator de calor sensível para serpentinas de 3, 4 e 6 filas, em três situações:

  1. função da temperatura de evaporação 2,5ºC, 5ºC, 7,5ºC e 10ºC, com vazão de ar constante.
  2. Função da vazão de ar insuflada 100%, 75% e 50% mantida a temperatura de evaporação de 6,7ºC constante.
  3. Ponto de equilíbrio entre evaporador e compressor em função da temperatura de evaporação de 2,5ºC, 5ºC, 7,5ºC e 10ºC com vazão de ar constante e 5 opções de compressores Scroll.
    • Serpentina DX 3 filas, 4 filas e 6 filas com temperatura de evaporação variável
        • Serpentina DX – 3 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação variável e vazão de ar constante
        • Serpentina DX 4 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação variável
        • Serpentina DX 6 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação variável
      • Conclusão:
  1. O fator de calor sensível é praticamente o mesmo para as serpentinas de 3, 4 ou de 6 filas.
  2. A capacidade de refrigeração é maior em função da maior área de troca:
  • De 3 para 4 filas, aumento da capacidade em 14% e de material em 33%.
  • De 4 para 6 filas, aumento da capacidade em 25% e de material em 50%
  1. O calor latente é crítico em relação a temperatura de evaporação (ponto de orvalho da serpentina), quanto maior a temperatura de evaporação menor é a parcela de calor latente.
  2. Lembrar do IPLV Integrated Part Load Value, quando:
  • 100% da capacidade de refrigeração ocorre em 1% do tempo,
  • 75% da capacidade de refrigeração ocorre em 42% do tempo,
  • 50% da capacidade de refrigeração ocorre em 45% do tempo,
  • 25% da capacidade de refrigeração ocorre em 12% do tempo.
    • Serpentina DX 3 filas, 4 filas e 6 filas com temperatura de evaporação constante e vazão de ar variável (VRF).

Esta é uma situação possível nas unidades de expansão direta com fluxo de fluído frigorífico variável (VRF) em que a rotação do compressor varia para manter a pressão de sucção constante (temperatura saturada de sucção constante) e em cada unidade interna o superaquecimento de sucção é mantido constante. A opção de controle da umidade é a “dry” que normalmente reduz a vazão de ar, diminuindo a capacidade de refrigeração sensível, mas mantendo o FCS – fator de calor sensível – para a remoção da umidade.

  • Serpentina DX 3 filas, com temperatura de evaporação constante +6,7ºC e vazão de ar variável com 100%, 75% e 50% (VRF)
  • Serpentina DX 4 filas, com temperatura de evaporação constante +6,7ºC e vazão de ar variável com 100%, 75% e 50% (VRF)
  • Serpentina DX 6 filas, com temperatura de evaporação constante +6,7ºC e vazão de ar variável com 100%, 75% e 50% (VRF)
  • Equilíbrio entre compressor e evaporadores

Não basta a análise dos trocadores de calor ar/fluído frigorífico, é necessário ver o ponto de equilíbrio de operação entre o evaporador e o compressor, este sim o ponto real de operação.

Neste caso iremos usar compressores do tipo Scroll da Bitzer, com a temperatura de evaporação de 2,5ºC, 5ºC, 7,5ºC e 10ºC, e temperatura de condensação constante de 50ºC. Serão usados os dados já levantados de desempenho dos evaporadores em diferentes temperaturas de evaporação (ver 4.3.1).

  • Separação das cargas sensível e latente

A flexibilidade do equipamento de condicionamento de ar é fundamental para uma operação satisfatória, pois a carga térmica é variável ao longo do dia e ao longo dos dias do ano.  Para o correto dimensionamento será necessário conhecer a carga térmica e o estudo da psicrometria nas condições de:

  1. Máxima carga sensível e carga latente coincidente,
  2. Máxima carga latente e carga sensível coincidente,
  3. Máxima carga de aquecimento e de umidificação em períodos de inverno.

Esta flexibilidade poderá ser atingida ao separar que parte do equipamento irá remover a carga sensível e outra para a remoção da carga latente com as ações descritas nas tabelas 1 a 13.

Tabela 1 – Shopping Ibirapuera velocidade da água gelada – número de circuitos

Shopping Ibirapuera  Problema Solução
Temperatura de entrada ºC 7,2
Temperatura de saída ºC 12,7
Carga térmica kW 17,58
TR 5
Calor específico kJ/(kgºC) 4,18
Volume específico m3/kg 0,001
Viscosidade cinemática mm2/s 1,01
Vazão de água em massa kg/s 0,764680296
Vazão de água em volume m3/s 0,00076468
Diâmetro do tubo 5/8 m 0,013875
Área do tubo 5/8 m2 0,000151201
Número de circuitos # 16 4
Velocidade da água m/s 0,31608512 1,264340481
Número de Reynolds adm 4342 17369
Fluxo nome Transição Turbulento

 

Tabela 2 – Serpentina de 4 filas 12 al/pol 4 tubos por circuito 1/1 – vazão de água variável

Calor Total Sensível Latente ΔP AG Velocidade Número
Vazão de AG kW kW kW FCS  kPa AG m/s Reynolds Regime
100% 39,0 28,5 10,5 0,73 10,4 0,9 10604,0 turbulento
80% 35,0 26,8 8,2 0,77 6,3 0,7 8247,5 transição
60% 30,5 24,9 5,6 0,82 3,2 0,5 5891,1 transição
40% 23,9 21,8 2,1 0,91 2,1 0,4 4712,9 transição
20% 11,7 11,7 0 1,00 0,5 0,2 2356,4 laminar

 

Tabela 3 – Serpentina de 4 filas 12 al/pol 8 tubos por circuito ½ – vazão de água variável

Calor Total Sensível Latente ΔP Velocidade Número
Vazão de AG kW kW kW FCS AG kPa AG m/s Reynolds
100% 44,5 31,0 13,5 0,70 79,2 2,0 23564,4 turbulento
80% 39,9 28,8 11,1 0,72 38,8 1,4 16495,0 turbulento
60% 37,7 27,8 9,93 0,74 28,0 1,2 14020,8 turbulento
40% 27,6 22,3 5,3 0,81 12,7 0,8 9425,7 transição
20% 21,2 19,6 1,6 0,92 3,2 0,4 4712,9 transição

Nota: devido a maior velocidade o desempenho foi maior em cerca de 10% e removeu um pouco de calor latente mesmo a 20%. Problema perda de pressão elevada 80 kPa.

Tabela 4 – Serpentina de 6 filas 12 al/pol 6tubos por circuito 1/1 – vazão de água variável

Calor Total Sensível Latente ΔP Velocidade Número
Vazão AG kW kW kW FCS AG kPa AG m/s Reynolds
100% 51,5 35,2 16,3 0,68 22,3 1,2 13610,8 turbulento
80% 47,7 33,5 14,2 0,70 16,0 0,9 10604,0 turbulento
60% 42,9 31,5 11,4 0,73 9,7 0,7 8247,5 transição
40% 34,9 28,1 6,8 0,81 5,0 0,5 5891,1 transição
20% 21,6 21,0 0,6 0,97 0,8 0,2 2356,4 laminar

 

Tabela 5 – Serpentina DX – 3 filas 12 al/pol 8 circuitos com Temperatura de Evaporação Variável e Vazão de Ar Constante

Temperatura Calor total Calor sensível Calor latente Fator de calor sensível FCS
de evaporação Calor total kW kW kW kW/kW
TEV 2,5 ºC 45,5 29,0 16,5 0,64
TEV 5 ºC 38,6 26,1 12,5 0,68
TEV 7,5 ºC 31,1 23,0 8,1 0,74
TEV 10 ºC 23,8 20,1 3,7 0,84

 

Tabela 6 – Serpentina DX – 4 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação variável e vazão de ar constante

Temperatura Calor total Calor sensível Calor latente Fator de calor sensível FCS
de evaporação kW kW kW kW/kW
TEV 2,5 ºC 52,1 33,3 18,8 0,64
TEV 5 ºC 45,1 30,2 14,9 0,67
TEV 7,5 ºC 37,2 26,9 10,3 0,72
TEV 10 ºC 28,6 23,5 5,1 0,82

 

Tabela 7 – Serpentina DX – 6 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação variável e vazão de ar constante

Temperatura  Calor total Calor sensível Calor latente Fator de calor sensível FCS
 Evaporação ºC kW kW kW kW/kW
TEV 2,5 ºC 65,5 40,8 24,7 0,62
TEV 5 ºC 56,7 36,7 20,0 0,65
TEV 7,5 ºC 44,3 31,5 12,8 0,71
TEV 10 ºC 35,6 27,9 7,7 0,78

 

Tabela 8 – Serpentina DX – 3 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação constante 6,7 ºC e vazão de ar variável de 100%, 75%, 50%

Vazão de ar em m3/h 6800 5100 3400 % redução
Calor total em kW 33,8 29,1 23,2 0,31
Calor sensível em kW 24,6 20,7 16 0,35
Calor latente em kW 9,2 8,4 7,2 0,22
Fator de calor sensível kW/kW 0,73 0,71 0,69

 

Tabela 9 – Serpentina DX – 4 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação constante 6,7 ºC e vazão de ar variável de 100%, 75%, 50%

Vazão de ar em m3/h 6800 5100 3400 % redução
Calor total em kW 40,0 34,3 26,4 0,34
Calor sensível em kW 28,7 23,9 17,8 0,38
Calor latente em kW 11,3 10,4 8,6 0,24
Fator de calor sensível kW/kW 0,72 0,70 0,67

 

Tabela 10 – Serpentina DX – 6 filas 12 al/pol 8 circuitos com temperatura de evaporação constante 6,7 ºC e vazão de ar variável de 100%, 75%, 50%

Vazão de ar em m3/h 6800 5100 3400 % redução
Calor total kW 50,3 41,4 30,5 0,39
Calor sensível kW 34,6 27,9 20,1 0,42
Calor latente kW 15,7 13,5 10,4 0,34
Fator de calor sensível kW/kW 0,69 0,67 0,66

 

Tabela 11 – Ponto de equilíbrio evaporador de 3, 4 e 6 filas e compressores Scroll de 10 tr a 20 tr com temperatura de evaporação variável

Temperatura de evaporação TR
3 filas 12 al/pol 4 filas 12 al/pol 6 filas 12 al/pol
TEV 2,5 ºC 45,5 52,1 65,5
TEV 5 ºC 38,6 45,1 56,7
TEV 7,5 ºC 31,1 37,2 44,3
TEV 10 ºC 23,8 28,6 35,6

 

Tabela  11 (continuação)

Temperatura 9,8 tr 10,9 tr 12,2 tr 14,5 TR 18,5 TR
de evaporação GSD60120VA GSD137VA GSD60154VA GSD60182VA 4 GSD60235VA 4
TEV 2,5ºC 31,4 35 39,2 46,8 59,6
TEV 5ºC 34,3 38,2 42,8 51 65
TEV 7,5 ºC 37,4 41,6 46,6 55,5 70,8
TEV 10 ºC 40,8 45,2 50,7 60,3 77,1

 

Tabela 12 – Ponto de Equilíbrio Evaporador de 3, 4 e 6 filas 12 al/pol e Compressor Scroll de 10 tr a 19 tr obtido a partir da figura 12

Capacidade 3 filas 12 al/pol 4 filas 12 al/pol 6 filas 12 al/pol
 refrigeração TEV ºC kW TEV ºC kW TEV ºC kW
GSD60120VA 6,0 37,0 7,5 37,2 9,4 40
GSD60137VA 5,0 38,6 6,5 40,0 8,5 43
GSD60154VA 3,8 41,0 5,5 43,0 7,2 46
GSD60182VA 2,5 45,5 3,7 49,0 5,8 53
GSD60235VA 3,5 62

 

Tabela 13

Descrição Carga sensível Carga latente
Ponto de controle Forma de controle Ponto de controle Forma de controle
Registro de face e de derivação na serpentina TBS no ambiente Registro de face e de derivação da serpentina Umidade relativa no ambiente Ponto de orvalho após a serpentina
Registro de retorno e de derivação da serpentina TBS no ambiente Registro de retorno a caixa de mistura ou de derivação para o módulo do ventilador Umidade relativa no ambiente Ponto de orvalho após a serpentina
Vazão de ar variável TBS no ambiente Controle da rotação do ventilador Umidade relativa no ambiente Ponto de orvalho após a serpentina
Sistema dedicado de tratamento do ar externo TBS no ambiente Controle da temperatura de insuflação pelo equipamento dedicado ao ambiente Umidade relativa no ambiente Ponto de orvalho de insuflação do equipamento dedicado de tratamento do ar externo
Teto frio e viga fria TBS no ambiente Controle das temperaturas de superfície (vazão de água gelada) do teto frio ou da viga fria Umidade relativa no ambiente Ponto de orvalho de insuflação do equipamento dedicado de tratamento do ar externo

 

  1. Conclusão final

O atendimento à temperatura de bulbo seco é feito sem dificuldade de forma mais eficiente e precisa através de termostatos, que poderá incluir inclusive a reversão do ciclo e também aquecer.

O controle da umidade é mais complexo e exige de certa forma a separação do equipamento em dois módulos distintos um para o controle da umidade e outro para o controle da temperatura (ver 4.3.4).

Este estudo procurou informar que existe ainda um passo adicional, que é a temperatura de superfície da aleta acima do ponto de orvalho do ar a ser insuflado na operação em cargas parciais, que dependendo do seu projeto poderá não desumidificar.

  • Água gelada

É um problema grave nas serpentinas de água gelada por controlarem a vazão de água gelada em função da temperatura de bulbo seco, que para cargas reduzidas poderemos não desumidificar devido a temperatura da aleta ser superior ao seu ponto de orvalho.

  • Expansão direta

Para as serpentinas de expansão direta teremos problema com sistemas simples em que o compressor liga e desliga reevaporando a água sobre a aleta da serpentina. Não foi possível no programa utilizado variar a vazão de fluido frigorífico, que provavelmente apresentaria um funcionamento semelhante ao da água gelada em cargas parciais.

A opção de usar fluxo de fluido frigorífico variável com a vazão de ar variável é uma boa opção para manter algum controle sobre o conteúdo de umidade no ar.

Oswaldo de Siqueira Bueno, consultor e diretor da Oswaldo Bueno Engenharia e Representações, é membro do DNPC da Abrava

O conteúdo da seção Projeto & Consultoria é gerado pelo Departamento Nacional das Empresas Projetistas e Consultoras (DNPC) da Abrava.

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