Análise de Eficiência de um sistema de ar condicionado

Análise de Eficiência de um sistema de ar condicionado

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“Análise de Eficiência de um Sistema de Ar Condicionado”

Foz do Iguaçu, 2007 PR - Brasil

“Análise de Eficiência de um Sistema de Ar Condicionado”

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao corpo docente do centro de engenharias e ciências exatas da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, como requisito necessário para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Curso: Engenharia Mecânica. Área de concentração: Térmica e Fluído.

Orientador: Prof. Dr. Eduardo J. Cidade Cavalcanti

Foz do Iguaçu, 2007 PR - Brasil

Daniel Mazarin Castro

“Análise de Eficiência de um Sistema de Ar Condicionado”

Aprovado por:

_ Prof. Dr. Eduardo José Cidade Cavalcanti

_ Prof. Ms. Guilherme Kunz

_ Prof. Dr. Roberto Caytano Lotero

FOZ DO IGUAÇU – PR – BRASIL NOVEMBRO - 2007

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus por ter iluminado meu caminho e por estar sempre abençoando minha vida. Agradeço minha família, que sempre esteve ao meu lado me apoiando em todas as situações. Agradeço minha mãe, Inês, cujo apoio e incentivo foram fundamentais para minha formação; ao meu pai, José, pelo esforço em realizar meu “sonho” de me formar engenheiro; ao meu irmão, Matheus, pelo companheirismo. Sou grato à minha namorada e futura esposa, Viviana, por ter tido paciência e compreensão, e principalmente por estar ao meu lado em todos os momentos.

Também foi de grande importância a contribuição da empresa Cicloar Climatização

LTDA à minha formação acadêmica e pessoal, e de seu proprietário, o Sr. José Peres, pela confiança e ajuda, tanto em conhecimento técnico como em ajuda financeira, com o fornecimento de equipamentos para realização deste projeto; agradeço também aos funcionários da empresa pelo apoio e contribuição.

Finalmente, quero agradecer em especial os meus colegas formandos da primeira turma de Engenharia Mecânica da UNIOESTE, futuros formandos pela união, amizade e parceria adquirida ao longo dos anos do curso de graduação. Que esta união sirva de exemplo às futuras turmas. Sou muito grato ao meu grande amigo Alessandro, companheiro e parceiro de festas e de grandes momentos. Agradeço também ao professor Eduardo Cavalcanti, pela confiança, apoio técnico e ajuda no desenvolvimento deste projeto.

O meu profundo agradecimento a todos que colaboraram, direta ou indiretamente, à realização desse meu sonho e projeto de vida.

“Ninguém seduza a si mesmo: Se alguém entre vos pensa que é sábio neste sistema de coisas, torne-se ele tolo, para que se torne sábio. Pois a Sabedoria deste mundo é tolice perante Deus; porque está escrito: Ele apanha os sábios na sua própria astúcia”. (1 Coríntios 3:18-20) iv

Resumo

CASTRO, Daniel Mazarin. Análise de eficiência de um sistema de ar condicionado. Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Curso de Engenharia Mecânica. Foz do Iguaçu, 2007.

Os equipamentos de ar condicionado representam uma parcela significativa no consumo de energia elétrica. Assim, este trabalho tem por objetivo demonstrar a análise experimental do desempenho de um sistema de ar condicionado doméstico. O projeto iniciouse com a construção e instrumentação de uma bancada de testes para um sistema de ar condicionado. Posteriormente, foram realizados vários ensaios, permitindo avaliar seu desempenho e o monitoramento de parâmetros do ciclo de refrigeração. A metodologia foi baseada no monitoramento das condições termodinâmicas do fluído refrigerante em vários pontos do sistema, sendo o aparato experimental devidamente instrumentado para coleta dos dados. Os resultados obtidos permitiram construir as curvas de desempenho do ciclo analisado em termos de vazão do fluído refrigerante, potência elétrica consumida e coeficiente de desempenho, assim como a análise das eficiências real e isentrópica do compressor. Os dados obtidos do experimento mostraram as mesmas tendências dos resultados encontrados na revisão bibliográfica, confirmando, portanto, o comportamento do sistema e a validade da metodologia alternativa utilizada.

PALAVRAS-CHAVE: Ar Condicionado, Análise experimental, Coeficiente de Performance – COP.

Abstract

CASTRO, Daniel Mazarin. Efficiency analysis of an air conditioning system. Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Curso de Engenharia Mecânica. Foz do Iguaçu, 2007.

The equipments of air conditioning have a meaningful parcel in the consumption of electric energy. Therefore, this document has the purpose of analyzing experimentally the development in a domestic air conditioning system. The project began with the construction and instrumentation of a bench of test to an air conditioning system. Posteriorly, many essays were realized, allowing estimating its prosecution and the monitoring of the refrigerating system parameters. The methodology was based on the monitoring of the thermodynamics condition of the refrigerant fluid in many points of the system. The experimental instrument was properly built to collect data. The obtained results allowed us to build the performance curves of the analyzed cycle related to the output of the refrigerant fluid, electric power consumed, coefficient of performance, as well as the real efficiencies analyses and the isentropic of the compressor. The experimental results showed the same tendencies of the results found in the bibliographic revision, confirming the behavior of the system and the validity of the alternative methodology applied.

KEY WORDS: Air Conditioning, Experimental Analysis, Coefficient of Performance – COP.

vi

Capítulo 1. Introdução1
1.1 Relevâncias do Tema1
1.2 Objetivos do Tema2
Capítulo 2. Fundamentos Teóricos3
2.1 Definições3
2.2 Propriedades termodinâmicas de uma substância4
2.4 Ciclo teórico de refrigeração6
2.5 Ciclo real de refrigeração8
2.6 Balanço de energia do ciclo9
2.6.1 – Capacidade Frigorífica10
2.6.2 – Potência teórica de compressão10
2.6.3 – Calor rejeitado no condensador1
2.6.4 – Válvula de expansão1
2.7 Coeficiente de performance do ciclo1
2.7.1 – Parâmetros que influenciam o COP no ciclo12
Capítulo 3. Método de teste13
3.1 Método Normatizado pela ABNT13
3.1.1 – Aparelhagem de ensaios da MB-334113
3.1.2 – Execução do Ensaio da MB-334113
3.1.3 – Condições de Ensaio da MB-334114
3.2 Método alternativo proposto15
3.3 Regras gerais15

Sumário 2.3 Tabelas de propriedades termodinâmicas e Diagrama de Mollier 5 3.4 Procedimentos gerais 16

3.4.1 – Preparação do aparato16
3.4.2 – Vazão do refrigerante16
3.4.3 – Condições do refrigerante no ciclo18
3.4.4 – Eficiência do sistema18
3.4.5 - Análise do COP19
3.4.6 – Energia consumida19
Capítulo 4. Aparato Experimental21
4.1 Bancada de ensaios21
4.1.1 – Introdução21
4.1.2 – Sistema de ar condicionado utilizado2
4.2 Instrumentações da bancada2
4.2.1 – Sensores de temperatura2
4.2.2 – Sensores de pressão25
4.2.3 – Velocidade do ar26
Capítulo 5. Resultados experimentais27
5.1 Testes realizados27
5.2 Vazão de ar no evaporador27
5.3 Resultados obtidos29
5.3.1 – Diagrama pressão versus entalpia dos ensaios3
5.4 Parâmetros de desempenho39
Referências Bibliográficas45
Anexo A46
Anexo B48
Anexo C49
Anexo D51

vii Capítulo 6. Conclusões e recomendações para trabalhos futuros 4 Anexo E 57 viii

Lista de Ilustrações

Figura 2.1 – Esquema ilustrativo de um diagrama Pressão x Entalpia, diagrama de Mollier, para um refrigerante qualquer; 17

Figura 2.2 – Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor e seu respectivo diagrama de Pressão x Entalpia; 18

Figura 2.3 – Diferenças entre o ciclo teórico e o real de refrigeração; 20 Figura 3.1 – Aparato experimental montado. Detalhes em vermelho: tomadas de pressão e temperatura do circuito de alta pressão; 31

Figura 3.2 – Aparato experimental montado. Detalhes em vermelho: tomadas de pressão e temperatura do circuito de baixa pressão; 32

Figura 3.3 – Sensores de temperatura do ar fixados na entrada do evaporador; 34 Figura 3.4 – Sensores de temperatura do ar fixados na entrada e na saída de ar do evaporador; 34

Figura 3.5 – Esquema ilustrativo da bancada experimental montada; 35 Figura 5.1 – Divisão feita no evaporador para medição da velocidade do ar na área frontal. 38

Figura 5.2 – Principais diferenças entre o ciclo teórico e o real de refrigeração; 43 Figura 5.3 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 1; 4 Figura 5.4 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 2; 4 Figura 5.5 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 3; 45 Figura 5.6 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 4; 45 Figura 5.7 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 5; 46 Figura 5.8 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 6; 46 ix

Figura 5.9 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 7; 47 Figura 5.10 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 8; 47 Figura 5.1 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 9; 48

Figura 5.12 – Diagrama Pressão versus Entalpia do ensaio 10; 48 Figura 5.13 – COP x Temperatura do refrigerante na saída do condensador

(Sub-resfriamento) para os ensaios; 49

Figura 5.14 – Influência do Sub-resfriamento no COP do ciclo teórico; 50 Figura 5.15 – COP x Temperatura do refrigerante na saída do evaporador

(Superaquecimento) para os ensaios; 51

Figura 5.16 – Influência do superaquecimento no COP do ciclo teórico com fluído R22; 51

Figura 5.17 – Calor trocado no evaporador x Temperatura de condensação para os ensaios; 52

Figura 5.18 – Vazão mássica de refrigerante x Calor trocado no evaporador para os ensaios; 52

Figura 5.19 – COP x Taxa de compressão (P2/P1) para os ensaios; 53

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 – Condições padrão de ensaio para refrigeração; 25

Tabela 3.2 – Variações admitidas nas leituras para determinar a capacidade térmica total; 25

Tabela 5.1 – Velocidades medidas e vazões volumétricas calculadas do ar; 38

Tabela 5.2 – Resultados médios obtidos nos ensaios; 41

Tabela 5.3 – Resultados calculados com os dados medidos nos ensaios; 42 xi

Lista de Abreviaturas v Vapor l Líquido c Condensação o Vaporização vent Ventilador elet Elétrica ar Ar atmosférico refr Fluido refrigerante e Entrada s Saída evap Evaporador cond Condensador iso Isentrópico cons Consumido cp Compressor

Siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASHRAE American Society of Heating, Ventilation and air conditioning

xii

Lista de símbolos

Símbolos Latinos

TBS Temperatura de bulbo seco do ar [ºC] TBU Temperatura de bulbo úmido do ar [ºC] P Pressão [kPa] T Temperatura [ºC] v Volume específico [m3/kg] h Entalpia específica [kJ/kg] s Entropia especifica [kJ/(kg*K)] x Título da substância Taxa de transferência de calor [W]

Vazão mássica de fluido refrigerante [kg/s]

EF Efeito frigorífico [kJ/kg] Potência teórica do compressor [W]

Símbolos Gregos ρ Massa específica [kg/m3]

Capítulo 1

Introdução

Ar condicionado é uma máquina térmica que aproveita a propriedade que alguns gases possuem de absorver calor ao sofrer expansão. Simultaneamente, o gás retira calor de um ambiente para propiciar condições de conforto térmico, mas não se limita apenas ao resfriamento de ambientes, já que também pode envolver processo de aquecimento.

Os sistemas de ar condicionado estão presentes em edifícios de grande a pequeno porte, residências, comércios e indústrias.

A utilização dos sistemas de refrigeração é indispensável, seja para o conforto térmico como para aplicações comerciais. Segundo a Revista do Frio (ed. 01/2006), esse segmento vem crescendo a cada ano e, como conseqüência, cresce também o consumo de energia elétrica para o acionamento dos motores e outros equipamentos associados e esse sistema. Uma importante solução nesse contexto consiste em reduzir ao máximo o uso da energia.

Nesse sentido, foi proposta a análise do desempenho de um sistema de ar condicionado. Foi determinado o coeficiente de eficiência e avaliado os parâmetros importantes que influenciam seu desempenho, como as trocas de calor do condensador e evaporador, a vazão mássica do fluído refrigerante, a potência consumida pelo compressor, as pressões nas entradas e saídas de equipamentos do ciclo e as condições termodinâmicas em cada ponto entre componentes do ciclo de refrigeração.

Para isso é necessário um aparato experimental que permita o monitoramento do ciclo de refrigeração sem alterações significativas no ciclo, para não afetar os resultados.

O aparato experimental foi instrumentado com sensores de temperatura e pressão.

Uma vez montado o aparato, foram realizados ensaios e, com os dados medidos pelos sensores, foram realizadas análises dos componentes do ar condicionado e desenhada a curva termodinâmica do sistema.

1.1 Relevância do Tema

Sistemas de condicionamento de ar são utilizados em momentos e regiões com temperaturas elevadas e apresentam um alto consumo de energia elétrica, principalmente nos horários de pico, sendo esses sistemas alvo de constantes estudos para aumento de sua eficiência, visando à diminuição do consumo de energia.

Nos países com grande variedade de clima, como o Brasil, o incentivo para estudos relacionados à eficiência dos sistemas de ar condicionado é ainda maior.

Por isso foi realizada a análise experimental do desempenho de um sistema de ar condicionado, verificando seu comportamento termodinâmico e avaliando outros parâmetros envolvidos no sistema.

1.2 Objetivo do Tema

Os objetivos deste trabalho são determinar experimentalmente a eficácia de um sistema de refrigeração e determinar o coeficiente de performance do ciclo – COP, observando sua variação em função das temperaturas no condensador e evaporador do sistema.

Como objetivos específicos estão: - A comparação entre os valores medidos no aparato experimental com os dados disponíveis na literatura, verificando se houve concordância entre os mesmos.

- A montagem de um aparato experimental que possa servir de base para criação de uma bancada de pesquisa para o laboratório de máquinas térmicas do curso de Engenharia Mecânica da UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná, beneficiando as turmas subseqüentes do curso de graduação.

Capítulo 2

Fundamentos Teóricos

Para entender a análise da eficácia de um ciclo de refrigeração, é necessário que compreender algumas definições e conceitos termodinâmicos. Portanto, este capítulo tem como objetivo demonstrar os fundamentos teóricos necessários à elaboração deste trabalho.

2.1 Definições

Estado termodinâmico é a condição em que se encontra uma substância, sendo caracterizada pelas suas propriedades como: volume, massa, temperatura e pressão (Venturini, 2005, p.17)

Processo é a mudança de estado de um sistema, representando qualquer alteração nas propriedades da substância. Sua descrição típica é a especificação dos estados de equilíbrio inicial e final (Ibid.).

Ciclo é o processo ou série de processos em que o estado inicial e o estado final do sistema coincidem (Ibid.).

O termo temperatura de saturação designa a temperatura na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão, e esta pressão é chamada de pressão de saturação para a dada temperatura (Wylen, 2003, p.39).

Se uma substância pura existe como líquido, à temperatura e pressão de saturação, ela é chamada de líquido saturado. Se a temperatura do líquido é mais baixa que a temperatura de saturação para a pressão existente, a substância é chamada de líquido sub-resfriado ou líquido comprimido, quando a pressão é maior do que a pressão de saturação (Ibid.).

Título (x) é quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor na temperatura de saturação. É a razão entre a massa de vapor e a massa total (Venturini, 2005, p.18). Matematicamente tem-se:

Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, ela é chamada de vapor saturado. Às vezes, o termo vapor saturado seco é usado para enfatizar que o título é 100%. Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação é chamado de vapor superaquecido (Wylen, 2003, p.39).

2.2 Propriedades termodinâmicas de uma substância

A propriedade de uma substância é qualquer característica que ela apresenta e que possa ser observável, sendo necessário um número de propriedades termodinâmicas independentes para dar uma definição completa do estado da substância (Venturini, 2005, p.19).

As propriedades termodinâmicas mais comuns são: temperatura (T), pressão (P), massa especifica (ρ), volume especifico (v). Além destas propriedades que são mensuráveis diretamente existem outras, fundamentais para a análise de transferência de calor, trabalho e energia, que não são mensuráveis diretamente: energia interna (u), entalpia (h) e entropia (s).

Energia interna (u) é a energia que a matéria possui devido ao movimento e/ou forças intermoleculares. Pode ser composta de duas partes: a energia cinética interna (relacionado com a velocidade das moléculas) e a energia potencial interna (relacionada com as forças de atração entre as moléculas).

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