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i
Universidade Federal de Pernambuco – UFPE
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Análise experimental e numérica da eficiência de resfriamento
de painéis de fibras vegetais utilizados em sistemas de
resfriamento evaporativo
Reginaldo Soares de Oliveira
RECIFE
2011
ii
Universidade Federal de Pernambuco – UFPE
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Análise experimental e numérica da eficiência de resfriamento
de painéis de fibras vegetais utilizados em sistemas de
resfriamento evaporativo
RECIFE
2011
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
Federal de Pernambuco como parte dos requisitos
exigidos para obtenção do Título de Doutor em
Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Energia
Orientadora: Ana Rosa Mendes Primo
Co-orientador: Jorge Recarte Henríquez Guerrero
Catalogação na fonte
Bibliotecária Raquel Cortizo, CRB-4 664
O48a Oliveira, Reginaldo Soares de. Análise experimental e numérica da eficiência de
resfriamento da painéis de fibras vegetais utilizados em
sistemas de resfriamento evaporativo / Reginaldo Soares de
Oliveira. - Recife: O Autor, 2011.
xxix, 195 folhas, il., gráfs., tabs., figs.
Orientadora: Prof. Dra: Ana Rosa Mendes Primo
Co-orientador: Prof. Dr: Jorge Recarte Henríquez Guerrero
Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Pernambuco.
CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,
2011.
Inclui Referências Bibliográficas e Anexo.
1. Engenharia Mecânica 2.Resfriamento evaporativo.
3.Conforto ambiental. I. Primo, Ana Rosa Mendes
(orientadora). II. Título.
UFPE
621 CDD (22. ed.) BCTG/2012-190
"ANÁLISE EXPERlMENTAL DA EFICIÊNCIA DE RESFRlAMENTO EM PAINÉISDE FIBRAS VEGETAIS UTILIZADOS EM SISTEMAS DE RESFRlAMENTO
EVAPORA TIVO"
REGINALDO SOARES DE OLIVEIRA
ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DEDOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: ENERGIAAPROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARlAMECÂNICA/CIG/EEP/UFPE
----p ~~ESPRIMO~ ORlENTADORAIPRESIDENTE
BANCA EXAMINADORA:
_ T~~/~NRlQUEZ GUERRERO (UFPE)
/á- /7~~Prof. Dr. FÁBIO SANTAN GNANI (UFPE)
_I~_J ~Q~kr of. Dr. JOSÉ CARLOS CHARAMBA DUTRA (UFPE)
13Prof. Dr. CARLOS A ERIO B YNER DE OLIVEIRA (UFPE)
~ ~t; Be.~ elt. .s. "-Praf. Dr. MÁRlO ADUSTO BEZERRA DA SILVA (UFPE)
iv
“Senhor
Tú és o Bom Pastor.
Eu sou a Tua ovelha.
Em alguns dias, estou sujo;
Em outros, estou doente.
Em alguns dias, me escondo;
Em outros, me revelo.
Sou uma ovelha ora mansa, ora agitada.
Sou uma ovelha ora perdida, ora reconhecida.
Eu sou Tua ovelha, Senhor.
Eu conheço a Tua voz.
É que às vezes a surdez toma conta de mim.
Eu sou Tua ovelha, Senhor.
Não permita que eu me perca,
que eu me desvie do Teu rebanho.
Mas se eu me perder, eu Te peço, Senhor,
Vem me encontrar.
Amém ”.
Livro Ágape: Padre Marcelo Rossi
v
DEDICATÓRIA
A minha esposa Eliana,
minha filha Carolyne
e meu filho Felipe,
razões de meu viver.
Porque família é tudo.
vi
AGRADECIMENTOS
A Deus pelo plano de vida que me concedeu a oportunidade de aprendizado,
me dando sabedoria para o desenvolvimento deste trabalho, e quando me
faltava sabedoria, colocando no meu caminho pessoas para me orientar a
atingir os objetivos propostos.
À minha família pelo incentivo constante sempre em busca de vitórias e
compreender minhas ausências durante o desenvolvimento das atividades
deste trabalho.
A Prof. Dr. Ana Rosa Mendes Primo por acreditar no meu potencial e pelo
exemplo de profissionalismo, além dos ensinamentos, dedicação e paciência
na orientação deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Jorge Recarte Henríquez Guerrero pela orientação teórica e
prática, me dando suporte inestimável que contribuiu para conclusão deste
trabalho.
Aos professores da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
Federal de Pernambuco pelos ensinamentos e incentivos durante nossa
convivência durante o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sertão
Pernambucano - IFSERTAO-PE Petrolina, pela permissão de meu afastamento
para desenvolver este Doutorado.
A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES,
pelo apoio financeiro que auxiliou no desenvolvimento deste trabalho.
Aos bravos amigos de estrada pelo companheirismo e maravilhosa convivência
no decorrer destes anos.
vii
OLIVEIRA, R. S.. Análise experimental e numérica da eficiência de resfriamento de
painéis de fibras vegetais utilizados em sistemas de resfriamento evaporativo. 2011.
200f. Tese (Doutorado), Universidade Federal de Pernambuco, Recife.
RESUMO
A crescente crise de energia, aliada aos problemas ambientais causados pelos
fluidos refrigerantes usados em condicionadores de ar, além da baixa eficiência
dos sistemas de ventilação, principalmente nos meses mais quentes do ano,
têm aumentado a importância do resfriamento evaporativo. Como contribuição
à disseminação desse tipo de sistema de resfriamento, propõe-se nesse
trabalho estudar a eficiência de resfriamento de novos painéis evaporativos,
confeccionados de fibras vegetais ecologicamente e economicamente viáveis.
Uma configuração é composta de fibra de Coco e a outra de Esponja Vegetal.
A eficiência de resfriamento desses painéis foi comparada com um painel
comercial, à base de Celulose. Foi construído um Túnel de Testes provido de
equipamentos e instrumentos específicos para obtenção da eficiência dos
painéis. A secção de testes dos painéis evaporativos teve dimensões de
0,285m versus 0,295 m, permitindo o teste de duas espessuras de painéis:
0,1m e 0,15 m. Foram testadas três condições de vazões de água e de ar
através dos painéis. Para caracterizar cada painel, as perdas de cargas,
velocidades de ar, vazões de água, absorção de água, gramatura e densidade
foram determinadas. Os resultados revelaram que os painéis alternativos
atingiram eficiência próxima ao painel de Celulose. O melhor resultado
apresentado foi obtido com o painel de 0,15 m de espessura: 77,2% para o
painel de Esponja Vegetal, 79,87% para o painel de fibra de Coco e 84,6%
para o painel de Celulose. Esses resultados foram obtidos para condições de
entrada do ar em torno de 36°C, 24% de umidade relativa, 112,4 g/s para a
vazão de água e 0,6 m/s para a velocidade do ar através dos painéis. Como
conclusão, este estudo mostra que as fibras vegetais apresentam perspectivas
promissoras para o uso, em escala industrial, como painel evaporativo.
Palavras chave: resfriamento evaporativo, conforto ambiental.
viii
OLIVEIRA, R. S.. Experimental and numerical analysis of the cooling efficiency
in vegetable-fiber cooling pads used in evaporative cooling systems. 2011.
200f. Thesis (Doctoral), Universidade Federal de Pernambuco, Recife.
ABSTRACT
The growing energy crisis, allied to environmental problems caused by
refrigerants used in compression air conditioners and the low efficiency of
ventilation systems, especially in the warmer months of the year, have
increased the importance of evaporative cooling. As a contribution to the spread
of this type of cooling system, this paper proposes to study the efficiency of
evaporative cooling of new panels, made of vegetable fibers ecologically and
economically viable. A configuration is composed by coconut fiber and other by
Vegetable Sponge. The cooling efficiency of these panels was compared to the
efficiency of a commercial panel, based on cellulose. A tunnel equipped with
testing equipments and instruments to achieve specific efficiency of the panels
was developed and constructed. The dimensions of the evaporative test section
for the panels had dimensions of 0.285 m versus 0.295 m, allowing the testing
of two panel thicknesses: 0.1 m and 0.15 m. Three flow conditions of water and
air through the panels were tested. To characterize each panel, the loss of load,
air speed, water flow, water absorption, weight and density were determined.
The results revealed that the new panels reached efficiency close to the
commercial panel. The best result obtained was presented by the panel of 0.15
m thick; 77.2% for the panel vegetable sponge, 79.87% for the panel of coconut
fiber and 84.6% for the commercial panel. These results were obtained for
conditions of entry of the air around 36°C, 24% relative humidity, 112.4 g/s for
water flow and air velocity of 0.6 m/s through the panels. In conclusion, this
study shows that vegetable fibers show promising prospects for use as
evaporative panel on an industrial scale.
Key Words: cooling evaporativo, environmental comfort.
ix
SUMÁRIO
Resumo ..................................................................... vii
Abstract ..................................................................... viii
Lista de figuras ..................................................................... xi
Lista de tabelas ..................................................................... xix
Lista de equações ..................................................................... xxi
Lista de símbolos ..................................................................... xxiv
Objetivos ..................................................................... xxvii
Estrutura do trabalho ..................................................................... xxviii
Capítulo 1. Contexto e importância da utilização de sistemas de
resfriamento evaporativo .............................................
01
1.1 Introdução .................................................................... 01
1.2 Formulação do problema ............................................. 04
1.3 Estado da arte ............................................................. 12
Capítulo 2. Materiais e Métodos .................................................... 30
2.1 Climatizador evaporativo ............................................. 30
2.2 Sistemas de condicionamento de ar ambiental do tipo
climatizador evaporativo ..............................................
30
2.3 Tipos de materiais para enchimento utilizados ........... 31
2.4 Capacidade de absorção de água, gramatura e
densidade das fibras ...................................................
35
2.5 Formatação do arranjo dos painéis evaporativos
utilizados no experimento ............................................
38
2.6 Reformulações do Túnel de Testes ............................. 40
2.7 Determinação da vazão de água no Túnel de Testes . 53
2.8 Determinação da velocidade e vazão de ar no Túnel
de Testes .....................................................................
55
2.9 Determinação das perdas de carga dos painéis de
contato ar-água ...........................................................
60
2.10 Definição da temperatura de bulbo seco e umidade
relativa de entrada no painel de contato ar-água ........
63
x
2.11 Principais procedimentos na determinação dos
parâmetros psicrométricos na entrada e saída dos
painéis de contato ar-água ..........................................
66
Capítulo 3. Modelagem Matemática e Simulação Numérica do
processo de resfriamento evaporativo do tipo direto ...
68
3.1 Modelo Matemático ..................................................... 68
3.2 Eficiência de saturação evaporativa ............................ 73
3.3 Determinação das propriedades da água líquida e da
mistura ar e vapor de água ..........................................
75
3.4 Coeficientes convectivos de transferência de calor e
massa ..........................................................................
81
3.5 Simulação numérica .................................................... 94
Capítulo 4. Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo
com painéis de fibras vegetais ....................................
116
4.1 Análise de custo de fabricação industrial de
Climatizador evaporativo .............................................
133
Capítulo 5. Resultados e Discussões ............................................ 142
Conclusões ......................................................................................... 152
Sugestões para trabalhos futuros ....................................................... 155
Referências bibliográficas ................................................................... 156
Anexos ............................................................................................... 163
Anexo A. Calibração de Termopares .......................................... 164
Anexo B. Análise de Estatística dos Erros das Medições
Experimentais ..............................................................
174
Anexo C. Memória de cálculo dos custos operacionais .............. 191
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Resfriamento evaporativo com pressão positiva ............. 02 Figura 1.2 Resfriamento evaporativo com pressão positiva para
bovinos …………..................................................…...…..
03 Figura 1.3 Resfriamento evaporativo com pressão negativa em
escritório ..........................................................................
03 Figura 1.4 Resfriamento evaporativo com pressão negativa em
estufa com plantas ….................................................…..
03 Figura 1.5 Resfriamento evaporativo com pressão negativa em
aviário ………....................................................……...…..
04 Figura 1.6 Dimensões dos painéis evaporativos de fibras vegetais
tendo o painel de Celulose Rígida Corrugada do Climatizador de ar ECOBRISA EB-20 como referência ..
10 Figura 2.1 Sistema de um climatizador evaporativo com painel de
contato ar-água ................................................................ 31
Figura 2.2 Etapas de processamento da fibra de Coco .................... 32 Figura 2.3 Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) ……………….……..… 32 Figura 2.4 Corte longitudinal do Coco (Cocos Nucifera Linnaeus)
com definição das principais partes .................................
33 Figura 2.5 Instrumentos utilizados para determinar absorção de
água, gramatura e densidade dos materiais utilizados como painel evaporativo ..................................................
35 Figura 2.6 Fibras vegetais secas e molhadas ………………......…... 37 Figura 2.7 Tipos de enchimentos testados experimentalmente ….... 39 Figura 2.8 Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005), sem
alterações ........................................................................
40 Figura 2.9 Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005), com
alterações ........................................................................
41 Figura 2.10 Primeira camada de isolamento termo-acústico do Túnel
de Testes com poliestireno expandido, ISOPOR ® .........
41 Figura 2.11 Segunda camada de isolamento termo-acústico do
Túnel de Testes com polietireno revestido com filme de alumínio ...........................................................................
41 Figura 2.12 Serpentina evaporadora do condicionador de ar …......... 42 Figura 2.13 Bateria de resistências no formato “U” e defletor de ar 43 Figura 2.14 Variador de potência elétrica ……………………………… 43 Figura 2.15 Misturador do fluxo de ar …………………......…………... 44 Figura 2.16 Umidificador de ar ultrassônico ………………..……….… 45 Figura 2.17 Sistema de umidificação do ar no Túnel de Testes ......... 46 Figura 2.18 Laminador de ar do Túnel de Testes ............................... 47 Figura 2.19 Localização dos sensores de temperatura e umidade
relativa no Túnel de Testes antes do painel evaporativo
49 Figura 2.20 Transdutor de umidade relativa do tipo capacitivo …....... 49 Figura 2.21 Sistema de aquisição de dados – Delogger .................... 50 Figura 2.22 Sistema de recirculação de água do painel no Túnel de
Testes ..............................................................................
52 Figura 2.23 Moto-exaustor do Túnel de Testes ……………………….. 52
xii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.24 Inversor de frequência para comandar o moto-exaustor 53 Figura 2.25 Duto circular acoplado ao Módulo exaustor de ar ........... 53 Figura 2.26 Instrumentos utilizados na medição da vazão de água ... 54 Figura 2.27 Perfil de velocidade do ar antes do painel (horizontal)
com 4 pontos de medição para a fibra de Coco
( =0,1m e aguam.
=112,4 g/s) ...........................................
57
Figura 2.28 Perfil de velocidade do ar antes do painel (vertical) com
4 pontos de medição para a fibra de Coco ( =0,1m e
aguam.
=112,4 g/s) .............................................................
57
Figura 2.29 Determinação da velocidade do ar medida antes do painel evaporativo ............................................................
58
Figura 2.30 Tubo de Pitot modelo elipsoidal ……………..............…... 61 Figura 2.31 Transdutor eletrônico de pressão diferencial ……......… 61 Figura 2.32 Forma de medição da pressão estática do ar no interior
do Túnel de Testes utilizando Tubo de Pitot ................... 62
Figura 2.33 Carta psicrométrica com constante, ebsT , de 36°C e
e de 24% ......................................................................
64
Figura 2.34 Carta psicrométrica com constante, ebsT , de 34°C e
e de 26% ......................................................................
64
Figura 2.35 Carta psicrométrica com constante, ebsT , de 32°C e
e de 28% ......................................................................
65
Figura 2.36 Carta psicrométrica com constante, ebsT , de 30°C e
e de 30% ......................................................................
65
Figura 3.1 Balanço de energia e massa para um canal do painel evaporativo ..............................................................................
69
Figura 3.2 Parâmetros geométricos para um canal do painel evaporativo ..............................................................................
70
Figura 3.3 Exemplo da definição da temperatura de bulbo seco de saída na condição de saturação de vapor de água
(ssbsT = 20°C) com
ebsT = 36°C, buT = 20°C e
e =22% .................................................................................
74
Figura 3.4 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra
de Coco com =0,1 m e .
agm = 112,4 g/s .............................
84
Figura 3.5 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,1 m e .
agm =106,6 g/s ....................................
84
Figura 3.6 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,1 m e .
agm = 89,3 g/s ......................................
85
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.7 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1m e .
agm = 112,4 g/s ............
85
Figura 3.8 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1m e .
agm = 106,6 g/s .............
85 Figura 3.9 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1m e .
agm = 89,3 g/s ..............
86
Figura 3.10 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 112 g/s ..............................
86
Figura 3.11 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 106,6 g/s ..........................
86
Figura 3.12 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 89,3 g/s ...................................
87 Figura 3.13 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,15 m e .
agm = 112,4 g/s ..............
87
Figura 3.14 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra
de Esponja Vegetal com =0,15 m e .
agm = 106,6 g/s ........
87
Figura 3.15 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra
de Esponja Vegetal com =0,15 m e .
agm = 89,3 g/s ...........
88
Figura 3.16 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,1 m e .
agm =112,4 g/s ....................................
90
Figura 3.17 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,1 m e .
agm =106,6 g/s .....................................
90
Figura 3.18 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,1 m e .
agm = 89,3 g/s ......................................
90
Figura 3.19 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1 m e .
agm =112,4 g/s .................
91
Figura 3.20 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1 m e .
agm = 106,6 g/s ................
91
xiv
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.21 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,1 m e .
agm = 89,3 g/s ..................
91
Figura 3.22 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 112,4 g/s ..............................
92
Figura 3.23 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 106,6 g/s ....................................
92
Figura 3.24 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Coco com =0,15 m e .
agm = 89,3 g/s .......................................
92
Figura 3.25 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,15 m e .
agm = 112,4 g/s .............
93
Figura 3.26 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com = 0,15 m e .
agm = 106,6 g/s ..............
93
Figura 3.27 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de
Esponja Vegetal com =0,15 m e .
agm = 89,3 g/s ................
93
Figura 3.28 Redução de temperatura de bulbo seco utilizando painel
de fibra de Coco com =0,15m, .
arm = 0,06 kg/s e
.
agm=
112,4 g/s (simulação numérica) .......................................
95
Figura 3.29 Elevação de umidade relativa utilizando painel de fibra
de Coco com = 0,15 m, .
arm =0,06 kg/s e .
agm = 112,4
g/s (simulação numérica) .................................................
95
Figura 3.30 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Coco com = 0,1 m;
ebsT =36°C e .
agm =112,4 g/s .............................................
108 Figura 3.31 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Coco com = 0,1 m;
ebsT =34°C e .
agm =112,4 g/s .............................................
108 Figura 3.32 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Coco com = 0,1 m;
ebsT =32°C e .
agm =112,4 g/s ............................................
109
xv
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.33 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Coco com = 0,1 m;
ebsT =30°C e .
agm =112,4 g/s ............................................
109
Figura 3.34 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m; ebsT = 36°C e
.
agm =112,4 g/s ...........................
110 Figura 3.35 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m; ebsT = 34°C e
.
agm =112,4 g/s .............................
110 Figura 3.36 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m; ebsT = 32°C e
.
agm =112,4 g/s ............................
111 Figura 3.37 Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de
contato ar-água de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m; ebsT = 30°C e
.
agm =112,4 g/s .............................
111 Figura 3.38 Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco
com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT =36°C,
supT = 20°C, =24%, .
arm = 0,06 kg/s .............................
112
Figura 3.39 Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco
com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT = 36°C,
supT = 20°C, = 24%, .
arm = 0,06 kg/s ............................
113
Figura 3.40 Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco
com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT =40°C,
supT = 21°C, =24%, .
arm = 0,06 kg/s .............................
113
Figura 3.41 Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco
com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT = 40°C,
supT = 21°C, = 24%, .
arm = 0,06 kg/s .............................
113
Figura 3.42 Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco
com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT =40°C,
supT = 19°C, =10%, .
arm = 0,06 kg/s ............................
114
xvi
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.43 Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco
com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT = 40°C,
supT = 19°C, = 10%, .
arm = 0,06 kg/s ...........................
114
Figura 3.44 Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco
com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT =45°C,
supT = 21°C, =10%, .
arm = 0,06 kg/s ............................
114
Figura 3.45 Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco
com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e 0,22 m, ebsT = 45°C,
supT = 21°C, = 10%, .
arm = 0,06 kg/s ...............................
115
Figura 4.1 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/01/2010 a 31/01/2010 .......................................................................
117
Figura 4.2 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/01/2010 a 31/01/2010 .................................................
117
Figura 4.3 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/02/2010 a 28/02/2010 .......................................................................
118
Figura 4.4 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/02/2010 a 28/02/2010 .................................................
118
Figura 4.5 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/03/2010 a 31/03/2010 .......................................................................
119
Figura 4.6 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/03/2010 a 31/03/2010 .................................................
119
Figura 4.7 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/04/2010 a 30/04/2010 .......................................................................
120
Figura 4.8 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/04/2010 a 30/04/2010 .................................................
120
Figura 4.9 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/05/2010 a 31/05/2010 .......................................................................
121
Figura 4.10 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/05/2010 a 31/05/2010 .................................................
121
Figura 4.11 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/06/2010 a 30/06/2010 .......................................................................
122
Figura 4.12 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/06/2010 a 30/06/2010 .................................................
122
Figura 4.13 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/07/2010 a 31/07/2010 .......................................................................
123
Figura 4.14 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/07/2010 a 31/07/2010 .................................................
123
Figura 4.15 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/08/2010 a 31/08/2010 .......................................................................
124
Figura 4.16 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/08/2010 a 31/08/2010 .................................................
124
Figura 4.17 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/09/2010 a 30/09/2010 .......................................................................
125
xvii
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.18 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a
21/09/2010 a 30/09/2010 .................................................
125 Figura 4.19 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/10/2010 a
31/10/2010 .......................................................................
126 Figura 4.20 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a
21/10/2010 a 31/10/2010 .................................................
126 Figura 4.21 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/11/2010 a
30/11/2010 .......................................................................
127 Figura 4.22 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a
21/11/2010 a 30/11/2010 .................................................
127 Figura 4.23 Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/12/2010 a
31/12/2010 .......................................................................
128 Figura 4.24 Temperatura máxima do ar para o Brasil em a
21/12/2010 a 31/12/2010 .................................................
128 Figura 4.25 Diagrama bioclimático de Givoni (1992) com
detalhamento dos limites de cada sub-zona da carta psicrométrica ...................................................................
130
Figura 4.26 Ano Climático de Referência de Brasília - GO, plotado no programa Analysis Bio desenvolvido no Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da UFSC .........
131 Figura 4.27 Fazenda Área Nova em Petrolina-PE .............................. 133 Figura 4.28 Climatizador evaporativo de pequeno porte .................... 134 Figura 4.29 Instalação de climatizador evaporativo de grande porte . 134 Figura 4.30 Ponto de equilíbrio mensal .............................................. 139 Figura 5.1 Velocidade do ar antes e no interior do painel versus
vazão volumétrica de ar para fibra de Coco com
=0,1m e agm.
=112,4 g/s ...............................................
142
Figura 5.2 Velocidade do ar antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para fibra de Coco com
=0,15m e agm.
=112,4 g/s .............................................
143
Figura 5.3 Número de Reynolds antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para fibra de Coco com
=0,1 m e agm.
=112,4 g/s ..............................................
143
Figura 5.4 Número de Reynolds antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para fibra de Coco com
=0,15 m e agm.
=112,4 g/s ............................................
144
Figura 5.5 Número de Reynolds versus velocidade de ar para fibra
de Coco com =0,1m e agm.
=112,4; 106,6 e 89,3 g/s ..
144
Figura 5.6 Número de Reynolds versus velocidade de ar para fibra
de Coco com =0,15 m e agm.
=112,4; 106,6 e 89,3 g/s
145
xviii
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.7 Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do
ar e temperatura da água para a fibra de Coco com
=0,1 m e agm.
=112,4g/s ...............................................
145
Figura 5.8 Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do ar e temperatura da água para a fibra de Coco com
=0,1 m e agm.
=106,6g/s ...............................................
146
Figura 5.9 Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do ar e temperatura da água para a fibra de Coco com
=0,1 m e agm.
=89,3g/s .................................................
146
Figura 5.10 Perda de carga versus velocidade média do ar através
dos painéis com =0,15 m para condições de entrada
de ebsT , =36°C e e =24% .............................................
147
Figura 5.11 Eficiência de resfriamento versus velocidade média do
ar com painéis =0,1m e 0,15m, condições de entrada
de ebsT , =36°C e e =24% .............................................
148
Figura 5.12 Eficiência de resfriamento versus temperatura de bulbo
seco do ar de entrada com painéis de =0,1 m e 0,15m
149
Figura 5.13 Eficiência de resfriamento versus temperatura de bulbo
úmido do ar de entrada com painéis de =0,1 m e 0,15m ...............................................................................
150
Figura 5.14 Eficiência de resfriamento versus umidade relativa do ar
de entrada com painéis de =0,1 m e 0,15 m ................
151
Figura 5.15 Eficiência de resfriamento versus redução da
temperatura de bulbo seco com painéis de =0,1 m e 0,15 m ..............................................................................
151
xix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Custo de manutenção preventiva de um climatizador
evaporativo e um condicionador de ar convencional .........
06 Tabela 1.2 Custo de consumo de energia elétrica de um climatizador
e um condicionador de ar ..................................................
08 Tabela 1.3 Custo de aquisição da matéria prima para confecção de
painel .................................................................................
09 Tabela 2.1 Características e propriedades da fibra de Coco ............... 34 Tabela 2.2 Absorção de água, gramatura e densidade dos materiais
utilizados nos painéis evaporativos ...................................
36 Tabela 2.3 Esquema de medições para definição da eficiência de
resfriamento dos painéis no Túnel de Testes ....................
59 Tabela 2.4 Velocidades do ar medidas antes dos painéis
evaporativos e calculados para o interior dos painéis evaporativos .......................................................................
60 Tabela 2.5 Principais condições de teste com os painéis
evaporativos de fibra de Coco ………………………....……
62 Tabela 2.6 Principais condições de teste com os painéis
evaporativos de fibra de Esponja Vegetal .....…..…………
63 Tabela 2.7 Principais condições de teste com os painéis
evaporativos de Celulose Rígida .....................……………
63 Tabela 3.1 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco ...................................................................................
96 Tabela 3.2 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal .................................................................
97 Tabela 3.3 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado ....................................................................
98 Tabela 3.4 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco ...................................................................................
99 Tabela 3.5 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa .....................................................
100 Tabela 3.6 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado – Comercial ................................................
101 Tabela 3.7 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco ...................................................................................
102 Tabela 3.8 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa .....................................................
103 Tabela 3.9 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado – Comercial ................................................
104
xx
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.10 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco ................................................................................
105 Tabela 3.11 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa ...................................................
106 Tabela 3.12 Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de
contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft – Comercial ..............................................................
107 Tabela 4.1 Condições meteorológicas médias para a cidade de
Brasília – GO ...................................................................
131 Tabela 4.2 Estimativa do custo de produção de um climatizador
evaporativo com painéis de fibras vegetais e de Celulose (Custo Industrial) ..............................................
135 Tabela 4.3 Balanço financeiro da Viva Equipamentos Indústria e
Comércio Ltda .................................................................
141 Tabela 5.1 Medidas de velocidade média do ar, diferença entre a
pressão estática do ar (Pe) antes e depois do painel evaporativo (Perda de carga) e eficiência de resfriamento do painel de Celulose Rígida Corrugada do experimento de Vigoderis (2007) .....................................
147
xxi
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1.1 Índice de viabilidade ........................................................ 29 Equação 1.2 Depressão de bulbo úmido na saída ............................... 29 Equação 2.1 Diâmetro hidráulico do Túnel de Testes …………………. 47 Equação 2.2 Espessura do laminador de ar ……………………………. 47 Equação 2.3 Espessura da parede da chapa metálica do laminador
de ar .................................................................................
47 Equação 2.4 Espaçamento entre as chapas metálicas do laminador
de ar .................................................................................
47 Equação 2.5 Correção da umidade relativa lida pelo sensor
capacitivo de entrada .......................................................
49 Equação 2.6 Correção da umidade relativa lida pelo sensor
capacitivo de saída ..........................................................
49 Equação 2.7 Vazão de água do Túnel de Testes ................................. 55 Equação 2.8 Determinação da incerteza de medição propagada da
vazão de água .................................................................
55 Equação 2.9. Vazão volumétrica do ar .................................................. 58 Equação 2.10 Vazão mássica do ar ....................................................... 58 Equação 2.11 Volume específico do ar da mistura ar-vapor de água .... 58 Equação 2.12 Velocidade do ar no interior do painel evaporativo .......... 59 Equação 3.1 Diâmetro hidráulico do canal do painel de contato ar-
água .................................................................................
70 Equação 3.2 Área superficial do canal de espessura 10 cm ................ 71 Equação 3.3 Área superficial do canal de espessura 15 cm ................ 71 Equação 3.4 Balanço de energia genérica ........................................... 71 Equação 3.5 Balanço de energia no volume de controle do painel ...... 71 Equação 3.6 Calor transferido por convecção ...................................... 72 Equação 3.7 Temperatura média logarítmica ....................................... 72 Equação 3.8 Massa de água evaporada .............................................. 72 Equação 3.9 Cálculo da temperatura do ar ao longo do painel
evaporativo ......................................................................
72 Equação 3.10 Cálculo da temperatura do ar ao longo do painel
evaporativo para um domínio discreto formado por N volumes, considerando um volume genérico (i) ..............
73 Equação 3.11 Eficiência de saturação evaporativa ................................ 74 Equação 3.12 Taxa de fluxo mássico de vapor de água calculado para
a saída de cada volume de controle do domínio .............
75 Equação 3.13 Umidade específica de uma mistura ar-vapor de água ... 76 Equação 3.14 Taxa de fluxo mássico de vapor de água em função das
pressões parciais e das massas moleculares .................
76 Equação 3.15 Taxa de fluxo mássico de ar seco em função das
pressões parciais e das massas moleculares .................
76 Equação 3.16 Umidade específica em função das pressões parciais e
das massas moleculares .................................................
76 Equação 3.17 Umidade específica em função das pressões parciais e
das massas moleculares (simplificada) ...........................
76 Equação 3.18 Umidade específica de entrada em função das pressões
parciais e das massas moleculares (simplificada) ...........
76
xxii
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 3.19 Umidade específica na interface ar-água em função das
pressões parciais e das massas moleculares (simplificada) ....................................................................
77 Equação 3.20 Pressão parcial do vapor de água saturado na
tempertura de bulbo seco ................................................
77 Equação 3.21 Pressão parcial do vapor de água saturado na
temperatura de bulbo úmido ............................................ 77
Equação 3.22 Pressão parcial de vapor de água na tempertura de bulbo seco .......................................................................
77
Equação 3.23 Volume específico do ar seco na temperatura de bulbo seco .................................................................................
78
Equação 3.24 Volume específico do ar seco na temperatura de bulbo úmido ...............................................................................
78
Equação 3.25 Volume específico do vapor de água na temperatura de bulbo seco .......................................................................
78
Equação 3.26 Volume específico do vapor de água na temperatura de bulbo úmido .....................................................................
78
Equação 3.27 Volume específico da mistura ar e vapor de água .......... 78 Equação 3.28 Entalpia do ar seco ......................................................... 78 Equação 3.29 Entalpia do vapor de água ............................................... 78 Equação 3.30 Entalpia da mistura ar seco e vapor de água .................. 79 Equação 3.31 Temperatura de bulbo úmido ........................................... 79 Equação 3.32 Constante em função das pressões e entalpia de
vaporização na temperatura de bulbo úmido ..................
79 Equação 3.33 Entalpia de vaporização na temperatura de bulbo úmido 79 Equação 3.34 Constante envolvendo pressão, depressão de bulbo
úmido e temperatura de ponto de orvalho .......................
79 Equação 3.35 Depressão de bulbo úmido .............................................. 79 Equação 3.36 Umidade específica na temperatura de bulbo úmido ...... 79 Equação 3.37 Temperatura de ponto de orvalho ................................... 79 Equação 3.38 Condutividade térmica da mistura do ar-vapor de água .. 80 Equação 3.39 Viscosidade dinâmica da mistura ar-vapor de água ........ 80 Equação 3.40 Calor específico do ar seco ............................................. 80 Equação 3.41 Calor específico do vapor de água .................................. 80 Equação 3.42 Calor específico da mistura ar-vapor de água ................. 80 Equação 3.43 Número de Nusselt .......................................................... 81 Equação 3.44 Comprimento caraterístico ............................................... 81 Equação 3.45 Número de Sherwood ...................................................... 81 Equação 3.46 Coeficiente de difusão de massa ..................................... 81 Equação 3.47 Correlação para o número de Nusselt em escoamento
cruzado sobre feixe de tubos ...........................................
82 Equação 3.48 Correlação para o número de Nusselt em painéis de
Celulose Rígida Corrugada, conforme Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) .................................
82 Equação 3.49 Correlação para o número de Nusselt em painéis de
Celulose Rígida Corrugada do experimento de Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) ............................
82
xxiii
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 3.50 Número de Reynolds utilizando o comprimento
característico ...................................................................
82 Equação 3.51 Número de Prandt ........................................................... 83 Equação 3.52 Definição das constantes C1 e m1 do número de
Nusselt .............................................................................
83 Equação 3.53 Correlação para o número de Nusselt em painéis
evaporativos do experimento desta Tese ........................
84 Equação 3.54 Correlação para o coeficiente de transferência de
massa em painéis de Celulose Rígida Corrugada, conforme Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) ..............................................................................
88 Equação 3.55 Número de Schmidt ......................................................... 88 Equação 3.56 Correlação para o número de Sherwood em painéis de
Celulose Rígida Corrugada, conforme Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) .................................
88 Equação 3.57 Correlação para o número de Sherwood em painéis de
Celulose Rígida Corrugada do experimento de Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) ............................
88 Equação 3.58 Correlação para o número de Sherwood em painéis
evaporativos do experimento desta Tese ........................
88
xxiv
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área, m²
cA Área transversal livre do canal do painel evaporativo de fibra vegetal, m²
eA Área transversal de escoamento do ar no Túnel de Testes, m²
lpA Área livre frontal do painel evaporativo, m²
scA Área superficial de contato ar-água do canal do painel evaporativo de fibra vegetal, m²
pac Calor específico do ar seco, kJ/kg ºC
pvc Calor específico do vapor de água, kJ/kg ºC
parc Calor específico da mistura de ar e vapor de água, kJ/kgK
1c e 2c Coeficientes de correção
sdT Depressão de bulbo úmido
abD Coeficiente de difusão binária (ar-água), m²/s
buD Depressão de bulbo úmido
hD Diâmetro hidráulico do Túnel de Testes, m
hcD Diâmetro hidráulico do canal do painel de contato ar-água de fibra vegetal, m
Le Espessura da chapa metálica, mm
h Entalpia, kJ/kg
ah Entalpia do ar seco, kJ/kg
vh Entalpia do vapor de água, kJ/kg
arh Entalpia da mistura ar-vapor de água, kJ/kg
ch Coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m²°C
mh Coeficiente de transferência de massa, m/s
Ires_balança Incerteza de resolução da balança, kg Ires_cronômetro Incerteza de resolução do cronômetro, s Iprop_vazão_ag Incerteza propagada da vazão de água, kg/s
vI Índice de viabilidade, °C
cL Comprimento característico, m
LL Profundidade do laminador de ar, mm
1m e 2m Coeficientes de correção
agM Massa de água (medida na balança digital), kg
aM Massa molar aparente do ar seco na escala do carbono 12, kg/kmol
vM Massa molecular do vapor de água, kg/kgkmol
n Coeficiente de correção Nu Número de Nusselt
P Ponto de medição da velocidade do ar no Túnel de Testes
Pr Número de Prandtl
xxv
LISTA DE SÍMBOLOS
sPr Número de Prandtl na temperatura da interface ar-água
TTP Perímetro do Túnel de Testes, m
cP Perímetro do canal do painel evaporativo de fibra vegetal, m
atmP Pressão atmosférica ao nível do mar, kPa
tbsvP Pressão parcial de vapor de água no ar na condição de saturação na temperatura de bulbo seco, kPa
tbuvP Pressão parcial de vapor de água no ar na condição de saturação na temperatura de bulbo úmido, kPa
tbsvsP Pressão parcial do vapor de água saturado na tempertura de bulbo seco, kPa
tbuvsP Pressão parcial do vapor de água saturado na tempertura de bulbo úmido, kPa
"cq
Fluxo de calor por convecção (sensível), kJ/s
"evq
Fluxo de calor evaporação, kJ/s
Re Número de Reynolds
gR Constante dos gases, J/kmolK
vR Constante universal de vapor d'agua, J/kmol.K
aR Constante universal de ar seco,J/kmol.K
S Desvio padrão
eSm Desvio padrão médio (erro de medição)
Sc Número de Schmidt
sSc Número de Schmidt na temperatura da interface ar-água
Sh Número de Sherwood
bsT Temperatura de bulbo seco, °C
buT Temperatura de bulbo úmido, °C
poT Temperatura de ponto de orvalho, °C
ssbsT Temperatura de bulbo seco na saída e na condição de saturação, °C
sT Temperatura superficial próximo à interface ar-painel molhado, °C
t Tempo de coleta de dados, s
V Volume, m³
2V Tensão referente à umidade relativa na entrada do painel evaporativo, mV
1V Tensão referente à umidade relativa na saída do painel evaporativo, mV
xxvi
LISTA DE SÍMBOLOS
arQ Vazão volumétrica de ar, m³/s
arm Massa de ar seco, kg
vm Massa de vapor de água, kg
.
m Fluxo mássico, kg/s
agm.
Fluxo mássico de água, kg/s
arm.
Fluxo mássico da mistura ar seco e vapor de água, kg/s
am.
Fluxo mássico de ar seco, kg/s
vm.
Fluxo mássico de vapor de água, kg/s
evm.
= md Fluxo de água evaporada, kg/s
Coeficiente de condutividade térmica, W/mK
v Densidade do vapor de água, kg/m³
mar Densidade específica da mistura de ar e vapor de água, kg/m³
Eficiência de resfriamento evaporativo, %
Lw Espaçamento entre chapas metálicas do laminador de ar, mm
Espessura ou profundidade do material, m
Umidade específica do ar, kg/kg
Umidade relativa da mistura ar e vapor de água, %
p Velocidade do ar no interior do painel evaporativo, m/s
Velocidade do ar, m/s
m Velocidade média do ar, m/s
pa Volume específico do ar seco, m³/kg
pv Volume específico do vapor de água, m³/kg
pmar Volume específico da mistura ar e vapor de água, m³/kg
ar Difusidade térmica,
ar Viscosidade dinâmica da mistura ar-vapor de água, N.s/m²
LMT Temperatura média logarítmica da mistura de ar seco e vapor de água, °C
Constante utilizada para calcular a buT
B Constante utilizada para calcular a buT
xxvii
OBJETIVOS
a) OBJETIVO GERAL
Testar a viabilidade de utilizar fibras vegetais locais no resfriamento
evaporativo, utilizando como referência a eficiência de resfriamento evaporativo
de um painel comercial de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft).
b) OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Com base no objetivo geral pretende-se atingir os seguintes objetivos
específicos:
Aperfeiçoar o Túnel de Testes construído no Laboratório de termodinâmica
(LABTERMO) da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE);
Construir painéis evaporativos alternativos de materiais renováveis (fibras
vegetais) com configuração que possa obter melhor eficiência de
resfriamento evaporativo;
Caracterizar os materiais utilizados como meio úmido, tais como: dimensões,
absorção de água, gramatura e densidade;
Determinar o perfil de velocidade e a velocidade média para cada condição
de teste;
Determinar a vazão de água do sistema de recirculação de água para cada
condição de teste;
Determinar a perda de carga dos painéis evaporativos para cada condição
de teste;
Determinar a eficiência de resfriamento evaporativo em função das
condições psicrométricas de entrada e saída do painel de contato ar-água;
Desenvolver um modelo matemático e uma simulação numérica do processo
de transferência de calor e massa em diferença finita;
Fazer uma análise de custo de fabricação em escala industrial para certificar
a viabilidade da aplicação de fibras vegetais selecionadas como painel de
contato ar-água.
xxviii
ESTRUTURA DO TRABALHO
O item 1.1 do Capítulo 1 (Contexto e importância da utilização de
sistemas de resfriamento evaporativo), Introdução, destaca as informações
básicas para melhor entendimento sobre resfriamento evaporativo e os motivos
que justificam o desenvolvimento do trabalho.
O item 1.2 do Capítulo 1 (Contexto e importância da utilização de
sistemas de resfriamento evaporativo), Formulação do Problema, é direcionado
para questões que ajudaram a subsidiar ações para o desenvolvimento do
trabalho e trata sobre aspectos econômicos, aspectos de análise do impacto
ambiental e florestal, e aspectos de análise referentes à saúde que estão
correlacionados a conforto térmico com utilização de climatizadores
evaporativos e condicionadores de ar convencional.
O item 1.3 do Capítulo 1 (Contexto e importância da utilização de
sistemas de resfriamento evaporativos), Estado da Arte, descreve sobre
trabalhos desenvolvidos sobre resfriamento evaporativo e a contribuição dos
mesmos para o presente trabalho.
O Capítulo 2 (Materiais e Métodos) destaca as características construtivas
e o princípio de funcionamento do climatizador evaporativo do tipo direto,
objeto de estudo desta Tese, onde foi instalado o Túnel de Testes, tipos de
materiais para enchimento e sua caracterização; capacidade de absorção de
água, gramatura e densidade das fibras selecionadas; equipamentos utilizados
na caracterização e formatação do arranjo dos painéis evaporativos utilizados
no experimento; como foram realizadas as alterações no Túnel de Testes e os
painéis com arranjos de fibras vegetais e de Celulose Rígida Corrugada (Papel
Kraft); como foi determinada a vazão de água, o perfil de velocidade e a
velocidade média do ar no Túnel de Testes; como foi definida a perda de carga
dos painéis evaporativos de contato ar-água; quais as temperaturas de bulbo
seco e umidade relativa de entrada foram utilizadas; como foi determinado a
eficiência de resfriamento evaporativo e o roteiro para operação do Túnel de
Testes.
O Capítulo 3 (Modelagem Matemática e Simulação numérica do processo
de resfriamento evaporativo do tipo direto) relata uma modelagem da
transferência de calor e massa do processo de resfriamento evaporativo e é
xxix
baseada em um balanço de massa e energia na corrente de ar que atravessa o
painel úmido. Neste capítulo também se evidencia as equações envolvidas no
processo de transferência de calor e massa, gráficos e tabelas comparativas
entre os resultados experimentais e numéricos.
O Capítulo 4 (Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com
painéis de fibras vegetais) consiste numa análise de custo de fabricação em
escala industrial de climatizadores evaporativos utilizando painéis de contato
fabricados de fibras vegetais e de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft).
O Capítulo 5 (Resultados e Discussões) os resultados encontrados são
relatados de forma organizada e sistematizada, onde o significado dos
resultados é avaliado com base em análise estatística de tabelas e gráficos.
Considerando que as observações de outros autores referentes ao tema do
trabalho são descritas, como forma de referência e validação dos dados. Os
resultados encontrados são detalhadamente discutidos e o seu significado é
apontado.
1
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
CAPÍTULO 1 - Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de
Resfriamento Evaporativo
1.1 Introdução.
Várias pesquisas estão sendo desenvolvidas por apelos mundiais para a
conscientização ecológica, direcionadas para uma preocupação com a ecoeficiência,
assumindo-se posições importantes perante o uso de tecnologias que levam em
conta o fator central que é o homem, seu conforto e sua relação com o meio
ambiente. É evidente que o uso racional da água e o reaproveitamento máximo da
energia favorecem não só o lado financeiro e econômico, mas também o lado
ambiental, tendo como foco principal o desenvolvimento sustentável do homem.
O resfriamento provocado pela evaporação de água ocorre com frequência na
natureza. A brisa refrescante nas proximidades de uma cachoeira é um exemplo a
ser seguido. Segundo Lopes et al. (2006) este fenômeno já era observado desde a
antiguidade. Panos molhados e chafarizes eram colocados em pátios internos para
criar um ambiente mais ameno. Os antigos egípcios colocavam grandes jarros de
barro cheios de água nas entradas das pirâmides, para que o ar passasse pelos
jarros e trocasse calor com a água, entrando nas pirâmides com uma menor
temperatura. Escravos do antigo Egito (2500 a.C.) abanavam os jarros de paredes
porosas para resfriar a água do seu interior. Os filtros e bilhas de barro cozido são
uma representação desse fenômeno, ainda usados em cidades do interior do país.
Uma fração da água armazenada evapora através da parede do vaso, resfriando o
líquido remanescente. Na Roma antiga e na Idade Média, reservatórios de água com
paredes umidificadas foram utilizados.
Genericamente, resfriamento evaporativo ocorre quando algum meio ou
produto cede calor para que a água evapore. A evaporação de um líquido qualquer é
um processo endotérmico, isto é, demanda calor para se realizar. Esta transferência
de calor pode ser forçada (quando fornecemos calor) ou induzida (quando criamos
condições para que o produto retire calor do meio).
Atualmente, os sistemas de condicionamento de ar por compressão a vapor e o
de ventilação são os mais utilizados para esse fim. A importância do resfriamento
evaporativo tem evoluído nas últimas décadas, devido a fatores como a crescente
crise de energia, os problemas ambientais causados pelos gases cloroflúorcarbono
(CFC) e hidroclorofluorcarbono (HCFC) usados em condicionadores de ar, bem
2
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
como a baixa eficiência dos sistemas de ventilação, principalmente nos meses mais
quentes do ano.
Silva (2002) enfatiza que o ar atmosférico é uma mistura de ar seco e vapor de
água e para uma dada condição de temperatura e pressão esta mistura tem
capacidade de conter uma quantidade máxima de vapor d’água. Sendo assim, o
resfriamento evaporativo aproveita esta capacidade do ar de armazenar água em
forma de vapor e opera utilizando a água e o ar como fluidos de trabalho. Consiste
na utilização da evaporação de água através da passagem de um fluxo de ar,
provocando uma redução na temperatura e elevação de sua umidade específica.
Esse processo é mais eficiente quando a temperatura do ar externo é mais elevada
e sua umidade específica é menor, ou seja, quando a necessidade de resfriamento é
maior para otimizar as condições ambientais. O ar já se encontra diluído, ocupando
todos os espaços disponíveis e entra em contato com a água. Desta forma, um
painel evaporativo pode ser utilizado com o propósito de aumentar a área superficial
de contacto entre a água e o ar.
Por possuir uma gama de modelos diferenciados, os climatizadores
evaporativos atendem às mais diversas necessidades dos seus clientes. O tipo da
instalação pode variar conforme o local e como este local é utilizado, podendo ser de
pressão positiva (insuflação de ar) ou negativa (exaustão de ar). O climatizador
evaporativo de pressão positiva pode ser dividido em: duto vertical, duto horizontal
ou direto, conforme Figura 1.1. Nos três casos é necessário manter aberturas para
saída do ar. Caso contrário, cria-se uma pressão positiva alta no recinto com alta
umidade e inviabiliza o funcionamento do aparelho.
Figura 1.1 – Resfriamento evaporativo com pressão positiva (Em 14/09/10: www.ventcenter.com.br/climatizadores-evaporativos.html).
3
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
A Figura 1.2 destaca um sistema de resfriamento evaporativo de pressão
positiva muito utilizada para criação de bovinos, onde o teto é isolado termicamente
e as laterais do ambiente são totalmente abertas.
Figura 1.2 – Resfriamento evaporativo com pressão positiva para bovinos (Em 14/09/10: http://francisco-producaoanimal.blogspot.com/).
O climatizador evaporativo de pressão negativa é mais utilizado em estufas de
plantas, criação de animais ou instalações de conforto térmico de grande porte,
conforme as Figuras 1.3 a 1.5.
Figura 1.3 – Resfriamento evaporativo com pressão negativa em escritório (Em 14/09/10: www.alibaba.com/product-gs/285872733/Evaporative_Cooling_Pad.html).
Figura 1.4 – Resfriamento evaporativo com pressão negativa em estufa com plantas (Em 14/9/10: http://photos.tradeholding.com/attach/hash136/144776/cooling_pad_wall.jpg).
4
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Figura 1.5 – Resfriamento evaporativo com pressão negativa em aviário (Em 14/09/10: www.aviculturaindustrial.com.br).
O principal foco deste trabalho é encontrar novas opções de enchimento que
possam reduzir o custo de produção de um climatizador evaporativo, e que, ao
mesmo tempo possuam uma eficiência de resfriamento próxima do enchimento
comercial de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft). Sendo as fibras vegetais uma
destas opções largamente pesquisadas, pois são abundantes, biodegradáveis e de
baixo custo de processamento. Assim, foram construídos arranjos em forma de
colméias que possibilitam uma maior área de interface ar-água e que favorecem a
transferência de calor e massa para os painéis fabricados a partir da fibra da
Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) e de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus), tendo a
Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) como referência.
1.2 Formulação do problema.
Existem varias questões que serviram de suporte para o desenvolvimento do
trabalho e que justificam pesquisas sobre resfriamento evaporativo, principalmente
em relação ao seu maior concorrente o condicionador de ar por compressão a vapor.
Como referência para uma análise mais criteriosa pode-se citar aspectos
econômicos, aspectos de análise do impacto ambiental e florestal e aspectos de
análise referentes à saúde com aplicação de climatizadores evaporativos e
condicionadores de ar convencional (ACJ). Considerando que os dois sistemas de
climatização não estão restritos a pequenos ambientes, mas podem ser usados em
ambientes com grande volume de ar, e por vezes abertos, e assim, é mais
conveniente do ponto de vista econômico, utilizar o resfriamento evaporativo.
5
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
1.2.1 Aspectos econômicos.
1.2.1.1 Custo de aquisição: O custo de aquisição de um condicionador de ar
convencional tem tido uma queda considerável no mundo, devido principalmente à
atuação dos países asiáticos que usam mão de obra de baixo custo e em grande
escala, como também incentivos governamentais. Atualmente um climatizador
evaporativo ainda possui um custo de aquisição alto. Contudo, várias pesquisas
estão sendo desenvolvidas para tornar o climatizador evaporativo mais acessível,
principalmente aquelas referentes a novos materiais para fabricação de painéis
evaporativos de contato ar-água. Quando um climatizador evaporativo for produzido
numa escala industrial próximo de um condicionador de ar convencional, seu preço
de aquisição irá cair consideravelmente;
1.2.1.2 Custo de instalação: O custo de instalação de climatizador evaporativo é
pequeno, pois a corrente elétrica é baixa, diminuindo o custo com a instalação
elétrica. No condicionador de ar convencional a corrente elétrica é alta. Além disso, o
climatizador evaporativo não necessita de uma estrutura especial para sustentação
na edificação, por é consideravelmente mais leve;
1.2.1.3 Custo de manutenção: O custo de manutenção de um condicionador de ar
convencional é alto, pois necessita de uma empresa especializada ou profissional
experiente. Um climatizador evaporativo apresenta um custo de manutenção
mínimo, devido a sua simplicidade construtiva, mesmo que o usuário prefira
contratar empresa especializada ou profissional experiente.
A manutenção preventiva é uma manutenção planejada que previne a
ocorrência corretiva. É o procedimento mais barato e garantido, ou seja, corrigir os
defeitos antes que se manifestem ou logo que comecem a se manifestar, para
causar danos menores. O denominador comum para manutenção preventiva é o
planejamento da manutenção versus tempo. Com o passar do tempo, por exemplo,
um condicionador de ar convencional acumula impurezas, principalmente no filtro de
purificação de ar, no sistema de ventilação e na serpentina evaporadora. Contudo, a
manutenção preventiva em muitas empresas não é valorizada, considerada apenas
como um mal necessário, provocando assim a ocorrência da manutenção corretiva,
com prejuízo à saúde dos ocupantes do recinto. A Tabela 1.1 destaca a manutenção
preventiva dos climatizadores evaporativos e condicionadores de ar convencionais
num período de quatro anos. Verifica-se que este custo é menor para o climatizador
evaporativo.
6
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Nos climatizadores evaporativos deve-se executar regulamente as
manutenções preventivas mensais e trimestrais recomendas pelo fabricante.
Quando o painel evaporativo ficar desgastado deve-se comprar um novo painel
evaporativo. Nos condicionadores de ar convencionais a manutenção preventiva
encarece o custo durante estes mesmos quatro anos, seja considerando uma
manutenção preventiva semestral ou anual. Isto sem considerar que é necessário
substituir o filtro de ar de acordo com a intensidade de uso. Caso contrário, o filtro
não terá a eficiência de purificação adequada para reter as impurezas do ar e
permitirá que as impurezas entrem em contato com o interior do condicionador de ar
convencional e até o próprio ambiente condicionado.
Tabela 1.1 – Custo de manutenção preventiva de um climatizador evaporativo e um condicionador de ar convencional (ACJ).
Item ECOBRISA EB-20 ACJ Springer Mod. CA125 12.000 Btu/h
Periodicidade da
manutenção preventiva
simples
Mensal: Limpeza do reservatório de água a ser feito pelo usuário, funcionário ou técnico não especializado.
Limpeza do filtro de ar feito pelo usuário: Quinzenal: Ambientes com muita concentração de poeira (pó de cimento, gesso, cal, areia, pedra ou serragem). Como também salão de Cabeleleiros e Barbearias ou ambientes de grande concentração de pessoas (hospitais, bancos, lojas de muito público, entre outros). Mensal: Ambientes relativamente limpos (Ex: Escritórios, residências, entre outros).
Periodicidade da
manutenção preventiva
geral
Trimestral: Limpeza do painel, reservatório, sistema de recirculação de água e estrutura a ser feito pelo usuário, funcionário ou técnico não especializado.
Semestral: ACJ que funciona durante muito tempo (Ex: Empresas e escolas). Feita por profissional ou empresa especializada. Anual: ACJ que funciona em residências ou durante pouco tempo. Feita por profissional ou empresa especializada.
Diversos Novo painel a cada quatro anos em média (R$200).
O custo da manutenção preventiva gira em torno de R$ 60.
Custo de manutenção para 4 anos
R$ 200 do painel para os quatro anos.
R$ 240 com uso leve para quatro anos (R$ 60 manutenção x 4 anos) R$ 480 com uso pesado para quatro anos (R$ 120 manutenção x 4 anos)
1.2.1.4 Custo de adaptação do ambiente: Um condicionador de ar convencional,
visando menor consumo de energia elétrica, exige ambiente com paredes, pisos e
teto de alta inércia térmica, com boa estanqueidade. O custo para conseguir maior
eficiência de resfriamento e menor consumo de energia elétrica aumenta com
materiais que dificultam a transmissão de calor. As portas devem ser providas de
molas, e as janelas bem vedadas e possuir proteção contra os raios solares. O
sistema de iluminação deve ser de baixa potência elétrica para dissipar menos calor.
Enquanto o climatizador evaporativo não existe esta preocupação, basta deixar
7
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
aberturas para facilitar a renovação de ar em torno de 100%, evitando a saturação
de vapor d’água no ar;
1.2.1.5 Planejamento Governamental: Para agências governamentais, a redução de
custos de consumo de energia elétrica pode ser realizada diretamente através da
incorporação da tecnologia do climatizador evaporativo em edifícios e outras
instalações. Além disso, o governo pode incentivar a utilização de tecnologias de
climatizador evaporativo como uma relevante alternativa tecnológica que irá poupar
recursos financeiros dos consumidores, provocando uma redução global de
demanda da energia elétrica, reduzir as emissões de poluição do ar e ajudar a
cumprir obrigações decorrentes de tratados internacionais relacionados com a
redução de emissões de poluentes atmosféricos;
1.2.1.6 Iniciativa privada: Para a iniciativa privada, a fabricação e venda de
climatizadores evaporativos apresenta oportunidades significativas para as
empresas de pequeno, médio e grande porte. Isto é vantajoso, mesmo para países
relativamente pobres ou em desenvolvimento, pois ao contrário dos requisitos
técnicos relativamente complexos para a produção de condicionadores de ar
convencionais, o climatizador evaporativo exige apenas a infra-estrutura básica e
competências construtivas com os materiais. Assim, comerciantes de climatizador
evaporativo podem oferecer preços menores que os condicionadores de ar,
mantendo as margens de lucro relativamente altas. Nas regiões com climas de
elevada temperatura e baixa umidade relativa, a venda de climatizadores
evaporativo pode oferecer muito mais do que um "nicho" de mercado;
1.2.1.7 Economia de energia elétrica: O consumo de energia elétrica de um
climatizador evaporativo é referente ao motor do ventilador e a bomba de
recirculação de água de pequeno porte, chegando a reduzir cerca de 90 a 95% do
consumo gasto por um condicionador de ar convencional para uma mesma área. A
Tabela 1.2 mostra uma comparação do consumo de energia elétrica entre um
climatizador evaporativo e um condicionador de ar convencional. Nota-se que o
custo mensal de R$ 8,16 do climatizador evaporativo é muito pequeno quando
comparado ao valor de R$ 85,71 do condicionador de ar convencional, fazendo com
que o custo da água consumida deixe de ser uma preocupação.
8
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Tabela 1.2 - Custo de consumo de energia elétrica de um climatizador e um condicionador de ar.
Item Descrição Ecobrisa EB-20 ACJ Springer CA125 12.000 Btu/h
1 Indicado para ambiente (área) 10 a 20 m² 13 a 20 m²
2 Consumo elétrico (Potência) 0,095 kW 1,16 kW
3 Consumo elétrico mensal, 8 horas por dia, 20 dias no mês
15,2 kWh 182,6 kWh
4 Custo mensal da energia elétrica com R$ 0,4694 por kWh
R$ 7,13 R$ 85,71
5 Consumo médio água (=50%) 3 l/h -
6 Consumo mensal água (0,003m³/h x 8 horas x 20 dias )
0,48 m³ -
7 Custo mensal da água com 8 horas por dia, 20 dias no mês R$ 2,52 x 0,48 m³
R$ 1,21 -
8 Custo mensal total R$ 8,16 R$ 85,71
Em 06/2011: www.ecobrisa.com.br e conta residencial concessionária CELPE/COMPESA.
1.2.2 Aspectos de análise do impacto ambiental e florestal.
1.2.2.1 Impacto nas condições atmosféricas: Um climatizador evaporativo não utiliza
gás clorofluorcarbono (CFC) ou hidroclorofluorcarbono (HCFC), que possuem cloro
em sua composição química. Estes são prejudiciais ao meio ambiente, como
ocorrem com os condicionadores de ar convencionais, mesmo que tenham baixo
poder de destruição do ozônio. Dois temas relevantes e preocupantes mundialmente
têm participação destes fluidos refrigerantes:
a) Destruição da camada de ozônio (O3): Ozônio é um gás presente naturalmente
entre 12 a 13 km da Terra, na estratosfera, e absorve parte dos raios ultravioleta do
sol nociva a vida na Terra. A radiação ultravioleta altera o código genético do ácido
desoxirribonucléico (ADN), causando mutações nos seres vivos. Cada organismo
tem sistemas para corrigir o problema, mas quando o organismo não consegue
consertar e a célula morre, pode ser o início de um câncer ou danos à visão,
envelhecimento precoce ou à supressão do sistema imunológico. Os fluidos
refrigerantes que possuem cloro, quando chegam à estratosfera são atingidos pelos
raios ultravioleta do sol, que provocam o rompimento de suas moléculas e reagem
com cada molécula de ozônio, quebrando sua ligação. Um único radical livre de
cloro é capaz de destruir 100 mil moléculas de ozônio, o que acelera a diminuição da
camada de ozônio e prejudica a filtração da radiação ultravioleta.
b) Efeito estufa: Fluidos refrigerantes contribuem para o aquecimento global pelo
fenômeno chamado efeito estufa. Este processo ocorre devido às interações entre a
Terra, sua atmosfera e a radiação solar. A radiação solar que atinge a superfície da
Terra é parcialmente absorvida, parcialmente refletida e parcialmente reirradiada e
9
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
novamente emitida pela superfície da Terra com comprimento de onda diferente da
radiação que chega. Alguns gases na atmosfera, como o vapor de água, dióxido de
carbono (CO2), metano (CH4), fluidos refrigerantes utilizados em condicionadores de
ar e outros gases, absorvem esta radiação e a reemitem. Estes gases são
chamados de gases de efeito estufa. O efeito líquido é o aquecimento da superfície
da Terra, similar a forma que uma estufa aprisiona a radiação aquecendo o ar dentro
dela. O efeito estufa é importante para a vida e sem ele, a temperatura média na
superfície da Terra seria apenas -18ºC. Entretanto, é previsto que com o aumento da
concentração de gases de efeito estufa na atmosfera, a temperatura da Terra irá
aumentar, provocando graves desastres ecológicos e materiais.
1.2.2.2 Impacto florestal: O painel comercialmente utilizado em climatizador
evaporativo é fabricado de celulose proveniente de árvores. No caso de painéis
evaporativos fabricados a partir de fibras vegetais, existe uma grande quantidade de
materiais de fácil aquisição e baixo custo. O plantio de Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica) em larga escala pode reduzir este custo e o retorno é rápido. A fibra do
mesocarpo do Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) pode contribuir para a diminuição do
acúmulo de lixo e propiciar maior inclusão social de famílias de baixa renda. A
Tabela 1.3 destaca o custo de aquisição da matéria prima dos três materiais, onde o
preço do painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) fica próximo ao de fibra
de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) devido ao processo industrial, e o painel de fibra
de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) fica elevado devido à aquisição através de
pequenos produtores e não ser industrializado. As dimensões do painel de Celulose
Rígida Corrugada (Papel Kraft) do Climatizador ECOBRISA EB-20 foram utilizadas
como referência para dimensionar os painéis de fibra vegetal, conforme Figura 1.6;
Tabela 1.3 – Custo de aquisição da matéria prima para confecção de painel.
Item Painel de Celulose
(Munters) Fibra de Coco com resina a
base de látex Fibra de Esponja Vegetal de metro
Preço de mercado Em torno de
R$ 1.400,00 / m³ R$7,00 / m²
(gramatura 250 g/m²) R$1,50 a unidade
Mantas - 28 pç de 0,8 x 0,1 m 28 pç de 0,8 x 0,1 m
Preço do painel 0,2 x 0,6 x 0,1 m
R$ 17,00 R$ 16,00 R$ 42,00
10
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Figura 1.6 – Dimensões dos painéis evaporativos de fibras vegetais tendo o painel de Celulose do Climatizador de ar ECOBRISA EB-20 como referência.
1.2.2.3 Impacto ambiental: Quanto maior o número de climatizadores evaporativos e
menor o de condicionadores de ar convencionais, o consumo de energia global
cresce de forma mais lenta, diminui o risco de “Black-outs”, e consequentemente,
diminuindo o impacto ambiental de novas fontes de energia elétrica (usinas
hidrelétricas, eólicas, entre outras).
1.2.3 Aspectos de análise referentes à saúde.
1.2.3.1 Sensação de bem estar e doenças respiratórias: O condicionador de ar
convencional diminui a umidade específica do ar ambiente (quantidade de vapor de
água em suspensão no ar), provocando ressecamento das mucosas nasais,
epiderme, vias respiratórias, olhos e peles mais sensíveis. Com o climatizador
evaporativo a umidade específica é mantida numa taxa ideal para a maioria dos
ocupantes de um determinado recinto, exceto para pessoas que possuem
dificuldades respiratórias devido a doenças ou pessoas idosas, que podem se sentir
desconfortável em ambientes com alta umidade específica, pois a grande
concentração de vapor de água em suspensão no ar exige mais do sistema
respiratório;
1.2.3.2 Renovação de ar do ambiente: O índice de renovação de ar em
condicionador de ar convencional é muito pequeno em função do tamanho do
ambiente e quantidade de pessoas, ou seja, fica em torno de 5 a 10% de vazão de
ar do aparelho. Em alguns modelos não existe a renovação de ar ou o percentual de
renovação é muito pequeno. No caso do climatizador evaporativo o ar é renovado
em torno de 100% e mantém estável a taxa de oxigênio. Além disso, esta renovação
de ar diminui a possibilidade de aparecimento de colônias de fungos/bactérias no
recinto, e assim, diminui a possibilidade de contágio de gripe nos ocupantes e evita
problemas respiratórios comuns com condicionadores de ar convencionais, como a
rinite;
0,2 m
0,6 m 0,1 m
11
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
1.2.3.3 Nível de ruído no ambiente: O nível de ruído no ambiente com um
condicionador de ar convencional em operação, causado principalmente pelo
compressor é alto quando comparado com um climatizador evaporativo. Como
nosso corpo tem uma capacidade de adaptação muito grande, normalmente se
aceita passivamente o incômodo barulho do condicionador de ar convencional, que
só percebemos quando o mesmo é ligado ou desligado;
1.2.3.4 Temperatura ambiente: Um condicionador de ar pode reduzir a temperatura
de bulbo seco do ambiente a valores próximos de 18ºC. Já o climatizador
Evaporativo do tipo Direto (RED) de contato ar-água, insuflando ar com temperatura
próxima à temperatura de bulbo úmido de entrada, reduz a temperatura do ar
externo em torno de 10ºC. Contudo, o condicionador de ar convencional consegue
atingir uma faixa de temperatura de conforto ampla, pois não depende muito das
condições do ar externo, onde só é afetado nas condições de verão pelo ar externo
em situações de alta temperatura. Enquanto o climatizador evaporativo possui uma
faixa pequena de temperatura de conforto e só consegue ter boa eficiência de
resfriamento quando o ar externo possui uma alta temperatura e uma baixa umidade
relativa. Contudo, nos meses que a temperatura externa ficar em níveis baixos o
sistema de recirculação de água não necessita ser usado, e o aparelho funciona
como um simples ventilador ou exaustor.
Entre todas as justificativas apresentadas as mais significantes para o
consumidor referem-se ao custo de aquisição e a garantia de atingir a temperatura
de conforto térmico. Assim, atualmente o condicionador de ar convencional leva
vantagens, pois poucos consumidores estão preocupados com o custo pós-
aquisição (Exemplo: custo de operação e manutenção), aspectos ambientais e
possuem poucas informações sobre a relação destes aparelhos e sua saúde. Desta
forma este trabalho se propõe a encontrar painéis fabricados a partir de fibras
vegetais que possam ser usados como alternativa de menor custo de produção, com
eficiência de resfriamento evaporativo próximo ou melhor que a Celulose Rígida
Corrugada (Papel Kraft) a fim de diminuir o custo de produção e torná-lo mais
acessível para os consumidores. Sendo assim, cabem as empresas fabricantes de
climatizadores evaporativos divulgarem mais seus produtos e incentivarem
pesquisas nas instituições educacionais, estreitando a relação entre consumidor e
produto, e ao mesmo tempo, as instituições educacionais devem buscar recursos
financeiros para desenvolver pesquisas mais apuradas com ou sem incentivos
governamentais.
12
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Vale salientar que o comparativo apresentado se referiu a condicionadores de
ar e climatizadores evaporativos de pequeno porte, mas existem condicionadores de
ar com capacidade de refrigeração numa faixa ampla, que pode atender desde
ambientes pequenos a grandes, e da mesma forma existem climatizadores
evaporativos que atendem uma gama maior. Porém, é necessário analisar quando
cada aparelho pode substituir o outro e propiciar sensação de conforto e bem estar
aos ocupantes do recinto.
1.3 Estado da arte.
Com o intuito de conhecer melhor o processo de resfriamento evaporativo e
encontrar formas de aumentar a eficiência de resfriamento, bem como propor novos
materiais e arranjos, muitos estudos foram desenvolvidos, seja de cunho teórico,
experimental ou aplicado e serviram de parâmetros para auxiliar no desenvolvimento
do presente trabalho de Tese. Assim, apresenta-se aqui um estudo bibliográfico com
reflexões do conteúdo apresentado, correlacionado com o trabalho de Tese.
Macher et al. (1995) na Califórnia, EUA, verificaram experimentalmente a
possibilidade de sistemas de resfriamento evaporativo ficar contaminado por
bactérias. Neste experimento a bandeja de depósito da água foi contaminada com
mais de 106 unidades de formação de colônia (cfu/ml-1) de bactéria. O ar na sala,
onde estava instalado o climatizador evaporativo, foi monitorado durante toda
operação para detectar a presença de bactéria no ar de saída do aparelho, e na
água de entrada do sistema de abastecimento e recirculação. A concentração média
de bactéria do ar no interior foi de 1,2 e 2,4 ufc/m-3 na baixa e alta velocidade do
ventilador (a vazão volumétrica e a velocidade de ar através do painel de contato do
climatizador evaporativo foram de 23 e 44 m3/min, 0,47 e 0,89 m/s). Destacam que
um bom funcionamento e manutenção dos climatizadores evaporativos
provavelmente asseguram um mínimo de exposição humana aos microorganismos
potencialmente nocivos e outros materiais que possam se multiplicar em bandejas
com água, evitando a transferência para o recinto através de respingos de água. É
de suma importância conhecer sobre como aparece e quais condições propicia a
ocorrência da proliferação de fungos, bactéria e algas nos painéis evaporativos,
contudo o trabalho proposto não desenvolveu uma análise química para detectar a
presença destes, mas ciente da possibilidade da ocorrência destaca os meios para
eliminá-los ou minimizá-los.
13
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Leal (1997) em Campinas, Brasil, desenvolveu um Sistema Gerador de
Processos Psicrométricos – SIGEP. Com equipamentos/instrumentos adequados,
variaram basicamente, em cada processo gerado pelo SIGEP, as vazões e as
potências elétricas requeridas pelos diferentes sistemas de condicionamento de ar,
que através de um sistema de aquisição de dados acoplado a um microcomputador,
obtiveram, principalmente, a umidade relativa, as velocidades e as pressões dos
fluidos, as temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido de pontos estratégicos,
dentro e fora do volume de controle, a fim de efetuar análise energética e exergética.
Leal (1997) afirma que a metodologia de avaliação pela 1ª e 2ª Lei da
Termodinâmica aplicada em processos de condicionamento de ar é tecnicamente
viável. Ele verificou ainda que a avaliação baseada exclusivamente na 1ª Lei da
Termodinâmica (avaliação energética), em quase a totalidade dos processos
gerados pelo SIGEP, era menos rigorosa que a avaliação exergética, e fornece com
isso uma falsa idéia da real capacidade de realizar trabalho de um sistema, pois
apresenta valores de eficiências energéticas, quase sempre, muito superiores
daqueles calculados pela avaliação exergética. A eficiência exergética para
resfriamento evaporativo, envolvendo especificamente o painel de contato ar-água é
quase totalmente reversível, onde uma parcela muito pequena representa a
irreversibilidade. Sendo assim, este trabalho de Tese se fundamenta apenas na
eficiência energética. Considerando que a eficiência exergética é mais interessante
para a avaliação do sistema de forma mais abrangente, tais como: todo sistema de
resfriamento evaporativo (painel, exaustor, bomba de recirculação de água,
tubulações, registros, etc.) ou uma planta industrial, entre outros. Assim, pode-se
identificar onde fazer melhorias para diminuir as perdas, aumentar a eficiência e
diminuir os custos.
Strobel et al. (1999) em Ohio, EUA, apresentam tabelas para determinação do
fluxo de água mínimo e capacidade mínima da bomba de recirculação de água para
sistemas de Resfriamento Evaporativo Direto (RED). Sugerem taxas de renovação
de ar requeridas para estufas específicas para animais, dimensões e localização do
painel e do exaustor. Aconselham três estágios das condições de conforto térmico
no interior da estufa: quente, morno e frio, onde a recirculação de água é utilizada
pelo sistema apenas nos meses quentes. Além disso, indicam colocar termostatos
na estufa, como também, descrevem como proceder para efetuar uma manutenção
e prolongar a vida útil dos painéis evaporativos. A definição das vazões de água
14
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
utilizadas no experimento do trabalho de Tese seguiram as instruções de Strobel et
al. (1999).
Joudi e Mehdi (2000) no Iraque apresentam um estudo de aplicação do
Resfriamento Evaporativo Indireto (REI) a uma residência típica localizada na cidade
de Bagdá, sistema este com carga de resfriamento variável. O sistema de
Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI) tinha um trocador de calor tipo placa
com fluxo cruzado tendo-se desenvolvido um modelo teórico. Analisaram e
compararam quatro sistemas: somente Ventilação, Resfriamento Evaporativo do tipo
Direto (RED), Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI) e um sistema de dois
estágios composto de um Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) e um
Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI). Concluíram que o sistema de dois
estágios fornece a máxima capacidade de resfriamento. Este artigo foi de suma
relevância para compreender sobre características, princípio de funcionamento e
eficiência de resfriamento evaporativo de um e dois estágios, apesar do trabalho de
Tese ser dirigido especificamente para sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo
Direto (RED).
Maheshwari et al. (2001) no Kuwait desenvolveram pesquisas voltadas para
conforto térmico utilizando Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI). Segundo
Maheshwari et al. (2001) as grandes diferenças entre as temperaturas de bulbo seco
e bulbo úmido durante o verão podem ser vantajosas para uso de ar fresco pré-
resfriado para o condicionamento de ar de ambientes através de Resfriamento
Evaporativo do tipo Indireto (REI). Apresentam uma avaliação analítica, utilizando os
resultados da eficiência de resfriamento evaporativo e consideraram o registro de
dados meteorológicos de localidades costeiras e interiores do Kuwait. A capacidade
de refrigeração dos aparelhos foi estimada de 3,1 e 2,4 toneladas de refrigeração,
para o interior e as zonas costeiras, respectivamente. Enfatizaram que os requisitos
de energia de condicionadores de ar convencional para climatização nessas áreas
ficam entre 3,85 e 4,93 kW, em comparação com apenas 1,11 kW necessários
utilizando o Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI). A maior contribuição
deste artigo foi enfatizar que as grandes diferenças entre as temperaturas de bulbo
seco e temperatura de bulbo úmido durante o verão podem ser vantajosas para o
uso de ar fresco pré-resfriado para o condicionamento de ar de ambientes através
de um climatizador evaporativo e destacar que não se devem ignorar os registros de
dados meteorológicos das localidades onde se pretende utilizar um sistema de
resfriamento evaporativo.
15
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Liao e Chiu (2002), em Taiwan, República da China, desenvolveram um túnel
de vento compacto para determinar os coeficientes de transferência de calor e
massa, como também a eficiência de resfriamento evaporativo de painéis
alternativos. Dois materiais alternativos, um painel feito em malha com espaçamento
de 2,5 mm de fio grosso de PVC revestido de esponja sintética e outro feito de
malha com espaçamento de 7,5 mm de fio fino de PVC revestido também de
esponja sintética. Estes painéis, antes de serem testados no túnel de vento, foram
encharcados em água durante 24 horas. Já nas condições experimentais, esperou-
se uma estabilização das condições de fluxo mássico de água e ar com as
condições de transferência de calor e massa ambiente. Fixando o fluxo mássico de
água e variando o fluxo mássico de ar examinou os efeitos da velocidade do ar, do
fluxo de água, da queda de pressão estática e da espessura do painel em relação à
eficiência de resfriamento, isto é, permitindo um período de 10 minutos para
estabilização entre as novas condições de fluxo mássico de ar. Os resultados de
eficiência de resfriamento evaporativo ficaram em torno de 81,75 a 84,48% para o
painel mais espesso e de 76,68 a 91,64% para o painel mais fino. Este artigo tem
um conteúdo bem abrangente em termo de contribuição para o trabalho de Tese,
onde os autores destacam materiais e métodos de forma clara e mostram o modelo
matemático proposto, como também, os resultados sobre a eficiência de
resfriamento evaporativo.
Kant et al. (2002) em Nova Déli, Índia, apresentam um artigo em que
examinaram a possibilidade de utilizar resfriamento evaporativo nos meses de verão.
Simularam o efeito do número de trocas de ar por hora e do fator de by-pass (FBP)
no desempenho do sistema. Concluíram que se a temperatura e a umidade relativa
são altas no ambiente, o sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED)
não proporciona conforto, mas combinações apropriadas de trocas de ar e de fator
de by-pass (FBP) podem ser utilizadas para propiciarem melhores resultados. Fica
evidente que a umidade relativa alta com muita umidade específica (vapor de água
presente no ar) inviabiliza o emprego de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto
(RED), mas existem mecanismos que podem ser utilizados para obtenção de
melhores resultados. Para o funcionamento do Túnel de Testes do trabalho de Tese,
considerando que a umidade específica da cidade do Recife é alta, utilizou-se uma
serpentina evaporadora de um condicionador de ar em operação na entrada para
diminuir a quantidade de vapor de água presente no ar.
16
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Al-Sulaiman (2002), em Dhahran, Arábia Saudita, projetou um protótipo de
túnel de vento para avaliar o desempenho de painéis evaporativos de fibras vegetais
em substituição a painéis evaporativos fabricados de Celulose Rígida Corrugada
(Papel Kraft) com canais desencontrados. As fibras escolhidas foram a fibra da haste
da Palma (Palm), da Juta (Corchorus Capsularis) e da Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica). Nos testes foram considerados a eficiência de resfriamento evaporativo,
o desempenho do material e a deterioração da eficiência de resfriamento. Os
resultados mostraram que a eficiência de resfriamento média foi de 62,1% para a
Juta (Corchorus Capsularis), 55,1% para a Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica), 49,9%
para a Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) e 38,95% para a Palma (Palm). No
teste de desempenho foi definido qual a quantidade de sal presente e o volume do
material após ser encharcado em água (biodegradação). Na ordem crescente, a Juta
(Corchorus Capsularis) teve menos depósito de sal, seguida pela Palma (Palm),
Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) e Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft). Já no
requisito de biodegradação a Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) obteve melhor
resistência para manter-se com o volume constante, seguida pela Palma, Celulose
Rígida Corrugada (Papel Kraft) e Juta (Corchorus capsularis). Quanto à diminuição
da eficiência de resfriamento evaporativo a Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) obteve
melhor desempenho, seguida da Palma (Palm) e da Celulose Rígida Corrugada
(Papel Kraft). A Juta (Corchorus Capsularis) apresentou o pior resultado. Os
resultados totais indicam que a Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) obteve mais
vantagens. Entretanto, se a superfície da Juta (Corchorus Capsularis) puder ser
trabalhada para melhorar sua resistência à biodegradação, fornecerá a melhor
opção. Este artigo tem um grande valor para o trabalho desta Tese, pois é
direcionado para resfriamento evaporativo utilizando painéis de contato ar-água
fabricado a partir de fibras vegetais. Além disso, evidencia detalhes de
desenvolvimento do túnel de vento utilizado e dos resultados obtidos para
caracterizar cada amostra e sua respectiva eficiência de resfriamento evaporativo.
Daí e Sumathy (2002) em Hong Kong estudaram o material constituinte da
célula evaporativa de um Climatizador evaporativo do tipo contato. Um modelo
matemático para a temperatura de interface ar-água foi desenvolvido. A análise dos
resultados demonstrou que existe um tamanho considerado ótimo para o canal de
ar, o que resulta em uma menor temperatura de saída e que o desempenho do
sistema pode ser melhorado com a otimização dos parâmetros de operação, como
fluxo mássico da água de alimentação e de ar do processo, bem como diferentes
17
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
tamanhos do painel evaporativo. Através do modelo matemático puderam executar
simulações numéricas com diferentes áreas de contato ar-água, espessura do painel
evaporativo, configurações, parâmetros de entrada, entre outros, e assim,
determinar a influência de cada um no resultado da eficiência de resfriamento
evaporativo. Sendo este o mesmo raciocínio utilizado no trabalho de Tese.
Silva (2002) em Viçosa, Brasil, destaca que em regiões tropicais e subtropicais,
a exemplo do Brasil, os altos valores de temperatura e a baixa umidade relativa do
ar, sobretudo no verão, têm se mostrado como fatores que mais afetam a produção
de frango de corte. E, visando a promover o arrefecimento térmico e melhorar o
ambiente interno das instalações, a avicultura industrial brasileira vem adotando
sistemas climatizados com ventilação em modo de túnel associados a sistema de
resfriamento evaporativo composto de placas de material poroso umedecido por
gotejamento ou aspersor. Usualmente são empregados nestes sistemas placas de
Celulose Rígida Corrugada. O objetivo de Silva (2002) foi estudar a possibilidade de
substituição da Celulose Rígida Corrugada por argila expandida (cinasita). Avaliou-
se a eficiência dos distintos painéis evaporativos no arrefecimento térmico do ar no
interior do galpão. Silva (2002) certificou que os painéis de Celulose Rígida
Corrugada proporcionam melhores índices de conforto térmico e eficiência
evaporativa no arrefecimento térmico do que o material alternativo (cinasita). A
cinasita demonstrou bom potencial para utilização como painel evaporativo,
entretanto há necessidade de posteriores investigações visando ao melhor
dimensionamento. Silva (2002) demonstrou que a argila expandida (cinasita) pode
ser utilizada como material alternativo, pois possui características favoráveis de
densidade, porosidade, durabilidade e disponibilidade no comércio, sugerindo que
satisfaz as exigências pertinentes a um bom material poroso, podendo substituir,
com vantagem econômica, a Celulose Rígida Corrugada. A contribuição para o
trabalho de Tese é a formatação do túnel de vento e os resultados de eficiência de
resfriamento evaporativo dos painéis de contato ar-água.
Castro e Pimenta (2004) em Brasília, Brasil, simularam a transferência de calor
e massa em painéis de contato ar-água usados em sistema de Resfriamento
Evaporativo do tipo Direto (RED) através de modelos matemáticos e correlações
empíricas, de forma computacional, com o intuito de comparar os dados obtidos nas
simulações com os dados do fabricante para determinar a eficiência de resfriamento
e a perda de carga. Observou-se uma boa concordância entre os resultados obtidos
com as simulações e os dados do fabricante, o que validou o modelo de
18
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
transferência de calor e massa adotado. Uma estimativa da queda de pressão no
painel evaporativo de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) também foi calculada.
Para isso, utilizou-se um modelo semi-empírico a partir dos dados do fabricante.
Assim foi possível simular o painel para diferentes velocidades do ar com as curvas
de aproximação obtidas. Os resultados foram comparados com o modelo de cálculo
de queda de pressão em painéis de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft),
mostrando uma maior concordância com os dados do fabricante. O artigo de Castro
e Pimenta (2004) é uma referência que serviu como ponto de partida para a análise
da transferência de calor e massa no painel evaporativo de contato ar-água.
El-Dessouky et al. (2004) no Kuwait construíram um protótipo de um sistema
de Resfriamento Evaporativo de dois estágios, constituindo-se de um Resfriador
Evaporativo do tipo Indireto (REI) seguido por um Resfriador Evaporativo do tipo
Direto (RED), para avaliar o desempenho de cada tipo de sistema funcionando de
forma independente e em conjunto. A temperatura média de entrada ficou em torno
de 45ºC. Na avaliação, foram consideradas varias espessuras do painel evaporativo,
variação do fluxo mássico de água e de ar no Resfriador Evaporativo do tipo Direto
(RED) e Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI), configurações diferentes do
Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) com um único trocador de calor, dois
trocadores de calor em série e em paralelo. Os resultados foram medidos e
armazenados em um sistema de aquisição de dados. A eficiência de resfriamento
evaporativo () do sistema de dois estágios composto pelo Resfriador Evaporativo
do tipo Indireto (REI) e Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de
90 a 120%. Neste caso, a eficiência de resfriamento pode ultrapassar os 100%,
limite teórico para um Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED), visto que a
temperatura da água atinge valores mais baixos entre os dois sistemas, e em
consequência, uma temperatura de bulbo úmido bem menor. Já o Resfriador
Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de 63 a 93%. Enquanto o
Climatizador Evaporativo do tipo Indireto (REI) ficou em torno de 20 a 40%. Em
resumo, os resultados e a análise do experimento indicaram uma atratividade dos
sistemas de resfriamento evaporativo para conforto ambiental. Da mesma forma que
Joudi e Mehdi (2000), este artigo introduz informações relevantes que ajudam a
compreender detalhes sobre as características construtivas, princípio de
funcionamento e eficiência de resfriamento evaporativo () dos Resfriadores
Evaporativos do tipo Direto (RED) e Resfriadores Evaporativos do tipo Indireto (REI),
19
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
como também de dois estágios, e auxiliaram no desenvolvimento dos trabalhos de
Tese.
Camargo et al. (2005) em Brasília, Brasil, publicaram um artigo que trata sobre
Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED), definindo o desempenho com o
aparelho funcionando durante o verão na cidade de Brasília. Apresentam o princípio
básico do processo de resfriamento evaporativo e o modelo matemático
desenvolvido a partir de equações de um balanço de energia, e finalmente,
determinaram a eficiência de resfriamento do sistema. Da mesma forma que Castro
e Pimenta (2004) este artigo serviu como referência para a análise da transferência
de calor e massa no painel evaporativo de contato ar-água.
Barros (2005) em Recife, Brasil, utilizou uma bancada experimental em forma
de túnel de vento para avaliar o desempenho de fibras vegetais a serem usadas
como superfícies molhadas em resfriamento evaporativo de contato ar-água. As
fibras selecionadas foram de Sisal (Agave Sisalana) e de Coco (Cocos Nucifera
Linnaeus). Para determinar a eficiência de resfriamento evaporativo () um painel de
Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) foi escolhido como referência. A bancada
mostrou-se apropriada e os resultados mostraram uma melhor eficiência de
resfriamento evaporativo para a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) com 53%,
seguido pela fibra de Sisal (Agave Sisalana) com 43,94% e por último pelo painel de
Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) com 41,22%. Barros declara que os
resultados podem melhorar com arranjos que aumente a área de interface ar-água.
Este trabalho desenvolvido por Barros (2005) serviu de partida para os trabalhos
experimentais de Tese, principalmente porque o mesmo túnel de vento foi utilizado
com algumas alterações construtivas, como também, novos arranjos de painéis de
fibras de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) e Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) foi
confeccionada com configurações mais próximas da Celulose Rígida Corrugada
(Papel Kraft). Deste modo, pode-se obter resultado de eficiência de resfriamento
evaporativo com condições de entrada mais próximas de vazão de ar, vazão de
água e parâmetros psicrométricos de entrada.
Alodan e Al-Faraj (2005) em Riad destacam que os sistemas de resfriamento
evaporativo utilizados comercialmente na Arábia Saudita são de Celulose Rígida
Corrugada (Papel Kraft), que por sua vez, são relativamente dispendiosos. No
entanto, minerais e poeira presentes no ar e na água podem encurtar a vida útil
destes. Assim, descrevem uma nova alternativa de painel evaporativo fabricado de
folhas de metal galvanizado. O painel proposto possui folhas alinhadas verticalmente
20
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
em forma de ziguezague, onde o distanciamento entre as folhas foi em torno de
7,5mm. A água é despejada na parte superior do painel em forma de gotas através
de pequenos orifícios. O ar externo exaurido pelo exaustor é resfriado ao passar
pelo painel em forma de ziguezague, isto é, ocorre o fenômeno provocado pela
evaporação de uma parcela da água gotejada, e assim, aumenta-se a umidade
específica deste mesmo ar. O estudo utilizou espessuras do painel de 0,15 m; 0,3 m
e 0,45 m. Cada painel foi testado durante 24 horas e os dados foram capturados por
um sistema de aquisição e armazenados a cada dez segundos em um
microcomputador. Para as condições mais severas da temperatura de bulbo seco do
ar externo, a média da eficiência de resfriamento evaporativo foi de 76%, 86% e
88%, para os painéis evaporativos com profundidade de 0,15 m; 0,3 m e 0,45 m,
respectivamente. Alodan e Al-Faraj (2005) destacam as características construtivas
e os procedimentos em que o painel evaporativo de metal foi submetido, tais como
intervalo de tempo para cada medida e tempo total de cada medição. O tempo total
utilizado pelo trabalho experimental de Tese foi de 20 minutos com um intervalo de
tempo de 15 segundos entre cada medição, visto que, um tempo total maior poderia
ser afetado pelas variações das condições psicrométricas do ar de entrada,
dificultando a estabilização em regime permanente.
Paz (2005) desenvolveu um trabalho sobre o tratamento químico da água em
sistemas de resfriamento recirculante, visando à redução dos riscos associados à
bactéria Legionella. Paz (2005) aborda informações sobre a bactéria Legionella, tais
como: microbiologia, ecologia, doença do legionário e febre Pontiac e seus sintomas.
Neste trabalho cita os principais sistemas de resfriamento recirculante e suas
características, as melhores práticas operacionais e de manutenção, a fim de
minimizar os riscos associados com a presença deste organismo em sistemas de
resfriamento, recomendações para o tratamento químico da água, monitoração e
tratamento de rotina, desinfecção de emergência, os principais equipamentos de
proteção individual, formas de manutenção de registros e fornece sugestões para
melhoria no campo do controle da bactéria Legionella, visando à adequação às
normas sanitárias vigentes. Para minimizar a proliferação da Legionella e o risco de
Doença do Legionário a ela associado, Paz (2005) destaca a necessidade de
minimização da estagnação da água, minimização de vazamentos e/ou respingos
para o ambiente climatizado, manter a limpeza geral do sistema, aplicar inibidores de
incrustação e corrosão, controlar a população microbiana total e manter programas
de conscientização de funcionários. Este trabalho destaca aspectos relevantes que
21
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
foram mencionados no trabalho de Tese. Sabendo que o tratamento químico constitui
apenas um dos aspectos da minimização do risco. O projeto, a operação e as práticas
de manutenção também são vitais para reduzir os riscos à saúde associados com os
sistemas de resfriamento.
Camargo et al. (2006) em Taubaté, Brasil, descrevem três métodos que podem
ser usados como referência para definir a eficiência de resfriamento evaporativo
aplicados a conforto térmico humano em regiões tropicais e equatoriais. Estes foram
aplicados em condições severas para a cidade de Brasília durante diferentes
condições climáticas. O princípio básico de funcionamento do Resfriamento
Evaporativo do tipo Direto (RED) e Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI) é
explicitado, e a eficiência de resfriamento evaporativo é definida. Destacam ainda
que os dados mais importantes para um engenheiro ou projetista ao considerar
aplicações de sistema de resfriamento evaporativo é considerar registros climáticos
para a região específica, a fim de descobrir o que pode ser feito a respeito do
conforto térmico. Frisam que os sistemas de resfriamento evaporativo têm um
potencial muito grande para propiciar conforto térmico e ainda pode ser usado como
uma alternativa aos sistemas convencionais em regiões onde a temperatura de
bulbo úmido de projeto é inferior a 24ºC. Em consequência destas informações,
pode-se afirmar que a temperatura de bulbo seco de saída do painel evaporativo de
contato ar-água pode se aproximar da temperatura de bulbo úmido de entrada e
ficar dentro de uma faixa aceitável de conforto ambiental.
Araújo (2006) em Recife, Brasil, utilizou o túnel de vento construído por Barros
(2005) para identificar as principais características de eficiência de resfriamento
evaporativo que os painéis fabricados a partir das fibras vegetais de Esponja Vegetal
(Luffa Cilíndrica), Sisal (Agave Sisalana) e Coco (Cocos Nucifera Linnaeus)
possuem quando comparadas com o painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel
Kraft). Destacando que as fibras vegetais foram reorganizadas em arranjos
diferentes de Barros (2005). A eficiência de resfriamento do Sisal foi 44,95%
( entrada = 52,4% e = 0,85 m/s), a Esponja Vegetal foi 44,72% ( entrada = 38,44% e
= 0,4 m/s), a fibra de Coco foi 52,24% ( entrada = 36,03% e = 1,83 m/s) e a
Celulose Rígida Corrugada foi 65,92% ( entrada = 26,27% e = 1,9 m/s), em média.
O túnel de vento utilizado por Barros (2005) e posteriormente por Araújo (2006) foi
utilizado no trabalho experimental desta Tese, porém, foram realizadas varias
modificações construtivas, tanto do túnel de vento quanto do painel evaporativo. Os
22
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
arranjos dos painéis de fibras vegetais desenvolvidos por Araújo (2006) não
possibilitavam condições próximas de vazão de ar em comparação ao painel de
Celulose Rígida corrugada. Com relação à Esponja Vegetal a formatação do arranjo
em rodelas colocadas aleatoriamente na gaiola de testes alterava toda vez que
fosse retirada e recolocada, principalmente devido às dimensões de cada rodela e
seu posicionamento, como também com relação às diversas dimensões dos vazios
no interior das rodelas. O painel fabricado com corda de fibra de Coco e sisal
obtiveram velocidades mais próxima da Celulose Rígida Corrugada (Papel kraft),
mas a formatação do arranjo não foi definida, tais como: quantidade de material,
diâmetro da corda, espaçamento entre as cordas, e dificultando a reprodução da
estrutura do arranjo. Um experimento deve ter um arranjo construtivo do painel que
possua condições de ser reproduzido com as mesmas condições de entrada. Desta
forma, os arranjos dos painéis utilizados no experimento da Tese foram submetidos
às mesmas condições de vazão de ar, vazão de água e condições psicrométricas do
ar de entrada.
Lopes et al. (2006) em Campinas, Brasil, analisaram a viabilidade econômica e
aceitação popular da implantação de Sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo
Direto (RED) na substituição de condicionadores de ar convencionais no bloco A da
Faculdade de Engenharia Mecânica/UNICAMP. Os dois métodos de resfriamento
ambiental foram avaliados levando-se em conta parâmetros como potência, carga
térmica, energia consumida, custo de implementação, vantagens e desvantagens.
Segundo Lopes et al. (2006) os sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto
(RED) apresentaram uma grande vantagem sobre os condicionadores de ar
convencionais, isto é, quando se procura um conforto térmico de pessoas e
diminuição de impactos ambientais negativos, todavia são pouco conhecidos do
público. Este trabalho é interessante por correlacionar fatores interligados aos dois
sistemas de resfriamento ambiental, e foi utilizado como parâmetro para justificar o
ganho financeiro com a diminuição da energia elétrica consumida pelo climatizador
evaporativo em relação ao condicionador de ar convencional.
Fuchs et al. (2006) em Israel trabalharam com Resfriamento Evaporativo do
tipo Direto (RED) utilizando painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel kraft) para
melhorar as condições psicrométricas do ar de uma estufa com plantas. Segundo
suas argumentações, considerações ecológicas e econômicas motivam o uso de
irrigação de ciclo fechado para facilitar o crescimento de culturas em estufa com
substratos artificiais, submetendo plantas a um aumento do estresse osmótico
23
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
devido à concentração do soluto acrescido na solução irrigada. Um climatizador
evaporativo foi instalado na estufa para diminuir a taxa de transpiração, aumentando
a quantidade de vapor de água presente no ar e diminuindo o ritmo da acumulação
de soluto. Como resultado, um aumento de umidade no ar atenuou a salinidade
induzindo uma diminuição da taxa de transpiração. Esse artigo se torna interessante
para o trabalho experimental de Tese, pois no primeiro momento, entende-se que o
resfriamento evaporativo é especifico para conforto térmico.
Cachuté et al. (2006) em Uberlândia, Brasil, apresentam uma simulação do
processo de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED), fazendo uso das
práticas da Dinâmica dos Fluidos Computacional, através do programa de simulação
computacional com código CFX (programa ANSYS Workbench), utilizando painel
evaporativo de Celulose Rígida Corrugada. O objetivo foi avaliar, de forma
qualitativa, a queda de pressão ao longo do fluxo de ar através do painel evaporativo
de contato ar-água devidamente umedecido por um fluxo constante de água e com
temperatura pré-estabelecida, através da simulação do escoamento no qual está
inserido, levando em consideração suas características dimensionais e variáveis de
estado. Os resultados desta simulação permitiram uma razoável visualização da
queda de pressão no processo, para as velocidades do ar de 0,5 a 3,5 m/s. Desta
forma concluíram que, a metodologia apresentada é uma ferramenta adequada para
avaliação deste tipo de painel utilizado em processo de Resfriamento Evaporativo do
tipo Direto (RED). A perda de carga encontrada no trabalho de Tese identifica um
valor único pela diferença entre a pressão estática de entrada e de saída obtida de
forma experimental com a utilização de Tubo de Pitot e sistema de aquisição de
dados portátil, enquanto a utilização deste recurso utilizado por Cachuté et al. (2006)
possibilita definir uma faixa de perda de carga em função do deslocamento do fluxo
de ar no painel evaporativo por simulação numérica.
Carossi (2006) em Uberlândia, Brasil, desenvolveu um método matemático
para mapear regiões brasileiras com potencial de utilizar sistemas de resfriamento
evaporativo no condicionamento de ar ambiente. O climatizador evaporativo utilizado
tem capacidade de resfriar ambientes de até 50 m². Os mapas climáticos das
temperaturas e umidades relativas do ar foram sobrepostos e possibilitaram a
caracterização das regiões onde as condições do ar estejam dentro de valores
passíveis de utilização de sistema de resfriamento evaporativo. Os dados climáticos
de temperatura e umidade relativa do ar adquiridos nesta sobreposição foram
usados como entrada no modelo matemático, que forneceu os dados de saída, e
24
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
assim, foram analisados e descartadas as regiões cujos valores da temperatura e
umidade relativa do ar não se encontram dentro dos parâmetros de conforto térmico.
Desta forma, obteve-se o mapa climático onde o sistema de resfriamento
evaporativo tem potencial de ser utilizado, mês a mês e por estado. O trabalho de
Carossi (2006) é específico na caracterização das regiões brasileiras que possuem
potencial de uso do resfriamento evaporativo fornecendo a informação dos meses
mais propícios para obter uma melhor eficiência de resfriamento evaporativo. Esta
informação se refere principalmente à intensidade da temperatura de bulbo seco e
umidade relativa obtida na entrada do painel evaporativo, ou seja, quanto maior a
temperatura de bulbo seco e menor a umidade relativa melhor a eficiência de
resfriamento evaporativo.
Hosseini et al. (2007) em Tehran, Iran, desenvolveram um sistema de
resfriamento evaporativo de pequeno porte e adaptaram numa turbina a gás com
ciclo combinado para fazer uma modelagem e avaliação da eficiência de
resfriamento evaporativo. No modelo proposto, eles se basearam em diferentes
parâmetros, como a velocidade do ar de admissão, forma geométrica, dimensões e
espessura média. A análise dos resultados do experimento mostrou que a eficiência
de resfriamento evaporativo diminuiu quando ocorreu um aumento da perda de
pressão e aumento da velocidade do ar. A taxa de evaporação da água e a
diminuição da temperatura do climatizador foram calculadas. Os efeitos da
temperatura de bulbo seco, umidade relativa e pressão do ambiente foram
investigados minuciosamente. Os resultados analíticos e práticos mostraram que a
saída da turbina a gás do ciclo combinado da usina ficou com temperatura de bulbo
seco do ambiente em torno 38ºC e umidade relativa em torno de 8% em relação a
11 MW, bem como a queda da temperatura do ar de admissão ficou em torno de
19ºC com o sistema de resfriamento evaporativo. O trabalho de Hosseini et al.
(2007) serve como referência de sistema de resfriamento evaporativo para melhorar
as condições de operação em equipamentos e traz dados relevantes sobre o efeito
da velocidade, perda de carga e evaporação de uma parcela da água recirculada na
eficiência de resfriamento evaporativo.
Lazzarin (2007) em Vicenza, Itália, utilizou uma carta psicrométrica para
enquadrar as condições de conforto ambiental utilizando sistemas de Resfriamento
Evaporativo do tipo Direto (RED) e Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI),
em zonas, para ser utilizado em diversas condições climáticas. O intuito foi facilitar a
escolha, de forma simples e direta, do tipo de sistema mais eficiente para um
25
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
determinado ambiente. Construíram um túnel de vento com duas configurações
diferentes munidos de ventilador centrífugo; registro motorizado; serpentina de pré-
aquecimento, pós-aquecimento e resfriamento; umidificador adiabático; trocador de
calor tipo serpentina com aletas; laminador de ar; bandeja coletora de água e bomba
de recirculação de água. O trabalho de Lazzarin (2007) é muito parecido com o de
Carossi (2006), mudando a localidade de mapeamento das condições climáticas
propícias para o resfriamento evaporativo, e da mesma forma, é de suma
importância sua observância.
Heidarinejad e Bozorgmehr (2007) no Iran modelaram um sistema de
Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) e outro com Resfriamento
Evaporativo do tipo Indireto (REI). Este modelo foi obtido a partir das equações que
regem a transferência de calor e massa. Fatores que afetam a eficiência de
resfriamento evaporativo, tais como taxas de fluxo de massa, geometria e
configuração de fluxo de ar foram consideradas. Os resultados mostraram que a
eficiência de resfriamento evaporativo depende do fluxo mássico de ar, do
espaçamento entre placas de passagens úmidas e secas. A eficiência de
resfriamento evaporativo deste sistema para condições típicas de algumas cidades
iranianas foi investigada. A principal contribuição deste trabalho são os fatores que
afetam a eficiência evaporativa.
Vigoderis et al. (2007) em Viçosa, Brasil, publicaram um trabalho experimental,
onde construíram um protótipo de túnel de vento para analisar o desempenho de
argila porosa expandida e umedecida com água para ser utilizada como painel de
contato ar-água em sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) de
ambientes específicos para animais. O desempenho da argila foi comparado com
um painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel kraft), que possui boa eficiência de
resfriamento, alta durabilidade quando molhado e seco diversas vezes, mas seu
custo de produção e aquisição é elevado. O protótipo mostrou-se eficiente para
caracterização dos painéis e a argila porosa mostrou-se um material eficiente e
apropriado para utilização em resfriamento ambiental. Este trabalho é muito parecido
com Silva (2002), pois utiliza também túnel de vento destacando os resultados
oferecidos para produtividade na criação de animais em ambientes com resfriamento
evaporativo e os resultados da eficiência de resfriamento evaporativo utilizando
painéis de contato ar-água de Celulose Rígida Corrugada e argila porosa expandida.
Rawangkul et al. (2008) no Cairo, Egito, avaliaram a eficiência de resfriamento
de painéis fabricados a partir das fibras de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) de
26
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
sistema de resfriamento evaporativo. A principal vantagem é a redução do custo de
investimento dos painéis, considerando que o coqueiro é uma planta com grande
área de plantio mundial. Dois painéis foram fabricados, com configurações
diferentes, a partir das fibras do mesocarpo do Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) e
testados experimentalmente, e os dados obtidos foram comparados com painéis de
Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft). O efeito do coeficiente de transferência de
calor, velocidade do ar, queda de pressão e eficiência de resfriamento foram
examinados de forma criteriosa. A velocidade do ar de suprimento foi controlada na
faixa de 1,88 a 2,79 m/s. Os resultados revelaram que a eficiência de resfriamento
dos painéis de fibra de Coco ficou em torno de 35 e 50% e o de Celulose Rígida
Corrugada ficou em torno de 47%. A queda de pressão estática para os dois tipos de
arranjos de fibra de Coco ficaram em torno de 1,5 e 5,1 Pa. Os resultados revelaram
que a temperatura de bulbo seco de saída para a fibra de Coco ficou em torno de 23
a 28°C. Este trabalho correlaciona vários fatores que interferem no resultado da
eficiência de resfriamento evaporativo e faz um comparativo entre dois tipos de
painéis de fibra de Coco e outro de Celulose Rígida Corrugada. Além disso, utiliza
números adimensionais para determinar o coeficiente convectivo de transferência de
calor e o coeficiente de transferência de massa para a relação ar-água nas
configurações específicas dos painéis utilizados. Sendo assim, é de grande valia
para o trabalho de Tese.
Wu et al. (2008) na China fizeram uma análise teórica de transferência de calor
e massa em sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED). Uma
correlação simplificada da eficiência de resfriamento evaporativo foi proposta e
baseia-se na análise do balanço de transferência de calor e massa entre o ar e a
água. A correlação pode ser aplicada no climatizador evaporativo com fluxo cruzado,
em que um painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft), umedecido com
água, direciona o ar pelos canais e provoca transferência de calor e massa. A
influência da velocidade do ar de entrada e da espessura do painel sobre a
eficiência de resfriamento evaporativo foi discutida. A correlação simplificada da
eficiência de resfriamento evaporativo destacada por Wu et al. (2008) pode ser
utilizado para painéis construídos com arranjos ou materiais diferentes, tais como o
utilizado no experimento do trabalho de Tese, pois considera dados termofísicos das
condições de entrada e saída do painel evaporativo.
Rosa (2009) em Viçosa, Brasil, avaliou a eficiência de resfriamento evaporativo
de painéis de contato ar-água com um protótipo de um túnel de vento utilizado por
27
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
Silva (2002) e Vigoderis et al. (2007). Porém, nas pesquisas anteriores foi
demonstrado que a argila expandida (cinasita) possui características favoráveis de
densidade, porosidade, durabilidade e disponibilidade no comércio, sugerindo tratar-
se de que satisfaz as exigências pertinentes a um bom material poroso, podendo
substituir, com vantagem econômica, a Celulose Rígida Corrugada. Contudo, não
findou a questão relativa ao dimensionamento dos painéis de argila expandida em
termos de área, escolha de granulometria e espessura, que possibilitem uma
eficiência de resfriamento evaporativo do ar similar à conseguida com a Celulose
Rígida Corrugada. Assim, Rosa (2009) direcionou seu trabalho para obter um
modelo estatístico que permitiu dimensionar placas porosas em argila expandida
para uma grande faixa de condições de temperatura de bulbo seco e velocidade das
correntes de ar, espessura e granulometria, para emprego em condicionamento de
ar de ambientes em geral. Também aplicou os princípios da conservação de massa
e energia no dimensionamento de placas evaporativas de argila expandida,
validando através do experimento e comparações com o painel evaporativo de
Celulose Rígida Corrugada. Além disso, caracterizou a argila expandida em função
das dimensões e especificações granulométricas que fossem consideradas ótimas
em termos de transferência de calor e massa. Foram encontrados valores de
eficiência de resfriamento evaporativo para os painéis confeccionados com argila
expandida na granulometria 1 (referente a brita 1) em relação à granulometria 2
(referente à brita 2), para todas as espessuras de painéis adotadas (0,06 m; 0,08 m
e 0,1 m de espessura). Verificou-se também, boa eficiência de resfriamento
evaporativo com o painel evaporativo de 0,1 m de espessura para a granulometria 2
da argila. Pela análise estatística de regressão linear múltipla, concluiu-se que os
painéis de argila expandida com granulometria 1 e profundidade de 0,08 m são os
que possibilitam melhor eficiência de resfriamento evaporativo para velocidade do ar
entre 0,49 a 1,05 m/s. O interessante é verificar a possibilidade do uso do mesmo
túnel de testes e o mesmo tipo de material (cinasita) variando as características
destes (quantidade, peso, espessura, entre outros), faixas das condições
psicrométricas, vazões de ar e água de entrada.
Kulkarni e Rajput (2010) analisam a eficiência de resfriamento evaporativo de
dois painéis de contato ar-água com 0,6 m de largura, 0,6 m de altura e 0,3 m de
espessura, com arranjo em forma de feixes de cordas fabricadas com fibras de juta
(Jute) no diâmetro de 25 mm em sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo
Direto (RED). No sentido longitudinal os dois arranjos possuíam uma distância entre
28
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
as cordas equivalente ao diâmetro da mesma. Já no sentido transversal a distância
entre as cordas era equivalente a 1,5 vezes o diâmetro para o arranjo “A”. Para o
arranjo “B” era equivalente a 1,25 vezes o diâmetro. As propriedades do ar são
avaliadas na temperatura do filme, isto é, somou-se a temperatura de bulbo seco de
entrada com a temperatura de bulbo úmido e dividiu-se por dois. A velocidade
máxima no interior do painel de contato ar-água é de três vezes a velocidade de
entrada para o arranjo “A” e cinco vezes para o arranjo “B”. As condições ambientais
eram de 39,9°C de temperatura de bulbo seco e 32,8% de umidade relativa, ou seja,
condições psicrométricas de verão selecionadas com base em dados
meteorológicos de Bhopal na Índia. A temperatura da superfície das cordas foi
assumida como temperatura de bulbo úmido de entrada, onde a teoria da
transferência simultânea de calor e massa foi aplicada. A evaporação da água na
superfície das cordas reduz a temperatura de bulbo seco do ar. A eficiência de
resfriamento evaporativo, temperatura de bulbo seco de saída do ar e a capacidade
de refrigeração foram calculadas para a vazão mássica de ar equivalente a 0,3 até
0,9 kg/s. A eficiência de resfriamento evaporativo variou entre 57 a 73% para o feixe
do arranjo “A” e 74 a 87% para o arranjo “B”. Os valores da temperatura de bulbo
seco de saída ficaram entre 29,4 a 31,7°C para o arranjo “A” e 27,4 a 29,4°C para o
arranjo “B”. A capacidade de refrigeração variou de 2.638 kJ/h a 11.243 kJ/h para o
arranjo “A” e 13.384kJ/h a 33.852 kJ/h para o arranjo “B”. A potência elétrica do
ventilador ficou entre 4,7 a 104,2 W para o arranjo “A” e 16,4 a 323,9 W para o
arranjo “B”. Kulkarni e Rajput (2010) certificaram que o arranjo “B” de cordas
compactas permite uma maior eficiência de resfriamento evaporativo, maior
capacidade de refrigeração, maior perda de carga, e consequentemente, maior
potência elétrica do ventilador. As fibras de juta (Jute) têm grande capacidade de
retenção de umidade e podem ser usadas como painel de contato ar-água em
Refrigerador Evaporativo do tipo Direto (RED), pois obteve um bom desempenho
quando utilizado no arranjo tipo feixe.
Sachdeva, Chaube e Rajpu (2010) apresentam a praticidade de sistemas de
resfriamento evaporativo em diversas cidades da Índia, caracterizada por climas
diferentes. Utilizaram o índice de viabilidade ( vI ) para definir se as condições
externas de temperatura de bulbo seco de entrada ( ebsT , ) e a depressão de bulbo
úmido na saída ( sdT ) são favoráveis para o resfriamento evaporativo de algumas
cidades da índia, conforme Equações 1.1 e 1.2. Quando os resultados dos índices
29
Contexto e Importância da Utilização de Sistemas de Resfriamento Evaporativo
de viabilidade ficaram menores que 10 foram considerados viáveis, quando ficaram
entre 10 e 16 foram considerados aceitáveis no limite, e quando ficaram acima de 16
foram considerados inaceitáveis para o resfriamento evaporativo. Concluíram que os
sistemas de resfriamento evaporativo possuem um grande potencial que propicia
conforto térmico e podem ainda ser usados como uma alternativa aos sistemas
convencionais nas regiões onde a temperatura isobárica de projeto esteja abaixo de
24ºC. Também pode ser usado com sistemas de condicionamento de ar onde o
sistema de resfriamento evaporativo não pode suprir todas as necessidades de
conforto. Algumas alternativas possíveis são os sistemas de múltiplos estágios e de
adsorção de pré-umidificação de sistemas.
sebsv dTTI ,
sbusbss TTdT ,,
(1.1)
(1.2)
30
Materiais e Métodos
CAPÍTULO 2 - Materiais e Métodos
Os materiais utilizados, equipamentos, instrumentos, formas de medições e
caracterização dos painéis são definidos nesta etapa, como também o tipo de
climatizador evaporativo do trabalho de Tese e as alterações do Túnel de Testes.
2.1 Climatizador evaporativo.
É de suma importância obedecer às adequadas faixas de temperatura de bulbo
seco e umidade relativa do ar externo que os climatizadores evaporativos de contato
ar-água podem trabalhar numa determinada região, como também os meses ou
estação do ano que mais são favoráveis, e assim, certificar se é viável sua utilização
como aparelho para propiciar o conforto térmico e sensação de bem estar dos
ocupantes de um determinado recinto, como também favorecer a presença de
animais, plantas e equipamentos, se for o caso. Contudo, além das condições
climáticas favoráveis, uma melhor eficiência de resfriamento evaporativo está
diretamente associada à área de contato entre o ar e a água, onde a área superficial
de interface ar-água deve ser tal que favoreça a transferência de calor e massa.
Então é necessário, antes de tudo, investigar quais os materiais disponíveis e o
melhor arranjo para este fim.
2.2 Sistemas de condicionamento de ar ambiental do tipo climatizador evaporativo.
Os equipamentos de resfriamento evaporativo podem ser de Resfriamento
Evaporativo do tipo Direto (RED) ou de Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto
(REI). Os sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) resfriam o ar
pelo contato direto com a água, seja através da área superficial de um líquido ou
com uma superfície sólida umedecida com água, ou ainda, através de água
pulverizada. Já os sistemas de Resfriamento Evaporativo do tipo Indireto (REI), que
não faz parte das atividades experimentais deste trabalho, a água não entra em
contato direto com o ar, pois os dois circulam em canais adjacentes ou a água
circula dentro de tubos e o ar em fluxo cruzado circula no exterior dos tubos. A
Figura 2.1, objeto de estudo desta Tese, apresenta um painel umedecido com água,
onde a passagem do fluxo de calor do ar no painel provoca evaporação da água,
resfriando e umidificando o recinto. A bomba de água funciona de forma contínua.
31
Materiais e Métodos
Figura 2.1 – Sistema de um climatizador evaporativo com painel de contato ar-água (Em 03/05/11: www.ecobrisa.com.br/funcionamento.html).
2.3 Tipos de materiais para enchimento utilizados.
O atual padrão de consumo da sociedade estabelece uma relação de
substituição de bens sem que efetivamente o produto tenha completado o seu ciclo
de vida, impondo um verdadeiro processo de obsolescência planejada. Associado a
este fato soma-se o valor de compra estabelecido aos produtos, que não reflete com
fidedignidade a tecnologia e a escassez dos materiais que os compõem. Tem-se
vivenciado a era do desperdício, onde o novo fica velho em questão de meses em
poucos anos, onde o descaso, a insensatez e a falta de cidadania estão arraigados.
Como consequência direta destas atitudes ocorre situações de agressões ao meio
ambiente. Porém, não se trata somente de vislumbrar substituições, mas, sobretudo,
de encontrar novos meios de utilização dos materiais naturais que não têm tido
aproveitamento.
Houve um grande avanço tecnológico no desenvolvimento de novos materiais
e as fibras vegetais passaram a ter menor uso. Com o surgimento das fibras
sintéticas, o consumo das fibras vegetais teve uma queda. Nos últimos anos, a crise
energética, o baixo grau necessário para o processamento destas fibras, sua
abundância, baixo custo e os problemas relacionados pelo uso de fibras sintéticas
ao meio ambiente, tem novamente despertado a atenção e o interesse de
pesquisadores de todo o mundo.
Segundo Santos (2006) as fibras vegetais são formadas basicamente de
celulose, hemicelulose, lignina, pectina e minerais. A celulose, um polissacarídeo
32
Materiais e Métodos
linear de alta massa molecular é o principal constituinte estrutural, sendo
responsável pela estabilidade e resistência das fibras. É muito utilizado pela indústria
de papel.
Os enchimentos utilizados em climatizadores evaporativos de contato ar-água
são fabricados, normalmente, a partir de fibra de vidro, polipropileno, celulose
impregnada com resina a base de látex e fibra de madeira. Este experimento dá
ênfase a painéis evaporativos alternativos fabricados a partir de fibras vegetais
locais, tais como a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus), Figuras 2.2 (a), (b), (c)
e (d), e a fibra de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica), Figuras 2.3 (a) e (b).
Figura 2.2 – Etapas de processamento da fibra de Coco (Em 03/05/11: www.poematec.com.br).
Figura 2.3 – Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) (Em 03/05/11: www.pandoraartesanato.com.br).
As principais características das fibras vegetais são baixa densidade, baixo
consumo de energia, baixo custo, baixa abrasividade, atoxicidade,
(b) Fibra do mesocarpo do Coco. (a) Rejeito de Coco.
(d) Industrialização da fibra de Coco utilizando calandra.
(c) Jato de resina a base de látex para impregnar as fibras de Coco.
(a) Processo natural de secagem da Luffa. (b) Cultivo da Luffa em estacas.
33
Materiais e Métodos
biodegradabilidade, altas propriedades de resistência mecânica específica, geração
de empregos rurais, utilização como reforço para vários tipos de plástico e excelente
propriedade termo-acústico.
O uso crescente de materiais renováveis é uma realidade e envolve inovação
tecnológica no uso alternativo de recursos naturais, sobretudo das fibras vegetais
(fibra de Coco, Esponja Vegetal, Sisal, Bananeira, Juta, Cana de Açúcar, entre
outros). Como exemplo, pode-se citar o uso do fruto do coqueiro de forma integral,
transformando também as fibras em produtos com valor agregado. Além de
contribuírem para a conservação do meio ambiente, através do uso sustentável de
seus recursos. A fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) é uma massa fibrosa
contida entre a casca externa do Coco (epiderme) e o invólucro externo do núcleo
(endocarpo), conforme Figura 2.4. Da casca do coco são extraídas fibras de
diferentes comprimentos que servem para fabricação de tapetes, colchões,
acolchoados para automóveis, escovas, pincéis, capachos, cordas marítimas e cama
de animais.
Figura 2.4 – Corte longitudinal do Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) com definição das principais partes: Epicarpo, mesocarpo, endocarpo e endosperma.
O coqueiro é talvez a árvore mais conhecida dos trópicos e uma das mais
importantes economicamente. Cresce nas costas arenosas através dos trópicos e na
maioria das regiões subtropicais. É uma palma alta e reta, normalmente mede 10 a
20 m de altura. Sendo seu fruto utilizado como fonte de alimentação, bebida, óleo,
fibra, combustível, madeira e outros produtos. É cultivado e utilizado na Índia e na
Ásia Continental há pelo menos 3.000 anos e chegou ao Brasil pela colonização
portuguesa. A fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) contém tanino natural
(fungicida) que inibe a formação de fungos e ácaros, possui facilidade de ser
Epicarpo (epiderme lisa)
Endocarpo (camada que envolve a parte comestível)
Mesocarpo (camada fibrosa)
Endosperma (matéria comestível)
34
Materiais e Métodos
moldado, é biodegradável, abundante na natureza, apresenta baixo custo, não exala
mau cheiro e em contato com a pele humana normalmente não provoca irritações. A
Tabela 2.1 apresenta as principais características e propriedades da fibra de Coco
(Cocos Nucifera Linnaeus).
Tabela 2.1 - Características e propriedades da fibra de Coco (Em 03/05/11: www.bvsde.paho.org/bvsaidis/resisoli/iii-009.pdf).
Comprimento da fibra 15 a 33 cm
Diâmetro da fibra 0,05 a 0,4 mm
Cor Marrom claro a escuro, marrom avermelhado
Toque Duro e um pouco áspero
Alongamento de ruptura Muito alto
Resistência A seco: fibra técnica 8 a 20 km, fio 8 a 12 km.
Úmido: 93% da resistência seca.
Densidade Muito reduzida, porque a fibra tem grande
espaço oco
Higroscopicidade Tolerância combinada de umidade 13%
Lignificação Forte
A remoção da fibra do Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) pode ser feita
embebendo com água salobra por um período de algumas semanas, para facilitar a
extração das fibras, presumidamente devido ao processo bacteriológico. Depois as
mesmas são submetidas a um processo de batidas com martelos de madeira e em
seguida penteadas. Treze a quinze Cocos (Cocos Nucifera Linnaeus) fornecem mais
ou menos 1 kg de fibras. A fibra de melhor qualidade é usada na fabricação de
cordas e esteiras, as fibras curtas e grossas usadas como enchimento de colchões e
assentos, já as fibras longas e grosseiras são usadas na fabricação de pincéis.
Segundo o Núcleo de Agronegócio da EMATER do Distrito Federal (2005) a
Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) é um vegetal que pertence ao grupo das
chamadas “Plantas industriais” pertencendo à família das cucurbitáceas (pepino,
chuchu, abóbora, morango, melancia, entre outros). É uma trepadeira anual,
originária da Ásia, com folhas grandes lobuladas e flores amarelas. Os frutos são
cilíndricos, compridos e grossos. Foi trazida para o Brasil, provavelmente pelos
portugueses, desenvolvendo-se posteriormente no norte da Argentina (Missiones) e
depois na América Central. Os frutos de algumas espécies e variedades podem ser
aproveitados na alimentação, como remédio para algumas doenças, para elaborar
diversos objetos, esfregar a pele humana no banho e limpar utensílios domésticos.
35
Materiais e Métodos
Existem algumas variedades de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) no qual o cultivo
tem uma importância econômica crescente.
A fibra da Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) também possui facilidade de ser
moldada, é biodegradável, apresenta curto período para colheita, baixo custo e não
prejudica a saúde. Para o trabalho experimental da Tese utilizou-se a Esponja
Vegetal (Luffa Cilíndrica) seca, onde foi retirada a casca, e também as sementes,
ficando a descoberto o intrincado conjunto de fibras. Depois, lavou-se com água
abundante e deixou-se secar na sombra. Posteriormente abriu-se a Esponja Vegetal
(Luffa Cilíndrica) seca no sentido longitudinal, retiraram-se as rebarbas internas e
prensou-se numa calandra, com a finalidade de obter mantas finas para construção
do painel evaporativo de contato ar-água, e em seguida executou-se a costura para
formação dos canais internos dos painéis evaporativos.
2.4 Capacidade de absorção de água, gramatura e densidade das fibras.
Para caracterizar os painéis evaporativos coletaram-se dados sobre absorção
de água, gramatura e densidade. Estes dados estão registrados na Tabela 2.2 e
foram obtidos com os instrumentos destacados pelas Figuras 2.5 (a) e (b).
(a) Balança eletrônica digital: Marca Toledo, modelo Adventure AR2140, resolução de 0,01 g, temperatura ambiente de 10 a 30°C e consumo de 11 W.
(b) Paquímetro marca Mitutoyo, série 522, capacidade de 0 a 6”, graduação superior a 1/128” e inferior a 0,005 mm, exatidão ± 0,05 mm.
Figura 2.5 – Instrumentos utilizados para determinar absorção de água, gramatura e densidade dos materiais utilizados como painel evaporativo.
36
Materiais e Métodos
Tabela 2.2 – Absorção de água, gramatura e densidade dos materiais utilizados nos painéis evaporativos (Ires_balança = ± 5 g).
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS Fibra Esponja
Vegetal (±Sm)
Fibra Coco (±Sm)
Celulose Rígida (±Sm)
Peso da amostra da manta seca (0,0025 m²), g
0,52054 (±0,00011)
0,74142 (±0,00025)
0,34952 (±0,00008)
Peso da amostra da manta molhada (0,0025 m²), g
1,69042 (±0,00016)
1,5486 (±0,00802)
0,69784 (±0,00993)
Absorção de água da amostra da manta, g Nota: Diferença do peso da manta molhada e
seca com 0,0025 m² de área superficial. 1,16988 0,81718 0,34836
Gramatura da manta seca, kg/m2
Nota: A manta com 0,0025 m² de área superficial foi pesada e definida o valor
correspondente para 1 m².
0,208216 0,292568 0,139808
Densidade da manta seca, kg/m3
Nota: Mediu-se o volume da manta com 0,0025m² de área superficial, pesou-se e definiu-se o valor correspondente a 1 m³.
104,108 146,284 699,04
Espessura da manta, m 0,002 0,002 0,0002
Largura da manta, m 0,34 0,34 0,37
Profundidade da manta, m 0,1 e 0,15 0,1 e 0,15 0,1 e 0,15
Dimensões painel: Largura x altura (espessura de 0,1 m e 0,15 m)
0,285 x 0,295 0,285 x 0,295 0,285 x 0,295
Inicialmente as mantas de fibra de Coco e Esponja Vegetal foram prensadas
numa calandra e retiradas uma pequena amostra com 0,0025 m². Cada manta seca
foi pesada 5 vezes numa mesma balança digital, verificada a média e o erro na
medição. Da mesma forma foi realizado com as mantas molhadas. Contudo, antes
de efetuar a pesagem das mantas molhadas, todas as amostras foram submersas
em água por um período de 1 hora e retirado o excesso de água após penduradas
num fio metálico por 5 minutos, em um ambiente sem condicionamento de ar, pois o
condicionador de ar diminuiria a umidade específica do ar, que por sua vez poderia
provocar a evaporação de parte da água de cada amostra. A absorção de água foi
definida pela diferença de cada amostra molhada e seca. Para a gramatura foi
considerada a quantidade em quilogramas de fibras vegetais da manta prensada
que existia numa área de um metro quadrado. Enquanto que a densidade foi
indicada como a quantidade em quilogramas de fibras vegetais da manta prensada
que existia no volume de um metro cúbico. Considerando que as fibras vegetais
poderia variar em quantidade por área (gramatura, kg/m²) e por volume (densidade,
kg/m³), afetando o resultado experimental, adotou-se fazer medições de 5 amostras
de cada material e utilizar a média das medições. Porém, a diferença entre os
resultados foi considerada insignificante. Com posse dos dados obtidos na Tabela
2.2 e após obtenção dos resultados experimentais sobre a eficiência de resfriamento
37
Materiais e Métodos
evaporativo dos painéis investigados, pode-se fazer uma correlação com a
capacidade de absorção de água, gramatura e densidade.
Verifica-se na Tabela 2.2 que as fibras vegetais selecionadas possuem maior
capacidade de retenção de água em relação à Celulose Rígida Corrugada (Papel
Kraft). Este fato pode ser explicado pelo formato das tramas, que favorecem a
retenção de água. As fibras da Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) são unidas de
forma natural e as fibras de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) são unidas com resina
a base de látex. A maior capacidade de absorção de água pode favorecer a
transferência de calor e massa, porém pode se tornar um aspecto negativo, quando
se trata de perda de carga, pois o excesso de água dificulta a passagem de ar,
exigindo um ventilador de maior capacidade. Já a densidade da manta de Celulose
Rígida Corrugada (Papel Kraft) é maior, mas o painel deste material é mais leve,
pois a sua gramatura é menor, como também a sua espessura.
Como se pode observar nas Figuras 2.6 (a) e (b), as fibras da Esponja Vegetal
(Luffa Cilíndrica) são unidas naturalmente de forma a propiciar maior durabilidade,
mesmo quando molhadas e/ou em função do tempo de uso. Já as fibras de Coco
(Cocos Nucifera Linnaeus), conforme Figuras 2.6 (c) e (d), não são unidas
naturalmente, existindo apenas uma resina a base de látex que impregna as fibras, e
junto com a prensagem numa calandra, aumenta a aderência das fibras. Porém,
com o uso contínuo estas fibras se desprendem, altera as características iniciais e
afeta o desempenho de resfriamento do Climatizador Evaporativo.
Figura 2.6 – Fibras vegetais secas e molhadas.
(c) Fibras de Coco secas. (d) Fibras de Coco molhadas.
(a) Fibras da Luffa secas. (b) Fibras da Luffa molhadas.
38
Materiais e Métodos
2.5 Formatação do arranjo dos painéis evaporativos utilizados no experimento.
Na construção dos painéis evaporativos a partir de fibras vegetais, foi
desenvolvido um arranjo que se aproximasse das características do painel comercial
de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft). Os arranjos foram construídos com
canais em forma de colméia que permitem passagem do fluxo mássico de ar e
favorecem a transferência de calor e massa entre o ar e a água. A estrutura do
arranjo de fibra vegetal foi projetada para não alterar de volume quando molhado e
obter uma perda de carga próxima do painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel
Kraft). Assim, foram desenvolvidas mantas com fibras de Coco (Cocos Nucifera
Linnaeus) e de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) onduladas, onde as mesmas foram
separadas com espiral de plástico para manter suas características volumétricas
quando molhadas. As Figuras 2.7 (a), (b) e (c) apresentam com detalhes a
formatação de cada enchimento utilizado no experimento de Tese.
(a) Painel comercial de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) com ângulo de 45° versus 15° em canais desencontrados impregnado com resina a base de látex.
39
Materiais e Métodos
(b) Painel com manta de fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) ondulada com espiral de plástico.
(c) Painel com manta de fibra de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) ondulada com espiral de plástico.
Figura 2.7 – Tipos de enchimentos testados experimentalmente.
A formatação proposta pelo arranjo facilita a manutenção dos painéis de fibras
vegetais, pois na construção considerou a divisão em células compostas de duas
mantas. E assim, com a união destas células monta-se toda estrutura volumétrica do
painel de contato ar-água. Os canais permitem a passagem do fluxo de ar exaurido
pelo exaustor e os pequenos espaços entre as fibras de cada manta permitem a
descida da água em fluxo cruzado.
O painel fabricado a partir da fibra de Coco se deteriora mais rápido com parte
das fibras se desprendendo. Isto ocorre devido principalmente à baixa temperatura
da água de recirculação que provoca a aglutinação da resina a base de látex. Antes
do uso não se percebe nenhuma alteração na estrutura e após algum tempo de uso
percebe-se alguns pontos brancos de cola que podem ser confundidos com fungos.
40
Materiais e Métodos
2.6 Reformulações do Túnel de Testes.
Não foi necessário construir um Túnel de Testes para avaliar a eficiência de
resfriamento evaporativo dos painéis de contato ar-água, pois a Universidade
Federal de Pernambuco - Recife já possuía um na oficina mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica, construído por Barros (2005). O mesmo foi
construído em módulos de chapa de aço galvanizado com bitola MSG 22 (0,76mm)
e dimensões internas de 0,315 m x 0,315 m. Contudo, conforme Figura 2.8,
precisava executar algumas alterações para obtenção dos dados e definição das
condições de entrada. Sendo assim, as alterações foram propostas e realizadas,
conforme resultado mostrado na Figura 2.9. O Túnel de Testes foi construído de
forma que fosse possível medir os parâmetros mais importantes no estudo do
resfriamento evaporativo, tais como: umidade relativa e temperatura de bulbo seco
na entrada e saída do painel, temperatura da água na entrada e saída do painel,
temperatura de bulbo seco do ar ambiente, velocidade média do ar e vazão mássica
de água recirculada.
Figura 2.8 – Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005), sem alterações.
Comparando as Figuras 2.8 e 2.9 nota-se as modificações realizadas.
Inicialmente foram eliminados os possíveis vazamentos de ar do Túnel de Testes. O
isolamento termo-acústico do Túnel de Testes utilizado foi o poliestireno expandido
de 2 cm de espessura ( = 0,042 W/mK a 23ºC), popularmente conhecido como
ISOPOR®, conforme Figura 2.10. O poliestireno expandido utilizado anteriormente
no Túnel de Testes foi retirado devido a falhas de colagem e material quebrado ou
ausente parcialmente. Por cima do poliestireno expandido foi colocado polietileno
revestido com filme de alumínio ( = 0,035 W/m.K a 20ºC) a fim de melhorar o
isolamento térmico, aumentar a sua durabilidade, resistência mecânica e aparência,
conforme Figura 2.11.
Isolamento
termo-acústico
41
Materiais e Métodos
Figura 2.9 – Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005), com alterações.
Figura 2.10 – Primeira camada de isolamento termo-acústico do Túnel de Testes com poliestireno expandido, ISOPOR®.
Figura 2.11 – Segunda camada de isolamento termo-acústico do Túnel de Testes com polietileno
revestido com filme de alumínio.
O primeiro módulo denominado Módulo desumidificação de ar possui uma
serpentina de resfriamento de um condicionador de ar convencional com capacidade
de refrigeração de 18.000 BTU/h e foi mantido inalterado, conforme Figura 2.12 (a).
Este módulo tem a finalidade de diminuir a umidade específica ou vapor de água
presente no ar externo, visto que a umidade relativa em Recife é muito alta, devido
principalmente à proximidade do oceano Atlântico e do fato de estar localizada no
delta de um rio. Deste modo, foi necessário atingir valores menores de quantidade
Serpentina
Umidificador
+ -
1º
2º
3º
4º
5º 6º
7º
8º
9º
UR
UR
Tbs Tbs
TH2O
Misturador de ar
Bateria de resistências
Laminador de ar
Laminador de ar
Exaustor
H2O
42
Materiais e Métodos
de vapor de água do ar externo de entrada, para verificar a eficiência de
resfriamento evaporativo do painel de contato ar-água, visto que, quanto menor a
umidade específica, melhor o resultado. A Figura 2.12 (b) destaca o princípio de
funcionamento da desumidificação do ar na serpentina de resfriamento. O ar
atmosférico é composto de ar seco e vapor de água, e assim, quando esta mistura
de ar seco e vapor de água, com temperatura de bulbo seco e umidade específica
alta, entra em contato com a serpentina de resfriamento, ocorre uma transferência
de calor, que por sua vez faz com que parte deste ar ultrapasse a temperatura de
ponto de orvalho, temperatura limite antes que ocorra a condensação, e assim,
ocorre uma condensação parcial deste vapor de água presente no ar. Na saída da
serpentina o ar se encontra com uma temperatura de bulbo seco e umidade
específica menor.
Figura 2.12 – Serpentina evaporadora do condicionador de ar com capacidade de 18.000 BTU.
O segundo módulo denominado Módulo Bateria de Resistências foi alterado.
O defletor, construído de chapa de aço galvanizado bitola MSG 22 (0,76 mm) estava
localizado depois da bateria de resistência. Nesta condição estava ocorrendo desvio
do ar, ou seja, uma parcela grande de fluxo mássico não estava entrando em
contato com a bateria de resistência. Sendo assim, conforme Figura 2.13, o defletor
foi instalado antes da bateria de resistências.
Ar quente e
úmido 1
Ar frio e
seco 2
L G
Vapor de água
condensado.
(a) Serpentina evaporadora. (b) Transferência de calor e massa.
43
Materiais e Métodos
Figura 2.13 – Bateria de resistências no formato de “U” e defletor de ar.
A finalidade da bateria de resistências é dissipar calor para o fluxo de ar, e
assim, aumentar a faixa de temperatura de bulbo seco de entrada. Desta forma,
pode-se verificar a eficiência de resfriamento evaporativo do painel de contato ar-
água com uma faixa de temperatura de bulbo seco maior. Foram instaladas três
resistências de 1.000 W. No Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005), Figura
2.8, as resistências estavam encostando-se a superfície das chapas galvanizadas
inferior e superior, podendo acarretar choque elétrico e dissipando calor para a
mesma, provocando assim, maior dissipação de calor para o exterior do Túnel de
Testes. Para evitar este tipo de situação uma chapa de Celeron Melamínico (material
resistente à temperatura de até 140°C) foi utilizada para separar as três resistências
e isolar as mesmas da chapa galvanizada.
Um variador de potência elétrica, conforme Figura 2.14 foi instalado para
comandar o funcionamento e controlar a dissipação de calor da bateria de
resistências.
Figura 2.14 – Variador de potência elétrica marca Auje, modelo M-2415 com potência máxima de 3.600 W, tensão 220 V e 60 HZ.
O terceiro módulo denominado Módulo misturador de ar foi adicionado ao
Túnel de Testes, pois o defletor do módulo anterior direciona o fluxo de ar para o
Defletor
44
Materiais e Métodos
centro do mesmo, e como resultado ocorreria uma diferença de temperatura de
bulbo seco muito grande no sentido da área transversal. Ocorrendo este tipo de
situação o fluxo de calor no painel seria muito desproporcional na área de face.
Sendo assim, foi necessário instalar um misturador de ar para tornar o mesmo o
mais homogêneo possível. A Figura 2.15 (a) mostra o comportamento que ocorre
com o fluxo mássico de ar ao passar pelos tubos meia-cana que estão dispostos na
horizontal e vertical. A Figura 2.15 (b) ilustra uma imagem real do misturador no
interior do Túnel de Testes. Já a Figura 2.15 (c) apresenta um tubo de alumínio com
diâmetro externo de 5/8 polegadas no formato meia-cana parcialmente achatado
que foi utilizado para construir o misturador.
Figura 2.15 – Misturador do fluxo de ar.
O quarto módulo denominado Módulo umidificador de ar tem a finalidade de
aumentar o nível de vapor de água presente no fluxo de ar do Túnel de Testes.
Assim, verifica-se também a eficiência de resfriamento evaporativo com alta
umidade específica. Neste módulo, anteriormente, um pequeno compressor utilizado
em pinturas comprimia água no interior do Túnel de Testes. Esta água era borrifada
em forma de micro gotículas e não conseguia evaporar por completo, sendo uma
parte depositada na superfície inferior do Túnel de Testes e provocando
gotejamento. Sendo assim, um umidificador ultrassônico, conforme Figura 2.16 foi
colocado em substituição ao sistema adotado anteriormente. Neste equipamento a
água entra no Túnel de Testes em forma de névoa, aumentando o vapor de água no
ar e eliminando o mencionado inconveniente.
5/8”
(b) Misturador no Túnel de Testes.
(c) Tubo meia cana achatado.
(a) Mudança de direção do fluxo de ar.
45
Materiais e Métodos
Figura 2.16 – Umidificador de ar ultrassônico marca Humid Air, freqüência ultra-som de 1,6 MHz, débito de névoa de 400 ml/h, potência de 40 W, 127/220 V e 60 HZ.
Para obter uma boa distribuição de vapor de água no interior do Túnel de
Testes foi construído, ainda no quarto módulo, um acessório conforme Figuras 2.17.
As Figuras 2.17 (a) e (b) mostram dois tubos com diâmetros diferentes. O tubo
central de alumínio possui 13,5 mm de diâmetro interno e 160 mm de comprimento
no interior do Túnel de Testes. Já o tubo externo de PVC possui 27 mm de diâmetro
interno e seu comprimento no formato de meia cana no interior do Túnel de Testes é
de 320 mm. Uma chapa de aço galvanizada com bitola MSG 26 (0,46 mm),
conforme Figuras 2.17 (c) e (d), disposta num perfil aerodinâmico (aerofólio) que
oferece pouca perda de carga foi acoplada ao tubo de maior diâmetro e induz o ar,
após entrar em contato com o bordo de ataque, a escoar com maior velocidade
sobre sua superfície até atingir o bordo de fuga, e assim, forçar o fluxo de vapor de
água sair com distribuição mais homogênea no interior do Túnel de Testes. Esta
configuração tem o propósito de permitir que o vapor de água seja mais bem
distribuído no interior do Túnel de Testes, pois o próximo módulo possui sensores
termopares tipo “T” para detectar a temperatura de bulbo seco e sensores
capacitivos para detectar a umidade relativa do ar.
(a) Ponto de entrada de vapor de água. (b) Bordo de fuga do aerofólio.
27
mm
13,5
mm
160
mm
320
mm
Bordo
de fuga
46
Materiais e Métodos
Figura 2.17 – Sistema de umidificação do ar no Túnel de Testes.
No início do quinto módulo denominado Módulo de medição da temperatura
de bulbo seco e umidade relativa de entrada, conforme Figura 2.18 (a), foi
instalado um laminador de ar construído com chapa de aço galvanizado bitola MSG
22 (0,76mm) e dimensões recomendadas pela norma internacional ISO 5801 (2007),
que trata sobre testes da performance padronizada de ventiladores industriais e
normatiza como deve ser construído um túnel de vento, conforme Figura 2.18 (b). A
finalidade do laminador de ar, como o próprio nome revela, é deixar a corrente de ar
mais laminar, isto é, minimizar as turbulências do fluxo de ar provocadas pelo Túnel
de Testes, e assim, diminuir as oscilações da leitura dos sensores de temperatura de
bulbo seco e umidade relativa.
(a) Laminador de ar no Túnel de Testes.
Bordo de
ataque
(c) Bordo de ataque do aerofólio. (d) Distribuição de vapor de água.
47
Materiais e Métodos
(b) Laminador de ar com dimensões normatizadas pela ISO 5801 (2007).
Figura 2.18 – Laminador de ar do Túnel de Testes.
As Equações (2.1) a (2.4) foram usadas para construção do laminador de ar.
mmmP
AD
TT
eh 31031,0
)31,0(4
)31,0(44 2
mmmmDL hL 1005,7725,0 ,
onde 77,5 mm é a profundidade mínima do laminador e 100 mm é o valor adotado.
mmmmDe hL 76,06,1005,0 ,
onde 1,6 mm é a espessura máxima das lâminas de chapas de aço galvanizado e
0,76 mm é o valor adotado.
mmeDw LhL 76,025,23)075,0(
onde 24 mm foi o espaçamento, entre as lâminas de chapas de aço galvanizado,
adotado.
Onde,
hD = Diâmetro hidráulico do Túnel de Testes, mm;
LeLw
Lw
LL
310 mm
310 m
m
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
48
Materiais e Métodos
eA = Área transversal de escoamento do fluxo mássico de ar, m²;
TTP = Perímetro do Túnel de Testes, m;
Lw = Espaçamento entre as lâminas de chapa de aço galvanizado, mm;
LL = Profundidade mínima do laminador de ar, mm;
Le = Espessura máxima da chapa de aço galvanizado, mm.
Ainda no quinto módulo, no outro extremo, foram instalados nove sensores de
temperatura de bulbo seco, termopares do tipo “T”, previamente calibrados utilizando
termômetro padrão de vidro medindo uma temperatura média de 5,38°C, 21,83°C e
41,45°C e incerteza de medição em torno de ± 0,5 a 1,2% para 22 sensores. Neste
mesmo módulo foi instalado um sensor de umidade relativa do tipo capacitivo, que
foi calibrado em solução salina com 2% de incerteza de medição para a faixa de 0 a
60°C e umidade relativa entre 5 a 95%. Foi gerada uma expressão analítica da curva
que melhor se ajusta ao conjunto de pontos e usada para correção dos valores
capturados pelo sistema de aquisição de dados, cujos valores estão destacados no
anexo “A” junto com os gráficos correspondentes de cada calibração dos
termopares. No Túnel de Testes desenvolvido por Barros (2005) foram instalados
seis termopares, e, após reforma, foram acrescentados mais três. Já o número de
sensores capacitivos não mudou, pois foi instalado um no centro do Túnel de Testes.
A forma de fixação dos sensores também foi alterada. Antes, os sensores de
temperatura de bulbo seco, termopares tipo “T”, eram colocados dentro de tubos de
cobre presos na superfície superior do Túnel de Testes e a ponta sensitiva exposta.
Porém, permitia muita vibração do sensor de temperatura. Já o sensor capacitivo
penetrava também na superfície superior, mas como sua haste era pequena não
atingia o centro do Túnel de Testes. A finalidade deste aumento de sensores de
temperatura de bulbo seco, considerando que o valor adotado é a média dos dados
coletados, foi definir uma mesma área de medição para todos eles, como também
aumentar a precisão dos dados coletados.
A Figura 2.19 (a) mostra a localização dos sensores no Túnel de Testes. A
Figura 2.19 (b) mostra como foram distribuídos os sensores de temperatura de bulbo
seco (Termopares tipo “T”) e umidade relativa (Sensor capacitivo).
49
Materiais e Métodos
Figura 2.19 – Localização dos sensores de temperatura e umidade relativa no Túnel de Testes antes do painel evaporativo.
A Figura 2.20 apresenta o transdutor de umidade relativa que foi utilizado no
experimento. Seu sensor capacitivo foi calibrado no Laboratório de Meios Porosos e
Propriedades Termofísicas – LMPT, Florianópolis, UFSC e as Equações (2.5) e (2.6)
foram usadas para corrigir os valores capturados pelo sistema de aquisição de
dados.
Figura 2.20 – Transdutor de umidade relativa do tipo capacitivo.
882,36).309,31( 11 V
999,36).309,31( 22 V
Onde é a umidade relativa e V é a tensão elétrica.
Todos os dados referentes à temperatura de bulbo seco do ar, temperatura da
água e do ambiente, como também da umidade relativa do ar foram coletados pelo
sistema de aquisição de dados, conforme Figura 2.21, isto é, utilizando um programa
especialmente desenvolvido no software específico do Data Taker 605 que captura e
armazena os dados.
(a) Posicionamento dos sensores. (b) Área representativa de medição.
(2.5)
(2.6)
Sensor capacitivo
Termopar
315 mm
315 mm
52,5
mm
52,5
mm
50
Materiais e Métodos
Data Taker605
Data Taker605
Figura 2.21 – Sistema de aquisição de dados – Delogger (Marca DATA TAKER 605).
O sexto módulo denominado de Módulo de transferência de calor e massa é
a câmara de testes dos painéis evaporativos. Este foi mantido, porém na superfície
superior foram realizados 72 furos de 5 mm de diâmetro para colocar os micro-tubos
do sistema de recirculação de água. A árvore de distribuição de água do sistema de
recirculação d’água antiga não se adequava com as novas exigências
experimentais, principalmente porque duas espessuras dos painéis evaporativos
seriam usadas e a distribuição de água era fixa. O novo sistema de distribuição
utilizando micro-tubos flexíveis é mais adaptável, pois estes micro-tubos podem ser
deslocados para cobrir toda a extensão superior do painel evaporativo de uma
grande faixa de espessura do painel. Além disso, a quantidade de pontos de saída
d’água aumentou consideravelmente, melhorando assim o molhamento de toda
extensão do painel evaporativo.
As Figuras 2.22 (a), (b), (c), (d) e (e) mostram com detalhes a configuração
construtiva do sistema de recirculação de água. Este sistema possui:
Bomba vibratória submersa para recircular a água no painel evaporativo durante a
medição dos dados no Túnel de Testes;
Sistema de distribuição de água para superfície superior composto de micro-tubos
tipo irrigação;
Registro tipo agulha para regular a vazão de água requerida, pois seu mecanismo
de funcionamento é preciso e não permite interferências de trepidação do sistema
de recirculação de água ou do Túnel de Testes;
Anel bicolor próximo ao volante do registro tipo agulha para facilitar a visualização
da requerida vazão de água;
As mangueiras de PVC maleável transparente tipo cristal que permitia a formação
de incrustações no seu interior foram substituídas por mangueiras de PVC
51
Materiais e Métodos
maleável azul específico para irrigação com diâmetro de ¾” e 5/8”, que por não
ser transparentes e possuírem coloração preta no interior, dificultam a formação
de incrustações pela inibição da penetração da luz ambiente;
Drenagem de água com sifão para evitar que o exaustor absorva ar externo para
o interior do Túnel de Testes. Foi acrescido um filtro de pano na saída do sifão
para evitar a recirculação de impurezas, tais como fibras dos painéis e impurezas
do ar e/ou água;
Balde de PVC de 60 litros utilizado como tanque de armazenagem de água;
Conexões de PVC rígido.
(a) Sistema de distribuição de água fora do Túnel de Testes.
(b) Bomba de recirculação d’água
marca Vibravert modelo Rymer 1500.
(c) Registro agulha de bronze marca Mipel de 1”.
(d) Anel bicolor
visualizador.
52
Materiais e Métodos
(e) Balde de 60 litros e drenagem de água com sifão.
Figura 2.22 – Sistema de recirculação de água do painel no Túnel de Testes.
O sétimo módulo ficou vazio para futuras intervenções. No oitavo módulo
denominado Módulo de medição da temperatura de bulbo seco e umidade
relativa de saída foi instalado um laminador de ar com as mesmas características
construtivas do quinto módulo, nove sensores de temperatura de bulbo seco,
termopar tipo “T”, e um sensor de umidade relativa do tipo capacitivo com as
mesmas condições de localização dos sensores de entrada.
O último módulo do Túnel de Testes denominado Módulo exaustor de ar
possui inserido no seu interior um exaustor de ar, conforme Figura 2.23, e é
comandado por um inversor de frequência de acordo com a Figura 2.24.
Figura 2.23 – Moto-exaustor do Túnel de Testes marca Ventisilva, modelo E-40 TR, trifásico, rotação de 1715 RPM, IV pólos, vazão de ar de 80 m³/min, 20 mmca, 220 V e 60 HZ.
53
Materiais e Métodos
Figura 2.24 – Inversor de frequência para comandar o moto-exaustor marca Santerno, modelo SINUS M0014TBA2K2 (0,4 kW, 380 V, trifásico e 60HZ).
No final do Túnel de Testes de acordo com a Figura 2.25 foi instalado um duto
circular para direcionar o ar com baixa temperatura de bulbo seco e alta umidade
específica para o exterior da oficina mecânica. Este duto evita que o ar saturado de
vapor de água seja recirculado nas proximidades do Túnel de Testes, fato que
também deve ser evitado pelos climatizadores evaporativos em ambientes.
Figura 2.25 – Duto circular acoplado ao Módulo exaustor de ar.
2.7 Determinação da vazão de água no Túnel de Testes.
Para caracterizar cada condição de teste, antes de determinar as eficiências de
resfriamento evaporativo dos painéis de contato ar-água, foram determinados os
fluxos mássicos de água no Túnel de Testes com base nas informações obtidas em
Netto (2008), que por sua vez está de acordo com a NBRISO 4185 (medição da
vazão de líquidos em dutos fechados – Método Gravimétrico). Segundo Netto (2008)
o uso do método gravimétrico para definição da vazão de água é mais preciso
quanto maior o tempo de determinação ou quanto maior o número de repetições do
ensaio. Nesta medição, conforme Figura 2.26 utilizou-se:
54
Materiais e Métodos
Balança digital marca Filizola, modelo MF-3, capacidade de 3 kg, resolução de 5g,
condições ambientais de -10 à +40ºC e umidade relativa do ar máxima de 85%,
conforme Figura 2.26 (a);
Vasilhame de vidro graduado marca Pyrex, modelo Erlenmeyer, volume de
1800ml (± 5%), conforme Figura 2.26 (b);
Cronômetro digital portátil marca Instrutherm, modelo CD-2800, resolução de 0,01
segundos e peso de 24,5 g, conforme Figura 2.26 (c).
Figura 2.26 – Instrumentos utilizados na medição da vazão de água.
Para determinação do fluxo mássico de água, o painel evaporativo de contato
ar-água foi submergido em água da rede de distribuição estadual (Compesa)
durante 12 horas, antes da determinação da vazão mássica de água, permitindo
assim, uniformidade de molhamento de toda extensão volumétrica. Em seguida, o
painel evaporativo de contato ar-água foi colocado no Túnel de Testes e esperou-se
a bomba de recirculação de água funcionar por 20 minutos para melhor distribuição
de água no painel e bandeja, visto que a água foi coletada na saída do sifão
localizado embaixo da bandeja do Túnel de Testes. Durante este procedimento não
foi ligado nenhum outro componente, tais como exaustor, bateria de resistência,
condicionador de ar ou umidificador de ar. Logo após, coletou-se a água de saída
com o vasilhame de vidro (Erlenmeyer) e no mesmo instante registrou-se o tempo
com o cronômetro. Depois, a quantidade de água coletada foi pesada na balança
digital. Este procedimento foi realizado em cinco conjuntos de dez medições cada,
isto é, com a registro tipo agulha totalmente aberto, ½ volta fechado e 1 volta
fechado, determinando a média aritmética de todas as medições para cada
condição. Considerando ainda que foi utilizada uma derivação na tubulação de saída
da bomba para controlar a vazão e misturar a água do depósito inferior para
(a) Balança digital. (b) Erlenmeyer. (c) Cronômetro digital.
55
Materiais e Métodos
homogeneizar a temperatura de sucção da bomba. Para os dados coletados com o
painel evaporativo a menor vazão de água utilizando o registro tipo agulha com 1
volta fechado foi de 89,3 (± 0,73) g/s, para a condição intermediária com o registro
tipo agulha ½ volta fechado a vazão de água foi 106,6 (± 0,62) g/s, enquanto a maior
vazão de água com o registro tipo agulha totalmente aberto foi de 112,4 (± 0,78) g/s,
conforme anexo “B”. No anexo “B” defini-se o desvio padrão ( )²(1
1 _
1xx
nS i
n
i
) e
o erro de medição (n
SeSm
2 ). A Equação (2.7) foi utilizada para determinar a
vazão mássica de água e a Equação (2.8) foi utilizada para determinar a propagação
da incerteza, considerando a incerteza de resolução da balança de 2,5 g e do
cronômetro de 0,005 s.
t
Mm
agag
., kg/s
5,02_2
2___ )))
)((()
1(( cronometrores
agbalançaresagvazãoprop I
t
MI
tI
, kg/s
Onde:
agm.
= Vazão mássica de água, kg/s;
agM = Massa de água (medida na balança digital), kg;
t = Tempo de coleta de dados, s;
agvazãopropI __ = Incerteza propagada da vazão de água, kg/s;
balançaresI _ = Incerteza de resolução da balança, 2
Re solução, kg;
cronômetroresI _ = Incerteza de resolução do cronômetro, 2
Re solução, s.
2.8 Determinação da velocidade e vazão de ar no Túnel de Testes.
Para caracterizar cada condição de teste, antes de determinar as eficiências de
resfriamento evaporativo dos painéis de contato ar-água, a velocidade média do ar
do Túnel de Testes foi definida. Porém antes de definir o valor da velocidade média
(2.7)
(2.8)
56
Materiais e Métodos
do ar para cada condição foi determinado o perfil de velocidade no interior do Túnel
de Testes, isto é, antes do painel evaporativo de contato ar-água.
As velocidades médias antes dos painéis ficaram em torno de 0,54 a 1,23m/s.
Considerando que as medições realizadas antes dos três painéis obtiveram regime
turbulento com número de Reynolds (10.000 a 24.000) maior que 2.300, que
corresponde ao número crítico de número de Reynolds quando surge o regime de
transição laminar e turbulento em escoamento interno, e o número de Reynolds no
interior dos canais de todos os painéis evaporativos ficaram menores que 2.300,
correspondendo ao regime laminar.
No escoamento turbulento em dutos o perfil de velocidade cresce desde a
parede até um máximo no centro da tubulação. Este escoamento pode ser divido em
três principais regiões:
Uma subcamada laminar ou viscosa muito próxima da parede;
Uma camada intermediária ou de superposição;
Uma camada turbulenta na região central da tubulação.
Para validar se o perfil de velocidade encontrado em função do deslocamento
de várias correntes de ar (em pontos transversais diferentes e equidistantes no
interior do Túnel de Testes) pode ser aceito para determinação da velocidade média,
essas três camadas não devem ter velocidades distantes uma da outra. Nas Figuras
2.27 e 2.28 destaca-se o perfil de velocidade do ar em quatro pontos equidistantes
na horizontal e vertical, respectivamente, no Túnel de Testes para o painel de fibra
de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) com espessura de 0,1 m.
Verifica-se na Figura 2.27 que o perfil de velocidade do ar na horizontal no
interior do Túnel de Testes para a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) com
vazão de água de 112,4 (± 0,78) g/s obteve valores de velocidade aceitáveis com
pequena variação.
Verifica-se também na Figura 2.28 que o perfil de velocidade do ar, agora na
vertical, no interior do Túnel de Testes para a fibra de Coco (Cocos Nucifera
Linnaeus) com vazão de água de 112,4 (± 0,78) g/s obteve valores de velocidade do
ar aceitáveis com pequena variação. O perfil de velocidade das outras condições de
testes e painéis evaporativos de contato ar-água também obteve perfil de velocidade
com pequena variação.
57
Materiais e Métodos
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
0 0,32
Ve
loc
ida
de
mé
dia
, m
/s
Distância Horizontal, m
1,22 m/s 0,95 m/s 0,55 m/s
Fig.2.27 – Perfil de velocidade do ar antes do painel (horizontal) com 4 pontos de medição para o
painel de fibra de Coco ( = 0,1 m, agm.
= 112,4 g/s).
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
0 0,32
Ve
loc
ida
de
, m
/s
Distância Vertical, m
1,22 m/s 0,95 m/s 0,55 m/s
Fig.2.28 – Perfil de velocidade do ar antes do painel (vertical) com 4 pontos de medição para a fibra
de Coco ( = 0,1 m, agm.
= 112,4 g/s).
As medições das velocidades do ar antes do painel evaporativo foram
realizadas com um anemômetro de hélice, conforme Figura 2.29 (a), em quatro
pontos na horizontal (P1, P5, P7 e P3) e quatro pontos na vertical (P2, P6, P8 e P4) no
sentido perpendicular ao fluxo de ar, conforme Figura 2.29 (b).
(a) Anemômetro Omega modelo HHF710, faixa de velocidade de 0,2 até 40 m/s com exatidão de ± 0,75% da leitura e resolução de 0,01 m/s.
58
Materiais e Métodos
(b) Definição dos pontos de medição das velocidades do ar antes do painel evaporativo, de forma equidistante.
Figura 2.29 – Determinação da velocidade do ar medida antes do painel evaporativo.
A vazão volumétrica e mássica de ar no Túnel de Testes foi calculada com as
Equações (2.9) a (2.11) e conforme a Figura 2.29 (b) para todas as condições de
teste conforme Tabela 2.3. A Equação (2.11) considera o ar com comportamento de
gás perfeito.
1
87652
4321 .4
).
4
)).( AAAQ iiar
, m³/s
pmar
arar
Qm
., kg/s
atbsvt
bsgpmar
MPP
TR
)16,273( , m³/kg
Onde,
arQ = Vazão volumétrica de ar, m³/s;
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
Entrada do anemômetro para medição da velocidade
Entrada do anemômetro para medição da velocidade
Túnel de Testes
0,315 m
0,315 m
Área 1 = 0,024025
m²
Área 2 = 0,0752 m²
(2.9)
(2.10)
(2.11)
59
Materiais e Métodos
arm.
= Vazão mássica do ar, kg/s;
87654321 ,,,,,,, = Velocidades do ar medida antes do painel, m/s;
pmar = Volume específico da mistura ar e vapor de água, m³/kg;
A = Área, m²;
atmP = Pressão atmosférica, kPa;
bsT = Temperatura de bulbo seco do ar, °C;
tbsvP = Pressão parcial de vapor de água na temperatura de bulbo seco, kPa;
gR = Constante dos gases, kJ/kmolK;
aM = Massa molar aparente do ar seco na escala do carbono 12, kg/kmol.
Tabela 2.3 – Esquema de medições para definição da eficiência de resfriamento dos painéis no Túnel
de Testes.
Mesmas condições psicrométricas de entrada do ar para os três painéis
com =0,1 m e 0,15 m
(Temperatura de bulbo seco em torno de 30°C, 32°C, 34°C e 36°C e umidade relativa em torno de 30%, 28%, 26% e 24%): Condição I: 30°C e 30%; Condição II: 32°C e 28%; Condição III: 34°C e 26%; Condição IV: 36°C e 24%.
Vazão mássica média de água
Velocidade média de ar medida antes do painel em torno de:
Condições de testes
A (89,3 ± 0,73 g/s)
1 (1,2 m/s) A1
2 (0,9 m/s) A2
3 (0,6 m/s) A3
B (106,6 ± 0,62 g/s)
1 (1,2 m/s) B1
2 (0,9 m/s) B2
3 (0,6 m/s) B3
C (112,4 ± 0,78 g/s)
1 (1,2 m/s) C1
2 (0,9 m/s) C2
3 (0,6 m/s) C3
A Equação (2.12) foi utilizada para calcular a velocidade do ar no interior dos
painéis e a Tabela 2.4 registra as velocidades do ar medidas antes do painel e
calculadas para o interior do painel. O painel de Celulose possui uma maior área
livre frontal ( lpA ) e menor velocidade do ar, consequentemente menor perda de
carga.
lp
arp
A
Q , m/s
Onde,
p = Velocidade do ar no interior do painel evaporativo, m/s;
arQ = Vazão volumétrica de ar, m³/s;
(2.12)
60
Materiais e Métodos
lpA = Área livre frontal do painel, m² (Celulose = 0,079 m²; Coco = 0,0412 m² e Luffa
= 0,0433 m²).
Tabela 2.4 – Velocidades do ar medidas antes dos painéis evaporativos e calculadas para o interior
dos painéis evaporativos (= 0,1 m e 0,15 m).
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,1 m e agm.
=112 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,1 m e agm.
=112 g/s)
Painel de Celulose
(=0,1 m e agm.
=112 g/s)
Interior (calculada)
2,93 2,28 1,32 2,77 2,01 1,33 1,53 1,1 0,73
Antes (medida)
1,22 0,95 0,55 1,21 0,88 0,58 1,22 0,88 0,58
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,1 m e agm.
=106,7 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,1 m e agm.
=106,7g/s)
Painel de Celulose
(=0,1 m e agm.
=106,7g/s)
Interior (calculada)
2,94 2,3 1,3 2,76 2,14 1,32 1,52 1,14 0,74
Antes (medida)
1,22 0,96 0,54 1,21 0,93 0,57 1,21 0,91 0,59
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,1 m e agm.
=89,3 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,1 m e agm.
=89,3 g/s)
Painel de Celulose
(=0,1 m e agm.
=89,3 g/s)
Interior (calculada)
2,95 2,29 1,33 2,75 2,05 1,29 1,54 1,09 0,74
Antes (medida) 1,23 0,96 0,55 1,2 0,9 0,56 1,22 0,87 0,59
Continuação da Tabela 2.4 para os painéis com espessura de 0,15 m
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,15 m e agm.
=112,2 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,15 m e agm.
=112,2g/s)
Painel de Celulose
(=0,15m e agm.
=112,2g/s)
Interior (calculada)
2,83 2,31 1,36 2,66 1,99 1,32 1,49 1,06 0,77
Antes (medida)
1,18 0,96 0,56 1,16 0,87 0,58 1,17 0,85 0,61
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,15 m e agm.
=106,7 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,15 m e agm.
=106,7g/s)
Painel de Celulose
(=0,15m e agm.
=106,7g/s)
Interior (calculada)
2,83 2,21 1,37 2,71 2,07 1,33 1,48 1,08 0,77
Antes (medida)
1,18 0,92 0,57 1,18 0,9 0,58 1,18 0,86 0,61
Região Painel de Fibra de Coco
(=0,15 m e agm.
=89,3 g/s)
Painel de Fibra de Esponja
(=0,15 m e agm.
=89,3 g/s)
Painel de Celulose
(=0,15m e agm.
=89,3 g/s)
Interior (calculada)
2,84 2,21 1,36 2,68 2,0 1,35 1,48 1,1 0,77
Antes (medida)
1,18 0,92 0,56 1,17 0,87 0,59 1,18 0,88 0,61
2.9 Determinação das perdas de carga dos painéis de contato ar-água.
Para caracterizar cada condição de teste antes de determinar as eficiências de
resfriamento evaporativo dos painéis de contato ar-água, as perdas de cargas
provocadas pelos painéis em função das condições de testes foram determinadas
com a utilização de um Tubo de Pitot, conforme as Figuras 2.30 (a) e (b) e um
61
Materiais e Métodos
Transdutor de Pressão Diferencial, conforme Figura 2.31. O Tubo de Pitot consiste
em uma haste de inserção com uma das extremidades curvadas a 90°, composta de
dois tubos concêntricos que são responsáveis por conectar, individualmente, o
conjunto de orifícios laterais e o orifício frontal até suas respectivas saídas na
extremidade traseira do dispositivo. Uma ponteira direcional permite que o Tubo de
Pitot seja corretamente alinhado.
(a) Tomada de pressão estática do Tubo de Pitot.
(b) Tubo de Pitot utilizado para medição da perda de pressão estática dos painéis evaporativos de
contato ar-água (Padrão Britânico 1042).
Figura 2.30 – Tubo de Pitot modelo Elipsoidal marca Dwyer, Série 160 E-00.
Figura 2.31 – Transdutor eletrônico de pressão diferencial marca Kimo Instrumentos, modelo MP 100, temperatura de operação de 0 a 50°C, faixa de medição de 0 até ±1000 Pa, exatidão ± 0,5% da
leitura, resolução de 1 Pa.
A Figura 2.32 mostra a haste do Tubo de Pitot inserida na superfície superior
do Túnel de Testes de tal forma que a ponta ficou direcionada em oposição direta ao
fluxo de ar, isto é, o mesmo procedimento foi realizado antes e depois do painel
evaporativo para todas as condições de testes. Uma extremidade da mangueira foi
conectada à saída de pressão estática do Tubo de Pitot e a outra extremidade desta
62
Materiais e Métodos
mesma mangueira foi conectada no ponto (-) do transdutor de pressão diferencial.
Como não se pretendia medir a pressão total, o outro ponto do transdutor de
pressão diferencial (+) media a pressão atmosférica. Assim, a perda de carga foi
determinada pela diferença da pressão estática antes e depois do painel
evaporativo.
Figura 2.32 – Forma de medição da pressão estática do ar no interior do Túnel de Testes utilizando Tubo de Pitot.
As Tabelas 2.5 a 2.7 destacam os valores das medições das perdas de cargas
dos painéis evaporativos de contato ar-água em função da vazão de água,
velocidade do ar e espessura de cada painel utilizado no experimento.
Tabela 2.5 – Principais condições de teste com os painéis evaporativos de fibra de Coco.
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média)
Pa
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média) com ± 0,1 Pa de
incerteza da média aritmética
Espessura de 0,1 m Espessura de 0,15 m
112,4 ± 0,78
1,22 ± 0,05 4,2 ± 0,5 112,4 ±
0,78
1,18 ± 0,05 4,8 ± 0,5
0,95 ± 0,04 3,2 ± 0,5 0,96 ± 0,1 3,8 ± 0,5
0,55 ± 0,04 2,2 ± 0,4 0,56 ± 0,03 2,8 ± 0,4
106,6 ± 0,62
1,22 ± 0,05 4,2 ± 0,5 106,6 ±
0,62
1,18 ± 0,05 4,8 ± 0,5
0,96 ± 0,04 3,2 ± 0,5 0,92 ± 0,03 3,8 ± 0,5
0,54 ± 0,04 2,2 ± 0,4 0,57 ± 0,03 2,8 ± 0,4
89,3 ± 0,73
1,23 ± 0,05 3,8 ± 0,5 89,3 ± 0,73
1,18 ± 0,06 4,4 ± 0,5
0,96 ± 0,05 2,8 ± 0,4 0,92 ± 0,04 3,4 ± 0,5
0,55 ± 0,05 1,8 ± 0,3 0,56 ± 0,04 2,4 ± 0,4
Túnel de Testes
0,315 m Pressão
estática
Pressão atmosférica
Fluxo de ar
0,315 m
Conexão ligada ao transdutor Conexão livre
63
Materiais e Métodos
Tabela 2.6 – Principais condições de teste com os painéis evaporativos da Esponja Vegetal.
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média)
Pa
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média) com ± 0,1 Pa de
incerteza da média aritmética
Espessura de 0,1 m Espessura de 0,15 m
112,4 ± 0,78
1,21 ± 0,04 5,2 ± 0,5 112,4 ±
0,78
1,16 ± 0,04 5,8 ± 0,5
0,88 ± 0,03 4,2 ± 0,5 0,87 ± 0,04 4,8 ± 0,5
0,58 ± 0,05 3,2 ± 0,5 0,58 ± 0,04 3,8 ± 0,5
106,6 ± 0,62
1,21 ± 0,05 5,2 ± 0,5 106,6 ±
0,62
1,18 ± 0,05 5,8 ± 0,5
0,93 ± 0,04 4,2 ± 0,5 0,9 ± 0,03 4,8 ± 0,5
0,57 ± 0,05 3,2 ± 0,5 0,58 ± 0,05 3,8 ± 0,5
89,3 ± 0,73
1,2 ± 0,04 4,8 ± 0,5 89,3 ± 0,73
1,17 ± 0,06 5,4 ± 0,5
0,9 ± 0,03 3,8 ± 0,5 0,87 ± 0,05 4,4 ± 0,5
0,56 ± 0,04 2,8 ± 0,4 0,59 ± 0,04 3,4 ± 0,5
Tabela 2.7 – Principais condições de teste com os painéis evaporativos de Celulose Rígida.
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média)
Pa
Vazão da água
(média) g/s
Velocidade do ar
(média) m/s
Perda carga (média) com ± 0,1 Pa de
incerteza da média aritmética
Espessura de 0,1 m Espessura de 0,15 m
112,4 ± 0,78
1,22 ± 0,03 3,6 ± 0,5 112,4 ±
0,78
1,18 ± 0,06 4,2 ± 0,5
0,88 ± 0,03 2,4 ± 0,4 0,85 ± 0,03 3,0 ± 0,4
0,58 ± 0,03 1,4 ± 0,3 0,61 ± 0,03 2,0 ± 0,3
106,6 ± 0,62
1,21 ± 0,05 3,6 ± 0,5 106,6 ±
0,62
1,18 ± 0,05 4,2 ± 0,5
0,91 ± 0,02 2,4 ± 0,4 0,86 ± 0,02 3,0 ± 0,4
0,59 ± 0,03 1,4 ± 0,3 0,61 ± 0,03 2,0 ± 0,3
89,3 ± 0,73
1,22 ± 0,04 3,4 ± 0,5 89,3 ± 0,73
1,18 ± 0,04 4,0 ± 0,5
0,87 ± 0,02 2,2 ± 0,5 0,88 ± 0,03 2,8 ± 0,4
0,59 ± 0,03 1,2 ± 0,3 0,61 ± 0,03 1,8 ± 0,3
2.10 Definição da temperatura de bulbo seco e umidade relativa de entrada no
painel de contato ar-água.
As Figuras 2.33 a 2.36 destacam as quatro condições psicrométricas utilizadas
no experimento. Essas condições foram escolhidas para certificar que a eficiência de
resfriamento aumenta com maior temperatura de bulbo seco e menor umidade
relativa.
64
Materiais e Métodos
Figura 2.33 – Carta psicrométrica com constante e ebsT , = 36°C e e = 24%.
(Em 20/07/11: http://psicrom.software.informer.com/versions/).
Figura 2.34 – Carta psicrométrica com constante e ebsT , = 34°C e e = 26%.
(Em 20/07/11: http://psicrom.software.informer.com/versions/).
65
Materiais e Métodos
Figura 2.35 – Carta psicrométrica com constante e ebsT , = 32°C e e = 28%.
(Em 20/07/11: http://psicrom.software.informer.com/versions/).
Figura 2.36 – Carta psicrométrica com constante e ebsT , = 30°C e e = 30%.
(Em 20/07/11: http://psicrom.software.informer.com/versions/).
66
Materiais e Métodos
2.11 Principais procedimentos na determinação dos parâmetros psicrométricos na
entrada e saída dos painéis de contato ar-água.
Para as medições da temperatura de bulbo seco e umidade relativa,
temperatura da água de entrada e saída dos painéis evaporativos, foram seguidos
os seguintes procedimentos:
a) Antes das medições:
Verificar se o registro tipo agulha do sistema de recirculação de água está na
posição correta de abertura para a condição de vazão de água requerida;
Verificar se todos os micros tubos estão desobstruídos;
Verificar se a água no interior do balde está isenta de impurezas;
Verificar se o painel evaporativo está molhado e bem posicionado a ponto de
receber água de todos os micros tubos;
Verificar se o isolamento térmico no interior do Túnel de Testes entre as paredes
laterais e o painel evaporativo está bem posicionado;
Verificar se o filtro de água está devidamente limpo e instalado no sifão localizado
na saída da água de recirculação do Túnel de Testes.
b) Início das medições:
Ligar a bomba de recirculação de água durante 20 minutos para umedecer
uniformemente o painel evaporativo;
Ligar o inversor de frequência na condição de vazão de ar desejada;
Ligar o condicionador de ar;
Ligar a bateria de resistências, ajustando a tensão e corrente elétrica no variador
de tensão para a condição almejada;
Ligar o computador e rodar o sistema de aquisição de dados e observar o
comportamento das temperaturas lidas pelos termopares e a umidade relativa lida
pelos sensores capacitivos;
Ligar o umidificador de ar, se assim, for necessário;
Deixar o sistema estabilizando as condições do processo de transferência de
calor e massa durante, no mínimo, 20 minutos antes de cada condição de testes;
Iniciar a coleta de dados e acompanhar o comportamento dos parâmetros em
função do tempo.
67
Materiais e Métodos
c) Término de uma medição:
Introduzir as novas condições de teste com ajuste do inversor de freqüência,
bateria de resistência e umidificador de ar, se assim for necessário;
Deixar um mínimo de 10 minutos para iniciar a nova medição;
Iniciar a coleta de dados e acompanhar o comportamento dos parâmetros
coletados em função do tempo.
d) Término das medições durante o dia:
Desligar o sistema de recirculação de água;
Desligar a bateria de resistências;
Desligar o condicionador de ar;
Desligar o sistema de umidificação;
Desligar o moto-exaustor;
Desligar o computador;
Retirar o painel evaporativo e colocar submerso no tanque (externo) com água
para uma nova medição no próximo dia.
e) Resultados Obtidos: Todas as medições foram salvas em arquivo eletrônico e,
depois, efetuado o tratamento de dados.
68 Modelagem Matemática e Simulação
CAPÍTULO 3 - Modelagem Matemática e Simulação Numérica do processo de
resfriamento evaporativo do tipo direto
Neste capítulo será apresentado o desenvolvimento de um modelo matemático
que permita realizar uma simulação numérica do processo de resfriamento
evaporativo em painéis de fibras vegetais. O modelo foi construído considerando os
conceitos de transferência de calor e de massa em regime permanente aplicadas a
painéis de fibras molhadas em contacto com um fluxo de ar que atravessa os
painéis. Como as condições psicrométricas do ar variam através do painel
evaporativo as suas propriedades foram obtidas utilizando correlações apropriadas
encontradas na literatura que foram incluídas no modelo. As equações do modelo
foram resolvidas utilizando um algoritmo computacional desenvolvido em ambiente
Matlab e os resultados alcançados com o algoritmo foram comparados com
resultados experimentais para painéis de fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) e
Bucha Vegetal (Luffa Cilíndrica) apresentados no Capítulo 2 da presente tese.
3.1 Modelo Matemático.
Um esquema do sistema analisado é mostrado nas Figuras 3.1 (a) e (b), onde
se pode observar uma amostra de um painel construído com fibra de coco e uma
seção em corte desse painel para mostrar a aplicação de um balanço de energia e
massa a um volume de controle genérico “i” situado ao longo do painel na direção do
escoamento de ar. Identicamente, esta análise pode ser estendida ao painel de fibra
de esponja vegetal e papel Kraft levando em consideração as particularidades e
propriedades físicas e geométricas destes painéis. As seguintes considerações são
admitidas na elaboração do modelo;
Analise em regime permanente,
Variação de energia cinética e potencial desprezível ao longo do painel e trabalho
nulo no volume de controle,
Transferência de calor para o ambiente através das paredes do painel é
desprezível,
No resfriamento evaporativo o sistema de recirculação de água é contínuo
mantendo as fibras totalmente saturadas,
A
69 Modelagem Matemática e Simulação
A temperatura superficial ( sT ) próximo à interface ar-painel molhado, região de
vapor saturado, está próximo da temperatura de bulbo úmido ( buT ),
Se a temperatura de bulbo seco ( bsT ) antes do painel for maior que a
temperatura superficial ( sT ) próximo à interface ar-água (painel molhado), ocorrerá
transferência de calor do ar para a água,
Se a umidade específica do ar ( ) antes do painel for menor que o valor próximo
à interface ar-água (painel molhado), ocorrerá transferência de massa da água para
o ar,
O ar é uma mistura de ar seco e vapor d’água com comportamento de gás
perfeito.
B
A
Espiral de
plástico
(a) Localização do corte AB no painel evaporativo de fibra de Coco (vista frontal).
(b) Corte AB envolvendo o volume de controle no canal do painel evaporativo.
Figura 3.1 – Balanço de energia e massa para um canal do painel evaporativo.
Na Figura 3.1 a nomenclatura utilizada é definida como segue;
eam.
e sam.
= Fluxo mássico do ar seco de entrada e saída, respectivamente, kg/s;
evm.
e svm
.= Fluxo mássico vapor d’água de entrada e saída, respectivamente, kg/s;
Isolamento térmico Túnel
água Canal inferior
eaea hm .
evev hm .
x
sasa hm .
svsv hm .
y
Manta
água
ebsT
ebuT
e
e
etbsvP
"cq
evm.
evm.
"evq
"evq
sbsT
sbuT
s
s
tbuvsP sT s
i
.
70 Modelagem Matemática e Simulação
evm.
= Fluxo mássico de água evaporada, kg/s;
ebsT e sbsT = Temperatura de bulbo seco de entrada e saída, respectivamente, °C;
ebuT e sbuT = Temperatura de bulbo úmido de entrada e saída, respectivamente, °C;
sT = Temperatura superficial próximo a interface ar-água, °C;
e e s = Umidade relativa de entrada e saída, respectivamente, %;
e , s e s = Umidade específica de entrada, saída e próxima a interface ar-água,
respectivamente, kg de vapor / kg de ar seco;
etbsvP,
= Pressão parcial de vapor de água na temperatura de bulbo seco, kPa;
tbuvsP = Pressão de vapor de água na temperatura de bulbo úmido (condição de
saturação), kPa;
ah e vh = Entalpia do ar seco e vapor de água, respectivamente, kJ/kg;
ch = Coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m²°C;
"cq = Fluxo de calor por convecção (sensível), kJ/s;
"evq = Fluxo de calor evaporação, kJ/s.
Parâmetros geométricos de um canal típico do painel evaporativo aqui
analisado podem ser avaliados considerando um esquema do canal mostrado na
Figura 3.2. O diâmetro hidráulico do canal do painel de contato ar-água de fibra
vegetal ( hcD ) com um perímetro do canal ( cP ) e uma área superficial do canal ( scA )
é definido pela Equação (3.1). A área superficial de contato ar-água do canal ( scA )
para as espessuras ( ) dos painéis de 0,1 m e 0,15 m são dados pelas Equações
(3.2) e (3.3).
Figura 3.2 – Parâmetros geométricos para um canal do painel evaporativo.
0135,040135,0
)0135,00135,0(44
cP
cAhcD
, em m
0,0135 0,0135 0,0135
0,0135 0,0135
0,0135
Manta de fibra
(3.1)
71 Modelagem Matemática e Simulação
0054,010 csc PA , em m² ( =0,1 m)
0081,015 csc PA , em m² ( =0,15 m)
Na Figura 3.1 o fluxo de massa e vapor de água entra no volume de controle
no interior do canal com uma temperatura de bulbo seco maior e umidade específica
menor que a região próxima da interface ar-água. Assim, o ar próximo à superfície
de interface ar-água está com uma concentração de vapor de água maior que na
corrente livre, e forma uma camada limite de gradiente de concentração. O gradiente
de concentração propicia a transferência de massa por convecção e a parcela de
água evaporada aumenta a umidade especifica, e consequentemente, a temperatura
de bulbo seco de saída tende a diminuir.
Assim, conforme as considerações citadas acima, o balanço de energia
estabelece que o somatório dos fluxos de energia entrando no volume de controle é
igual ao somatório dos fluxos de energia saindo do volume de controle de acordo
com a Equação (3.4), e introduzindo as propriedades termofísicas obtemos a
Equação (3.5).
hmhmqsaíent
c ....
Onde, .
cq = Taxa de calor que atravessa o V.C, em kJ/s; .
m = Fluxo mássico, em kg/s e h =
Entalpia, em kJ/kg
sbsspvvpaa
tbulvmbupvmebsepvvpaac
Tcmcm
hdTcdTcmcmq
)(
)(
..
..
Na Equação (3.5) md é a massa evaporada em kg/s, .
am e .
vm são os fluxos
mássicos de ar seco e vapor de água respectivamente em kg/s; pac e pvc são
respectivamente os calores específicos do ar seco e vapor de água em kJ/kg ºC; bsT
e buT são as temperaturas de bulbo seco e úmido do fluxo de ar úmido em °C; cq é
o fluxo de calor por convecção trocado entre o ar úmido e a superfície molhada do
painel evaporativo em kJ/s.
(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
72 Modelagem Matemática e Simulação
Conforme Equação (3.6) cq pode ser escrito em termos da média logarítmica
das diferenças de temperatura entre o ar e a superfície úmida, com a temperatura
média logarítmica dada pela Equação (3.7).
LMcscc ThAq
buebs
busbs
ebssbsLM
TT
TT
TTT
ln
A quantidade de massa de água evaporada ( md ) pode ser calculada, seguindo
uma analogia entre a transferência de massa e calor, através da Equação (3.8)
considerando também uma média logarítmica das diferenças de densidade entre o
ar e a superfície úmida. Nesta equação, mh é o coeficiente de transferência de
massa em m/s.
)
)ln(
((
tbuvev
tbuvsv
evsvscmm Ahd
Considerando as Equações (3.5) à (3.8) e colocando a temperatura de bulbo
seco na saída do volume de controle em evidencia, será obtida a Equação (3.9) para
o cálculo da temperatura do ar ao longo do painel evaporativo.
pvvpaa
tbulvmLMcscbupvmebspvvpaa
sbs
cmcm
hdThATcdTcmcm
T
..
..
)(
Reescrevendo a Equação (3.9) para um domínio discreto formado por N
volumes, considerando um volume genérico (i) resulta na Equação (3.10).
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
73 Modelagem Matemática e Simulação
)(
.
)()(
.
)(
)()()()(
)()()(
)1()1(
.
)1()1(
.
)1(
)(
)(
ipvivipaia
itbulviiLMicsc
ibuipvi
ibsipvivipaia
ibs
cmcm
hdmThA
Tcdm
Tcmcm
T
Esta equação será aplicada a cada volume do dominio sequencialmente
através de um processo de marcha que se inicia na entrada do painel e se extende
até o último volume de controle do dominio na saída do painel. Na entrada do painel
as condições do ar úmido ambiental são completamente conhecidas e resultam nas
condições de contorno do problema. Assim, para o cálculo das condições do ar na
saída do volume de controle aplica-se a Equação (3.10) de forma iterativa em virtude
que as Equações (3.7) e (3.8), que determinam os valores de LMT e a massa
evaporada de água ( md ), estão acopladas à Equação (3.10) e portanto requer que
sejam resolvidas simultaneamente. Tendo alcançado a convergência de solução no
primeiro volume de controle, será aplicada a Equação (3.10) ao segundo volume de
controle do domínio e neste caso as condições de entrada serão aquelas
estabelecidas na saída do volume de controle anterior e aqui o processo iterativo,
imposto pelo acoplamento das equações, se repetirá até determinar as condições do
ar na saída deste segundo volume de controle. Este processo se repete
sucessivamente através dos demais volumes de controle do domínio à medida que
se marcha em direção à saída do painel evaporativo.
3.2 Eficiência de saturação evaporativa ( ).
Segundo a ASHRAE Standard (2008) a eficiência de resfriamento evaporativo
de painéis de contato ar-água é medida pela eficiência de saturação evaporativa ( )
conforme Equação (3.11), uma equação clássica na literatura, que envolve a queda
de temperatura de bulbo seco real dividido pela queda de temperatura máxima
possível. Considerando que, em Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) a
menor temperatura de bulbo seco de saída não ultrapassa a temperatura de bulbo
úmido de entrada.
(3.10)
74 Modelagem Matemática e Simulação
ssbsebs
sbsebs
TT
TT
Onde,
ssbsT = buT = supT = Temperatura de bulbo seco, em °C, na saída na condição de
saturação (ssbsT ) é igual à temperatura de bulbo úmido ( buT ), e equivalente a
temperatura próximo da interface ar-água ( sT ), região saturada de vapor de água,
conforme exemplo da Figura 3.3.
Figura 3.3 – Exemplo da definição da temperatura de bulbo seco de saída na condição de saturação
de vapor de água (ssbsT = 20°C) com
ebsT = 36°C, buT = 20°C e e = 22%
(Em 20/07/11: http://psicrom.software.informer.com/versions/).
Analisando a Equação (3.11), verifica-se que a eficiência de 100% corresponde
a uma temperatura de bulbo seco na saída (sbsT ) igual à temperatura de bulbo seco
de saída do ar na condição de saturação de vapor de água (ssbsT ), sendo que, na
prática para Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED), o menor valor da
temperatura de bulbo seco na saída (sbsT ) do painel evaporativo fica em torno de
1°C acima da temperatura de bulbo úmido do ar ( buT ).
(3.11)
75 Modelagem Matemática e Simulação
3.3 Determinação das propriedades da água líquida e da mistura ar e vapor de água.
Aqui serão apresentadas as equações que permitem determinar as condições
psicrométricas do ar úmido através do painel evaporativo, assim como, um conjunto
de correlações para determinação das suas propriedades. Como foi dito
anteriormente, estas equações se somam as equações do modelo para compor o
algoritmo numérico que será utilizado para realizar as simulações numéricas do
processo de resfriamento evaporativo nos paíneis estudados.
Para calcular a taxa de fluxo mássico de ar ( arm.
), em kg/s, pode-se utilizar a
Equação (2.10), mencionadas anteriormente. Onde a vazão volumétrica ( arQ ), em
m³/s, é dada pela Equação (2.9).
pmar
arar
Qm
.
1
87652
4321 .4
).
4
)).( AAAQ iiar
A taxa de fluxo mássico de vapor de água calculado para a saída de cada
volume de controle do domínio ( svm.
), em kg/s, é igual à soma da taxa fluxo mássico
de vapor de água calculado para a entrada do volume de controle ( evm.
), com o
resultado do cálculo da taxa de fluxo mássico evaporado no volume de controle ( md
ou evm.
). Assim, encontra-se a Equação (3.12).
mevsv dmm ..
A umidade específica ( ) de uma mistura ar-vapor de água, em kg de vapor/kg
de ar seco, é definida como sendo a razão entre a massa de vapor de água ( vm ) e a
massa de ar seco ( arm ), conforme Equação (3.13). O termo “ar seco” é utilizado
para enfatizar a referência ao ar puro sem a parcela de vapor de água.
(3.12)
(2.10)
(2.9)
76 Modelagem Matemática e Simulação
a
v
m
m
Considerando a mistura de ar-vapor de água como gás perfeito pode-se
encontrar uma expressão para a umidade específica em função das pressões
parciais e das massas moleculares, conforme as Equações (3.14) a (3.16).
bsg
vv
bsv
vv
TR
MVP
TR
VPm
bsg
av
bsa
aa
TR
MVP
TR
VPm
a
v
v
a
a
v
v
a
bsa
a
bsv
v
P
P
M
M
P
P
R
R
TR
VP
TR
VP
A lei da mistura de gases perfeitos observada por Dalton informa que a pressão
total da mistura ( tP ), em kPa, é igual à soma das pressões da mistura ar seco ( aP ) e
vapor de água ( vP ). Assim, a Equação (3.16) fica igual a Equação (3.17) (Equação
clássica na literatura).
)( vt
v
v
a
PP
P
R
R
Para as condições de entrada e próximas a interface de ar-vapor de água a
umidade específica ( ), em kg de vapor/kg de ar seco, é calculada pelas Equações
(3.18) e (3.19).
tbsvt
tbsv
v
atbs PP
P
R
R (3.18)
(3.13)
(3.14)
(3.16)
(3.17)
(3.15)
77 Modelagem Matemática e Simulação
tbuvt
tbuv
v
atbus
PP
P
R
R
Onde,
aM = Massa molar aparente do ar seco na escala do carbono 12 (28,9645), kg/kmol;
vM = Massa molar aparente do vapor de água na escala do carbono 12 (18,01528),
kg/kmol;
gR = Constante dos gases (8.314,41), kJ/kmolK;
aR =a
gM
R = Constante universal para o ar seco, kJ/kgK;
vR = v
gM
R= Constante universal para o vapor de água, kJ/kgK.
Segundo Singh et al. (2002) a pressão parcial do vapor de água saturado na
tempertura de bulbo seco (tbsvsP ) e na temperatura de bulbo úmido (
tbuvsP ), em
kPa, são dadas pelas Equações (3.20) e (3.21). Aceito para 0 < bsT < 63°C.
1000
3,237
269,17exp78,610(
bs
bs
tbsvs
T
T
P
1000
3,237
269,17exp78,610(
bu
bu
tbuvs
T
T
P
A pressão parcial de vapor de água na tempertura de bulbo seco (tbsvP ), em
kPa, é dada pela Equação (3.22). Onde é a umidade relativa do ar.
tbsvstbsv PP
(3.19)
(3.20)
(3.21)
(3.22)
78 Modelagem Matemática e Simulação
Rossi (1999) calcula o volume específico do ar seco ( pa ) e vapor de água
( pv ), em m³/kg, através das Equações (3.23) a (3.26), que são clássicas na
literatura. Sendo a pressão atmosférica ( tP ) e a pressão parcial de vapor de água
( vP ) em Pa e a temperatura de bulbo seco ( bsT ) em °C.
)(
15,2732870552,0
tbsvt
bstbspa
PP
T
)(
15,2732870552,0
tbuvt
butbupa
PP
T
)(
))(4615199,0( 15,273
tbsv
bs
tbspvP
T
)(
))(4615199,0( 15,273
tbuv
bu
tbupvP
T
Rossi (1999) calcula também o volume específico da mistura ar e vapor de
água (tbspar ), em m³/kg, conforme Equação (3.27), que é clássica na literatura.
avt
bsg
tbsparMPP
TR
)15,273(
Segundo Moreira (1999) a entalpia do ar seco ( ah ), vapor de água ( vh ) e da
mistura ar-vapor de água ( arh ), em kJ/kg, são dados pelas Equações (3.28) a (3.30).
Aceito para 0 < bsT < 60°C. Sendo bsT em °C, pac em kJ/kg de ar seco, tbs em
g/kg.
026,0 bspaa Tch
)2,2501)851.1(²)42(³)68(( bsbsbsv TTeTeh
(3.23)
(3.24)
(3.25)
(3.26)
(3.27)
(3.28)
(3.29)
79 Modelagem Matemática e Simulação
bsvpvbsaar Thhh )(
Conforme procedimento apresentado por Singh et al. (2002) a temperatura de
bulbo úmido ( buT ), em °C, é dada pelas Equações 3.31 a 3.37.
B
TTBT
pobsbu
))((
tbulv
tbsv
t
tbuvst
h
P
P
PP
B
62194,0
1000
1000
15577,01
10001000
9254,1006
A entalpia de vaporização na temperatura de bulbo úmido pode ser escrita
conforme a Equação (3.33).
1000
)15,273(406,236,3161 bu
tbulvT
h
pobu
tbsvtbuvs
TD
PP
10001000
Depressão de bulbo úmido é calculada pela Equação (3.35).
bubsbu WTD
1
9.0
1.54355.0 bsbu
TW , para 0 < bsT < 110°C
A temperatura de ponto de orvalho ( poT ), em °C é
2
1000ln0790,1
1000ln38,14983,8
tbsvtbsv
po
PPT
(3.30)
(3.31)
(3.34)
(3.32)
(3.35)
(3.37)
(3.36)
(3.33)
80 Modelagem Matemática e Simulação
Para encontrar a condutividade térmica da mistura do ar-vapor de água
(tbsar ), em W/mK, utiliza-se a Equação (3.38), de acordo com Profmaster (2009).
00039333,0)15,273(0184,1
)15,273(8574,4)15,273(5207,1
4
28311
bs
bsbstbsar
T
TTk
A viscosidade dinâmica da mistura ar-vapor de água (tbsar ), em N.s/m², é
dada pela Equação (3.39), conforme Holsoft Physics (2011), com erro de 0,1 x 10-6 e
na faixa de 0 a 54°C.
6210)0004,0067,01,17( bsbstbsar TT
De acordo com Kloppers (2005) o calor específico do ar seco (tbspac ) e do
vapor de água ( pvc ), em kJ/kgK, são dados pelas Equações (3.40) e (3.41).
1000
)7705209,24083814,71161783,33045356,1(32
bsbsbstbspa
TeTeTeec
1000
))1391332,5()1046784,2(31334,2)33605,1((65
bsbsbstbspv
TeTeTec
De acordo com Moreira (1999) o calor específico da mistura ar-vapor de água
(tbsparc ), em kJ/kgK, é dado pela Equação (3.42).
))((tbspvtbstbspatbspar ccc
3.4 Coeficientes convectivos de transferência de calor e massa.
A determinação do coeficiente de transmissão de calor por convecção ( ch ), em
w/m°C, e do coeficiente transferência de massa ( mh ), em m/s, é via de regra, uma
tarefa complexa nos problemas de engenharia. O coeficiente de transmissão de
calor por convecção ( ch ) e coeficiente transferência de massa ( mh ) variam em
(3.38)
(3.39)
(3.40)
(3.41)
(3.42)
81 Modelagem Matemática e Simulação
função do regime de escoamento; da natureza do fluido; da geometria e rugosidade
do painel evaporativo; da direção e área de escoamento; das propriedades físicas do
fluido; da temperatura; da posição ao longo da superfície e da convecção forçada ou
natural. A análise das condições do escoamento do fluxo mássico de ar através dos
painéis evaporativos não é tão simples, assim, e portanto correlações empíricas
foram usadas.
O número de Nusselt ( Nu ) Equação (3.43), correlaciona o coeficiente de
transferência de calor por convecção ( ch ), em W/m°C, o comprimento característico
do canal evaporativo ( cL ), em m, e o coeficiente de condutividade térmica (tbsar ),
em W/m.K.
tbsar
cc
k
LhNu
O comprimento caraterístico cL pode ser obtido da Equação (3.44). Nesta
equação, cV é o volume do canal do painel evaporativo de contato ar-água, em m³,
e scA é a área superficial da manta evaporativa do canal, m².
sc
cc
A
VL
O número de Sherwood ( Sh ) dado na Equação (3.45) representa a razão entre
a transferência de massa convectiva e difusiva. Nesta equação tbsabD é o
coeficiente de difusão de massa e conforme Marrero e Mason (1972), em Cengel
(2006), o seu valor pode ser determinado pela Equação (3.46). Esta correlação é
válida para KTbs 450280 . Sendo a atmP = 1.
tbsab
cm
D
LhSh
atm
bstbsab
P
TeD
072,2)16,273()1087,1(
(3.43)
(3.45)
(3.46)
(3.44)
82 Modelagem Matemática e Simulação
Segundo Incropera e Dewitt (1996) a Equação (3.47), desenvolvida por Hilpert
em 1972, descreve a correlação para obter o número de Nusselt ( Nu ) para
escoamento cruzado sobre feixe de tubos.
nmcNu PrRe 11
Esta correlação pode ser utilizada para determinação do coeficiente de
transferência de calor por convecção ( ch ) associado com o fluxo cruzado ar-água
no Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED). Seguindo essa metodologia,
Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988) apresentaram uma correlação,
utilizando como partida da análise a Equação (3.47) para predizer o coeficiente
convectivo do ar ( ch ) em painéis de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft),
conforme Equação (3.48). Para o ar o valor de “n” deve ser menor que 1, e conforme
Incropera (1998), para a maioria das aplicações envolvendo o ar atmosférico na
faixa de temperatura do experimento desta Tese o valor de “n” pode ser adotado
como 1/3.
3/18,012,0
PrRe1,0
cL
Nu
Conhecendo cL = 0,00216 m e = 0,07 m, onde é a espessura do painel
evaporativo de contato ar-água, eles obtiveram as constantes 1c e 1m utilizando uma
regressão simples, conforme Equação (3.49).
3/18,0 PrRe07,0 Nu , )/8,21(321Re120 smaVálido
O número de Reynolds ( Re ) da Equação (3.50) foi determinado considerando
o comprimento característico anteriormente definido pela Equação (3.44).
tbsar
cmtbsar Lv
Re
(3.50)
(3.47)
(3.48)
(3.49)
83 Modelagem Matemática e Simulação
O número de Prandt ( Pr ) é definido pela Equação (3.51).
tbsar
tbsar
tbsar
tbsartbsparc
Pr
A correlação de Nusselt (Nu) da Equação (3.49) é válido para o arranjo
específico de Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988). Para as
características dos painéis evaporativos e condições do experimento desta Tese
obteve-se o número de Nusselt ( Nu ) seguindo uma metodologia semelhante à
empregada nos trabalhos de Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988).
Através de uma técnica de regressão matemática simples usou-se dados
experimentais do trabalho de Tese, a correlação empírica da Equação (3.47) e
grupos admensionais para obtenção dos coeficientes de transferência de calor e
massa dos painéis de contato ar-água testados experimentalmente. Inicialmente
aplicou-se a função logarítmica, conforme Equação (3.52), para obter os valores das
constantes 1c e 1m plotando numa escala log-log os valores de 3/1Pr/Nu versus
Re , conforme Figuras 3.4 a 3.15.
log(Re))log()Pr/log( 113/1 mcNu
As correlações determinadas experimentalmente para obtenção do
coeficiente de transferência de calor e massa dos painéis de contato ar-água foram
comparados com os resultados experimentais de Dowdy et al. (1986) e Dowdy e
Karabash (1988). Confome Rawangkul et al. (2008) para a correlação de
transferência de calor os resultados obtidos por Dowdy et al. (1986) e Dowdy e
Karabash (1988) verifica-se que a constante “ 1c ” e o expoente “ 1m ” são
respectivamente 0,07 e 0,8. Enquanto para os resultados do trabalho de Tese os
valores foram 0,02 e 0,8 para todos os painéis, conforme Equação (3.53). Onde a
constante “ 1m ” foi mantida constante para todos os casos e a constante “ 1c ” obteve
pequena variação. A diferença do valor da constante “ 1c ” é provavelmente devido as
condições de testes tal como a diferença da configuração do painel de contato ar-
água e arranjos experimentais. Apesar disso é razoável concluir que a análise
(3.51)
(3.52)
84 Modelagem Matemática e Simulação
apresentada é válida e que a forma simples da correlação empírica utilizada é
aceitável.
3/18,0 PrRe02,0 Nu
Aceito entre 275,99 < Re < 627,37 (fibra de Coco e Esponja Vegetal com
c =0,1m e .
agm =112,4; 106,6 e 89,3 g/s);
Aceito entre 287,82 < Re < 603,1 (fibra de Coco e Esponja Vegetal com
c =0,15m e .
agm =112,4; 106,6 e 89,3 g/s).
y = 0,8x - 1,7549R² = 1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.4 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm = 112,4 g/s.
y = 0,8x - 1,7549
R² = 1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.5 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm =106,6 g/s.
(3.53)
85 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,7549R² = 1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.6 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm = 89,3 g/s.
y = 0,8x - 1,7549R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.7 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m e .
agm = 112,4 g/s.
y = 0,8x - 1,7549R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(NU/Pr^0,33)
LOG(Re) Figura 3.8 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m e .
agm = 106,6 g/s.
86 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,7549R² = 1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re) Figura 3.9 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1m e .
agm = 89,3 g/s.
y = 0,7868x - 1,7463R² = 0,9958
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re) Figura 3.10 – 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 112 g/s.
y = 0,8x - 1,7761R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.11 –
3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 106,6 g/s.
87 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,7761R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re) Figura 3.12 - 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 89,3 g/s.
y = 0,805x - 1,7845R² = 0,9959
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re) Figura 3.13 - 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,15 m e .
agm = 112,4 g/s.
y = 0,8x - 1,7761R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.14 - 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,15 m e .
agm = 106,6 g/s.
88 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,7761R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Nu/Pr^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.15 - 3/1Pr/NuLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,15 m e .
agm = 89,3 g/s.
Quando se trabalha com transferência de calor e massa é comum fazer
analogias entre estes dois fenômenos. Com isto, pode-se calcular o coeficiente de
transferência de massa ( mh ) através de correlações análogas as usadas para o
cálculo do coeficiente convectivo ( ch ), ou seja, pode-se obter o coeficiente de
transferência de massa ( mh ) através do número de Sherwood ( Sh ), conforme
Equação (3.54), da mesma forma que se calcula com o número de de Nusselt ( Nu ).
3/122 Re SccSh
m
Onde Sc é o número de Schmidt definido pela Equação (3.55) que relaciona a razão
de difusividade de momento e difusividade de massa,
tbsab
tbsar
tbsabtbsar
tbsarc
DDS
Seguindo o mesmo raciocínio, as Equações (3.56) e (3.57) representam o número
de Sherwood ( Sh ) obtidos por Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988). Da
mesma forma, conhecendo o cL = 0,00216 m e = 0,07 m, eles obtiveram 1c e 1m .
(3.54)
(3.55)
89 Modelagem Matemática e Simulação
3/18,012,0
Re08,0 ScLc
Sh
3/18,0Re05,0 ScSh
De forma análoga para encontrar o número de Nusselt ( Nu ), os números de
Sherwood ( Sh ) foram obtidos com dados experimentais da Tese e representados
pela Equação (3.58), conforme Figuras 3.16 a 3.27. Considerando que a faixa de
validade da correlação em relação ao número de Reynolds ( Re ) é a mesma
definida para o número de Nusselt ( Nu ). Identicamente ao caso do coeficiente de
transferência de calor por convecção, e neste caso da correlação dada pela
Equação (3.58) será obtido o coeficiente de transferência de massa convectivo que
será utilizado nas simulações numéricas de todos os painéis utilizados.
De acordo com Rawangkul et al. (2008) para a correlação de transferência de
massa os resultados obtidos por Dowdy et al. (1986) e Dowdy e Karabash (1988)
verifica-se que a constante “ 2c ” e o expoente “m2” são respectivamente 0,05 e 0,8.
Enquanto para os resultados do trabalho de Tese os valores foram 0,01 e 0,8 para
todos os painéis, conforme Equação (3.58). Onde a constante “ 2m ” foi mantida
constante para todos os casos e a constante “ 2c ” obteve pequena variação. A
diferença do valor da constante “ 2c ” também é devido as condições de testes tal
como a diferença da configuração do painel de contato ar-água e arranjos
experimentais. E assim, a análise apresentada tal como para o Nusselt ( Nu ) é
válida para o número de Sherwood ( Sh ) e que a forma simples da correlação
empírica utilizada também é aceitável.
3/18,0Re01,0 ScSh
(3.56)
(3.57)
(3.58)
90 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,8939R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.16 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm =112,4 g/s.
y = 0,7783x - 1,8342R² = 0,9999
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.17 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm =106,6 g/s.
y = 0,8x - 1,8939R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.18 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,1 m e
.
agm = 89,3 g/s.
91 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,8939R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.19 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1 m e .
agm =112,4 g/s.
y = 0,7863x - 1,8565R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/SC^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.20 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1 m e .
agm = 106,6 g/s.
y = 0,8x - 1,8939R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.21 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,1 m e .
agm = 89,3 g/s.
92 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,915R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^^,33)
LOG(Re)
Figura 3.22 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 112,4 g/s.
y = 0,8313x - 1,9939R² = 0,999
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re) Figura 3.23 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 106,6 g/s.
y = 0,8x - 1,915R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.24 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Coco com =0,15 m e
.
agm = 89,3 g/s.
93 Modelagem Matemática e Simulação
y = 0,8x - 1,915R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^^,33)
LOG(Re)
Figura 3.25 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,15 m e
.
agm = 112,4 g/s.
y = 0,8228x - 1,9722R² = 0,9995
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re)
Figura 3.26 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com =
0,15 m e .
agm = 106,6 g/s.
y = 0,8x - 1,915R² = 1
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8
LOG(Sh/Sc^0,33)
LOG(Re) Figura 3.27 – 3/1/ ScShLog versus ReLog para o painel de fibra de Esponja Vegetal com
=0,15 m e .
agm = 89,3 g/s.
94 Modelagem Matemática e Simulação
3.5 Simulação numérica.
As equações do modelo de transferência de calor e massa num painel
evaporativo apresentadas no item 3.1 deste capítulo, junto com as correlações para
um modelo de cálculo de propriedades psicrométricas do ar úmido que atravessa o
painel integram o algoritmo numérico que será utilizado na simulação numérica do
problema. Este algoritmo foi programado no ambiente MatLab e validado
comparando-se resultados experimentais e numéricos obtidos com o presente
modelo para as mesmas condições operacionais. Logo após a validação do
programa, o mesmo foi utilizado para ensaios numéricos que permitem
complementar o trabalho experimental.
3.5.1 Análise comparativa dos resultados experimentais e numéricos.
A análise comparativa dos resultados numéricos com resultados experimentais
contempla diferentes condições de teste dos parâmetros termo-físicos de entrada
para painéis de contato ar-água construídos com materiais diferentes e mesmas
dimensões. As Figuras 3.28 e 3.29 foram obtidas utizando o algoritmo numérico para
um painel de fibra de Coco com espessura ( ) de 0,15 m, vazão mássica de ar
(.
arm ) de 0,06 kg/s e vazão mássica de água (.
agm ) de 112,4 g/s. Através deste
programa é possível encontrar a temperatura de bulbo seco e umidade relativa de
saída obtida pela simulação numérica, como também outros termos psicrométricos,
e comparar com os valores obtidos através do experimento. Ressaltando que o
programa de simulação numérica permite analisar o comportamento das condições
psicrométricas no interior do painel conforme o escoamento de ar atravessando o
painel evaporativo. Analisando a Figura 3.28 verifica-se que a temperatura de bulbo
seco no interior dos painéis de contato ar-água diminue gradativamente e na Figura
3.29 a umidade relativa ocorre o inverso. Este fato ocorre devido a transferência de
calor e de concentração de vapor de água entre as superfícies da lâmina de água e
as áreas adjacentes que proporciona transferência de massa. Há de considerar que
as temperaturas de bulbo úmido de todas as condições de testes experimental e
numérica ficou praticamente constante desde a entrada até a saida do painel.
95 Modelagem Matemática e Simulação
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.1624
26
28
30
32
34
36
38REDUÇÃO DE TEMPERATURA DE BULBO SECO
TE
MP
ER
AT
UR
A D
E B
UL
BO
SE
CO
(°C
)
DESLOCAMENTO DO AR NO PAINEL DE CONTATO (m)
Figura 3.28 – Redução de temperatura de bulbo seco utilizando painel de fibra de Coco com
=0,15m, .
arm = 0,06 kg/s e .
agm = 112,4 g/s (simulação numérica).
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.160.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
UM
IDA
DE
RE
LA
TIV
A
DESLOCAMENTO DO AR NO PAINEL DE CONTATO (m)
Figura 3.29 – Elevação de umidade relativa utilizando painel de fibra de Coco com = 0,15 m,
.
arm =0,06 kg/s e .
agm = 112,4 g/s (simulação numérica).
As Tabelas 3.1 a 3.12 registram resultados experimentais e numéricos para os
painéis de fibra vegetal de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus), Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica) e Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft Comercial). Todos os testes
foram considerados com as mesmas condições termofísicas de entrada e
construtivas dos arranjos. Verifica-se que o aumento da espessura dos painéis
ocasiona menor temperatura de bulbo seco e maior umidade relativa de saida, e
consequentemente, maior eficiência de resfriamento evaporativo. Enquanto o ar não
atingir a condição de saturação de umidade específica, possibilita a evaporação de
mais água. Assim, com um aumento de área de contato entre o ar e a água e mais
espaço de tempo, a temperatura de bulbo seco tende a diminuir e a umidade relativa
tende a aumentar.
96 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.1 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco (Tbs,e = ±36°C).
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,6m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,29°C Tbs,s = 27,75°C
e = 24,31%
s = 41,61% Tsup,e = 18,95°C Tsup,s = 24,78°C
= 0,1 m
=
55,8
9 %
Tbs,e = 36,31°C Tbs,s = 24,11°C
e = 24,39%
s = 52,56% Tsup,e = 17,48°C Tsup,s = 24,42°C
= 0,15 m
=
79,8
7 %
Tbs,e = 36,29°C Tbs,s = 27,53°C
e = 24,31%
s = 40,24% Tsup,m = 21,7°C
= 0,1 m
=
57,0
4 %
Tbs,e = 36,31°C Tbs,s = 24,71°C
e = 24,39%
s = 48,01% Tsup,m = 20,95°C
= 0,15 m
=
75,6
8 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,43°C Tbs,s = 28,79°C
e = 24,36%
s = 40,7% Tsup,e = 18,88°C Tsup,s = 24,61°C
= 0,1 m
=
49,8
3 %
Tbs,e = 36,35°C Tbs,s = 24,97°C
e = 24,31%
s = 51,01% Tsup,e = 17,23°C Tsup,s = 24,59°C
= 0,15 m
=
74,3
4 %
Tbs,e = 36,43°C Tbs,s = 28,46°C
e = 24,36%
s = 38,45% Tsup,m = 21,74°C
= 0,1 m
=
51,7
9 %
Tbs,e = 36,35°C Tbs,s = 25,58°C
e = 24,31%
s = 45,43% Tsup,m = 20,91°C
= 0,15 m =
70,0
6 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,58°C Tbs,s = 28,8°C
e = 24,41%
s = 40,21% Tsup,e = 18,93°C Tsup,s = 24,54°C
= 0,1 m
=
50,7
%
Tbs,e = 36,27°C Tbs,s = 25,55°C
e = 24,57%
s = 49,86% Tsup,e = 17,24°C Tsup,s = 24,51°C
= 0,15 m
=
70,5
2 %
Tbs,e = 36,58°C Tbs,s = 28,93°C
e = 24,31%
s = 37,78% Tsup,m = 21,74°C
= 0,1 m
=
49,6
1 %
Tbs,e = 36,27°C Tbs,s = 25,95°C
e = 24,57%
s = 44,7% Tsup,m = 20,88°C
= 0,15 m =
67,5
8 %
97 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.2 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água
para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa (Tbs,e = ±36°C).
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,42°C Tbs,s = 27,94°C
e = 24,4%
s = 42,14% Tsup,e = 18,87°C Tsup,s = 24,55°C
= 0,1 m
=
55,3
6 %
Tbs,e = 36,59°C Tbs,s = 24,72°C
e = 24,34%
s = 50,26% Tsup,e = 17,3°C Tsup,s = 24,5°C
= 0,15 m
=
77,2
% Tbs,e = 36,42°C
Tbs,s = 27,71°C
e = 24,4%
s = 40,26% Tsup,m = 21,71°C
= 0,1 m
=
56,6
9 %
Tbs,e = 36,59°C Tbs,s = 24,93°C
e = 24,34%
s = 47,99% Tsup,m = 20,9°C
= 0,15 m
=
75,5
%
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,41°C Tbs,s = 28,48°C
e = 24,36%
s = 41,99% Tsup,e = 18,97°C Tsup,s = 24,45°C
= 0,1 m
=
51,8
1 %
Tbs,e = 36,26°C Tbs,s = 24,82°C
e = 24,34%
s = 50,06% Tsup,e = 17,44°C Tsup,s = 24,51°C
= 0,15 m
=
74,9
1 %
Tbs,e = 36,41°C Tbs,s = 28,39°C
e = 24,36%
s = 38,56% Tsup,m = 21,71°C
= 0,1 m
=
52,1
4 %
Tbs,e = 36,26°C Tbs,s = 25,31°C
e = 24,34%
s = 46,03% Tsup,m = 20,98°C
= 0,15 m =
71,4
2 %
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,24°C Tbs,s = 28,94°C
e = 24,57%
s = 40,32% Tsup,e = 18,96°C Tsup,s = 24,27°C
= 0,1 m
=
48,0
3 %
Tbs,e = 36,43°C Tbs,s = 25,4°C
e = 24,93%
s = 50,6% Tsup,e = 16,93°C Tsup,s = 24,63°C
= 0,15 m
=
72,7
4 %
Tbs,e = 36,24°C Tbs,s = 28,64°C
e = 24,57%
s = 37,95% Tsup,m = 21,61°C
= 0,1 m
=
49,7
6 %
Tbs,e = 36,43°C Tbs,s = 26,15°C
e = 24,93%
s = 44,21% Tsup,m = 20,78°C
= 0,15 m =
67,5
2 %
98 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.3 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado – Comercial (Tbs,e = ±36°C).
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,46°C Tbs,s = 25,05°C
e = 24,4%
s = 49,97% Tsup,e = 17,48°C Tsup,s = 23,63°C
= 0,1 m
= 74,52 %
Tbs,e = 36,49°C Tbs,s = 23,48°C
e = 24,27%
s = 55,67% Tsup,e = 16,6°C Tsup,s = 23,43°C
= 0,15 m
= 84,6 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,31°C Tbs,s = 25,15°C
e = 24,41%
s = 49,82% Tsup,e = 17,48°C Tsup,s = 23,54°C
= 0,1 m
= 73,06 %
Tbs,e = 36,32°C Tbs,s = 23,69°C
e = 24,57%
s = 53,94% Tsup,e = 16,57°C Tsup,s = 23,45°C
= 0,15 m
= 82,97 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 36,31°C Tbs,s = 25,39°C
e = 24,33%
s = 48,39% Tsup,e = 17,52°C Tsup,s = 23,42°C
= 0,1 m
= 71,49 %
Tbs,e = 36,5°C Tbs,s = 24,13°C
e = 24,48%
s = 53,46% Tsup,e = 16,82°C Tsup,s = 23,38°C
= 0,15 m
= 80,82 %
99 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.4 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco (Tbs,e = ±34°C).
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,77°C Tbs,s = 26,82°C
e = 26,58%
s = 43,76% Tsup,e = 18,87°C Tsup,s = 24,56°C
= 0,1 m
=
55,9
9 %
Tbs,e = 34,35°C Tbs,s = 24,05°C
e = 26,63%
s = 52,9% Tsup,e = 17,33°C Tsup,s = 23,46°C
= 0,15 m
=
73,2
2 %
Tbs,e = 34,77°C Tbs,s = 26,61°C
e = 26,58%
s = 42,7% Tsup,m = 21,71°C
= 0,1 m
=
57,2
4 %
Tbs,e = 36,35°C Tbs,s = 23,54°C
e = 26,63%
s = 50,43% Tsup,m = 20,4°C
= 0,15 m
=
76,6
3 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,54°C Tbs,s = 27,33°C
e = 26,7%
s = 45,71% Tsup,e = 19,05°C Tsup,s = 24,59°C
= 0,1 m
=
51,1
9 %
Tbs,e = 34,46°C Tbs,s = 24,42°C
e = 26,6%
s = 51,09% Tsup,e = 17,11°C Tsup,s = 23,22°C
= 0,15 m
=
71,1
7 %
Tbs,e = 34,54°C Tbs,s = 27,1°C
e = 26,7%
s = 41,09% Tsup,m = 21,82°C
= 0,1 m
=
52,5
3 %
Tbs,e = 34,46°C Tbs,s = 24,44°C
e = 26,6%
s = 47,94% Tsup,m = 20,17°C
= 0,15 m =
70,8
3 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,39°C Tbs,s = 27,22°C
e = 26,57%
s = 45,86% Tsup,e = 19,01°C Tsup,s = 24,46°C
= 0,1 m
=
50,8
7 %
Tbs,e = 34,3°C Tbs,s = 24,54°C
e = 26,35%
s = 49,79% Tsup,e = 17,48°C Tsup,s = 22,98°C
= 0,15 m
=
69,1
% Tbs,e = 34,39°C
Tbs,s = 27,26°C
e = 26,57%
s = 40,18% Tsup,m = 21,73°C
= 0,1 m
=
50,4
5 %
Tbs,e = 34,3°C Tbs,s = 24,59°C
e = 26,35%
s = 46,63% Tsup,m = 20,23°C
= 0,15 m =
68,5
9 %
100 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.5 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa (Tbs,e = ±34°C).
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,4°C Tbs,s = 26,73°C
e = 26,73%
s = 44,06% Tsup,e = 18,61°C Tsup,s = 23,97°C
= 0,1 m
=
54,5
8 %
Tbs,e = 34,57°C Tbs,s = 24,23°C
e = 26,56%
s = 51,19% Tsup,e = 17,7°C Tsup,s = 23,6°C
= 0,15 m
=
73,1
% Tbs,e = 34,4°C
Tbs,s = 26,38°C
e = 26,73%
s = 42,63% Tsup,m = 21,29°C
= 0,1 m
=
56,8
6 %
Tbs,e = 34,57°C Tbs,s = 23,78°C
e = 26,56%
s = 50,18% Tsup,m = 20,65°C
= 0,15 m
=
76,0
4 %
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,69°C Tbs,s = 27,3°C
e = 26,21%
s = 43,15% Tsup,e = 18,82°C Tsup,s = 23,95°C
= 0,1 m
=
51,8
1 %
Tbs,e = 34,73°C Tbs,s = 24,53°C
e = 26,48%
s = 50,47% Tsup,e = 17,44°C Tsup,s = 23,2°C
= 0,15 m
=
71,7
5 %
Tbs,e = 34,69°C Tbs,s = 27,19°C
e = 26,21%
s = 40,47% Tsup,m = 21,38°C
= 0,1 m
=
52,1
4 %
Tbs,e = 34,73°C Tbs,s = 24,57°C
e = 26,48%
s = 48,07% Tsup,m = 20,32°C
= 0,15 m =
71,2
4 %
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,77°C Tbs,s = 27,46°C
e = 26,76%
s = 43,35% Tsup,e = 19,27°C Tsup,s = 23,97°C
= 0,1 m
=
51,6
2 %
Tbs,e = 34,71°C Tbs,s = 24,86°C
e = 26,19%
s = 50,27% Tsup,e = 17,57°C Tsup,s = 23,06°C
= 0,15 m
=
68,9
9 %
Tbs,e = 34,77°C Tbs,s = 27,64°C
e = 26,76%
s = 40,39% Tsup,m = 21,62°C
= 0,1 m
=
50,1
4 %
Tbs,e = 34,71°C Tbs,s = 24,92°C
e = 26,19%
s = 46,47% Tsup,m = 20,32°C
= 0,15 m
=
68,3
%
101 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.6 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água
para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado – Comercial (Tbs,e = ±34°C).
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,55°C Tbs,s = 24,97°C
e = 26,71%
s = 48,91% Tsup,e = 17,24°C Tsup,s = 23,05°C
= 0,1 m
= 67,94 %
Tbs,e = 36,39°C Tbs,s = 23,46°C
e = 26,6%
s = 53,66% Tsup,e = 16,15°C Tsup,s = 22,31°C
= 0,15 m
= 77,63 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,5°C Tbs,s = 25,21°C
e = 26,97%
s = 48,77% Tsup,e = 17,3°C Tsup,s = 23,03°C
= 0,1 m
= 66,27 %
Tbs,e = 34,77°C Tbs,s = 26,27°C
e = 23,88%
s = 54,19% Tsup,e = 16,17°C Tsup,s = 22,28°C
= 0,15 m
= 76,31 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,28°C Tbs,s = 25,31°C
e = 26,76%
s = 47,32% Tsup,e = 17,27°C Tsup,s = 23,08°C
= 0,1 m
= 64,09 %
Tbs,e = 34,51°C Tbs,s = 24,03°C
e = 26,5%
s = 53,98% Tsup,e = 16,19°C Tsup,s = 22,3°C
= 0,15 m
= 74,19 %
102 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.7 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco (Tbs,e = ±32°C).
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,47°C Tbs,s = 25,28°C
e = 28,71%
s = 46,97% Tsup,e = 19,38°C Tsup,s = 24,36°C
= 0,1 m
=
55,3
9 %
Tbs,e = 32,22°C Tbs,s = 23,2°C
e = 28,48%
s = 54,79% Tsup,e = 17,22°C Tsup,s = 23,09°C
= 0,15 m
=
69,6
% Tbs,e = 32,47°C
Tbs,s = 24,3°C
e = 28,71%
s = 45,08% Tsup,m = 21,87°C
= 0,1 m
=
58,6
6 %
Tbs,e = 32,22°C Tbs,s = 22,08°C
e = 28,48%
s = 52,3% Tsup,m = 20,15°C
= 0,15 m
=
78,0
2 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,54°C Tbs,s = 25,77°C
e = 28,71%
s = 45,2% Tsup,e = 19,2°C Tsup,s = 24,06°C
= 0,1 m
=
51,9
7 %
Tbs,e = 32,53°C Tbs,s = 23,74°C
e = 28,59%
s = 52,8% Tsup,e = 17,48°C Tsup,s = 22,91°C
= 0,15 m
=
67,5
% Tbs,e = 32,54°C
Tbs,s = 25,61°C
e = 28,71%
s = 43,16% Tsup,m = 21,63°C
= 0,1 m
=
53,1
5 %
Tbs,e = 32,53°C Tbs,s = 23,14°C
e = 28,59%
s = 50,02% Tsup,m = 20,19°C
= 0,15 m =
71,9
%
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,55°C Tbs,s = 25,94°C
e = 28,47%
s = 44,72% Tsup,e = 19,57°C Tsup,s = 24,1°C
= 0,1 m
=
50,6
8 %
Tbs,e = 32,54°C Tbs,s = 23,65°C
e = 28,5%
s = 50,38% Tsup,e = 17,47°C Tsup,s = 22,59°C
= 0,15 m
=
68,1
4 %
Tbs,e = 32,55°C Tbs,s = 25,82°C
e = 28,47%
s = 42,27% Tsup,m = 21,84°C
= 0,1 m
=
51,3
5 %
Tbs,e = 32,54°C Tbs,s = 23,46°C
e = 28,5%
s = 48,91% Tsup,m = 20,03°C
= 0,15 m =
69,4
1 %
103 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.8 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa (Tbs,e = ±32°C).
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,41°C Tbs,s = 25,33°C
e = 28,38%
s = 46,91% Tsup,e = 18,83°C Tsup,s = 23,43°C
= 0,1 m
=
54,2
9 %
Tbs,e = 32,37°C Tbs,s = 23,42°C
e = 28,35%
s = 52,84% Tsup,e = 17,3°C Tsup,s = 24,5°C
= 0,15 m
=
68,6
1 %
Tbs,e = 32,41°C Tbs,s = 24,87°C
e = 28,38%
s = 44,29% Tsup,m = 21,13°C
= 0,1 m
=
57,6
2 %
Tbs,e = 32,37°C Tbs,s = 22,24°C
e = 28,35%
s = 52% Tsup,m = 20,9°C
= 0,15 m
=
77,5
1 %
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/kg
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,65°C Tbs,s = 25,84°C
e = 28,49%
s = 46,8% Tsup,e = 19,09°C Tsup,s = 23,53°C
= 0,1 m
=
51,9
9 %
Tbs,e = 32,4°C Tbs,s = 23,46°C
e = 28,35%
s = 50,9% Tsup,e = 17,3°C Tsup,s = 24,5°C
= 0,15 m
=
68,5
6 %
Tbs,e = 32,65°C Tbs,s = 25,68°C
e = 28,49%
s = 42,89% Tsup,m = 21,31°C
= 0,1 m
=
53,0
4 %
Tbs,e = 32,4°C Tbs,s = 22,89°C
e = 28,35%
s = 50% Tsup,m = 20,9°C
= 0,15 m =
72,7
%
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,66°C Tbs,s = 26,22°C
e = 28,5%
s = 45,2% Tsup,e = 19,33°C Tsup,s = 23,56°C
= 0,1 m
=
49,2
5 %
Tbs,e = 32,56°C Tbs,s = 23,72°C
e = 28,44%
s = 50,22% Tsup,e = 17,3°C Tsup,s = 24,5°C
= 0,15 m
=
67,6
4 %
Tbs,e = 32,66°C Tbs,s = 25,98°C
e = 28,5%
s = 42,17% Tsup,m = 21,44°C
= 0,1 m
=
50,8
6 %
Tbs,e = 32,56°C Tbs,s = 23,46°C
e = 28,44%
s = 48,84% Tsup,m = 20,9°C
= 0,15 m
=
69,4
1 %
104 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.9 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft ondulado – Comercial (Tbs,e = ±32°C).
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,85°C Tbs,s = 24,88°C
e = 28,93%
s = 48,29% Tsup,e = 17,74°C Tsup,s = 23,13°C
= 0,1 m
= 61,11 %
Tbs,e = 32,63°C Tbs,s = 23,02°C
e = 28,33%
s = 53,62% Tsup,e = 16,44°C Tsup,s = 22,23°C
= 0,15 m
= 73,2 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 32,66°C Tbs,s = 24,85°C
e = 28,12%
s = 46,4% Tsup,e = 17,72°C Tsup,s = 23,07°C
= 0,1 m
= 59,27 %
Tbs,e = 32,79°C Tbs,s = 23,25°C
e = 28,31%
s = 53,7% Tsup,e = 16,47°C Tsup,s = 22,11°C
= 0,15 m
= 72,44 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 34,4°C Tbs,s = 25,04°C
e = 28,77%
s = 46,37% Tsup,e = 17,72°C Tsup,s = 23,08°C
= 0,1 m
= 56,86 %
Tbs,e = 32,63°C Tbs,s = 23,32°C
e = 28,44%
s = 53,74% Tsup,e = 16,57°C Tsup,s = 22,26°C
= 0,15 m
= 71,12 %
105 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.10 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra de Coco (Tbs,e = ±30°C).
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,7°C Tbs,s = 24,15°C
e = 30,38%
s = 47,13% Tsup,e = 19,42°C Tsup,s = 23,69°C
= 0,1 m
=
54,2
6 %
Tbs,e = 30,25°C Tbs,s = 21,58°C
e = 30,44%
s = 54,33% Tsup,e = 17,86°C Tsup,s = 22,84°C
= 0,15 m
=
72,5
8 %
Tbs,e = 30,7°C Tbs,s = 23,54°C
e = 30,38%
s = 46,62% Tsup,m = 21,58°C
= 0,1 m
=
59,0
9 %
Tbs,e = 30,52°C Tbs,s = 20,77°C
e = 30,44%
s = 54,2% Tsup,m = 20,35°C
= 0,15 m
=
79,2
9 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,71°C Tbs,s = 24,49°C
e = 30,58%
s = 46,98% Tsup,e = 19,48°C Tsup,s = 23,58°C
= 0,1 m
=
51,6
47 %
Tbs,e = 30,32°C Tbs,s = 21,67°C
e = 30,39%
s = 54,44% Tsup,e = 17,76°C Tsup,s = 22,62°C
= 0,15 m
=
72,1
9 %
Tbs,e = 30,71°C Tbs,s = 24,21°C
e = 30,58%
s = 45,06% Tsup,m = 21,53°C
= 0,1 m
=
53,8
5 %
Tbs,e = 30,32°C Tbs,s = 23,14°C
e = 30,39%
s = 51,76% Tsup,m = 20,19°C
= 0,15 m =
73,3
3 %
Eficiência experimental fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Coco ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,69°C Tbs,s = 24,48°C
e = 30,4%
s = 46,86% Tsup,e = 19,69°C Tsup,s = 23,8°C
= 0,1 m
=
51,4
4 %
Tbs,e = 30,3°C Tbs,s = 21,62°C
e = 30,54%
s = 53,25% Tsup,e = 18,02°C Tsup,s = 22,71°C
= 0,15 m
=
72,5
8 %
Tbs,e = 30,69°C Tbs,s = 24,39°C
e = 30,4%
s = 44,25% Tsup,m = 21,74°C
= 0,1 m
=
52,0
4 %
Tbs,e = 30,3°C Tbs,s = 21,84°C
e = 30,54%
s = 50,93% Tsup,m = 20,36°C
= 0,15 m =
70,7
5 %
106 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.11 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho da fibra Esponja Vegetal – Luffa (Tbs,e = ±30°C).
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,24°C Tbs,s = 23,78°C
e = 30,54%
s = 48,76% Tsup,e = 19,42°C Tsup,s = 23,51°C
= 0,1 m
=
54,1
4 %
Tbs,e = 30,49°C Tbs,s = 22,13°C
e = 30,44%
s = 53,29% Tsup,e = 18,13°C Tsup,s = 22,8°C
= 0,15 m
=
69,5
6 %
Tbs,e = 30,24°C Tbs,s = 23,08°C
e = 30,54%
s = 46,96% Tsup,m = 21,47°C
= 0,1 m
=
59,9
6 %
Tbs,e = 30,49°C Tbs,s = 21,03°C
e = 30,44%
s = 54,06% Tsup,m = 20,46°C
= 0,15 m
=
78,6
6 %
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,67°C Tbs,s = 24,29°C
e = 30,46%
s = 46,93% Tsup,e = 19,46°C Tsup,s = 23,49°C
= 0,1 m
=
52,9
3 %
Tbs,e = 30,64°C Tbs,s = 22,11°C
e = 30,81%
s = 53,64% Tsup,e = 18,21°C Tsup,s = 22,79°C
= 0,15 m
=
71,2
2 %
Tbs,e = 30,67°C Tbs,s = 24,11°C
e = 30,46%
s = 45,03% Tsup,m = 21,48°C
= 0,1 m
=
54,2
1 %
Tbs,e = 30,64°C Tbs,s = 21,81°C
e = 30,81%
s = 52,5% Tsup,m = 20,5°C
= 0,15 m =
73,6
%
Eficiência experimental fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Eficiência numérica fibra de Luffa ()
ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,73°C Tbs,s = 24,47°C
e = 30,13%
s = 46,14% Tsup,e = 19,57°C Tsup,s = 23,48°C
= 0,1 m
=
51,5
6 %
Tbs,e = 30,48°C Tbs,s = 22,17°C
e = 30,46%
s = 53,54% Tsup,e = 18,69°C Tsup,s = 22,68°C
= 0,15 m
=
69,2
6 %
Tbs,e = 30,73°C Tbs,s = 24,41°C
e = 30,13%
s = 43,89% Tsup,m = 21,53°C
= 0,1 m
=
51,8
9 %
Tbs,e = 30,48°C Tbs,s = 21,98°C
e = 30,46%
s = 50,86% Tsup,m = 20,68°C
= 0,15 m
=
70,6
2 %
107 Modelagem Matemática e Simulação
Tabela 3.12 – Eficiência de Resfriamento Evaporativo dos painéis de contato ar-água para o melhor desempenho do Papel kraft – Comercial (Tbs,e = ±30°C).
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,6 m/s; .
arm =0,06 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,33°C Tbs,s = 23,9°C
e = 30,49%
s = 46,59% Tsup,e = 17,86°C Tsup,s = 23,12°C
= 0,1 m
= 53,79 %
Tbs,e = 30,78°C Tbs,s = 22,02°C
e = 30,74%
s = 54,29% Tsup,e = 16,46°C Tsup,s = 22,13°C
= 0,15 m
= 72,75 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =0,9 m/s;.
arm =0,09 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,93°C Tbs,s = 24,63°C
e = 30,26%
s = 46,26% Tsup,e = 18,17°C Tsup,s = 23,15°C
= 0,1 m
= 51,77 %
Tbs,e = 30,91°C Tbs,s = 22,08°C
e = 30,16%
s = 54,5% Tsup,e = 16,53°C Tsup,s = 22,11°C
= 0,15 m
= 72,43 %
Eficiência experimental papel kraft ondulado (); ar =1,2 m/s;.
arm =0,12 kg/s e
.
agm =112,4 g/s
Tbs,e = 30,5°C Tbs,s = 24,43°C
e = 30,32%
s = 45,83% Tsup,e = 18,11°C Tsup,s = 23,13°C
= 0,1 m
= 50,41 %
Tbs,e = 30,6°C Tbs,s = 22°C
e = 30,27%
s = 54,27% Tsup,e = 16,52°C Tsup,s = 21,95°C
= 0,15 m
= 71,13 %
As Figuras 3.30 a 3.37 apresentam o resultados da eficiência de resfriamento
evaporativo para os painéis de fibras vegetais para a espessura de 0,1 m e vazão de
água 112,4 g/kg. Perante a análise efetuada neste trabalho de investigação foi
possível verificar que a eficiência calculada pela simulação numérica apresenta uma
boa correlação com resultados experimentais em todos os testes. Assim, pode-se
concluir que o algoritmo computacional implementado com base no modelo aqui
descrito se mostra válido para o seu uso no estudo de resfriamento evaporativo nos
paineis de fibras vegetais aqui estudados experimentalmente. Este algoritmo pode
ser uma ferramenta adequada para o projeto preliminar de sistemas de resfriamento
evaporativo utilizando as fibras de coco e luffa nas configurações de construção
descritas na presente tese.
Uma análise dos resultados aqui apresentados mostra que com o aumento da
vazão mássica de ar a eficiência de resfriamento evaporativo tende a diminuir.
Sendo que para a vazão de ar de aproximadamente 0,06 kg/s resgistrou-se a maior
eficiência de resfriamento evaporativo e 0,115 kg/s a menor. As eficiências dos
painéis de fibras de Coco e Esponja Vegetal ficaram muito próximas, pois a
construção dos arranjos eram parecidos, onde o painel de fibra de Coco possuia
108 Modelagem Matemática e Simulação
maior área superficial de contato ar-água, mas absorvia menos água na sua
estrutura. Isso era provocado devido as tramas das fibras de Esponja Vegetal
espandir quando molhadas e aumentar de volume, e assim, possuir menos manta na
sua estrutura.
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.30 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Coco
com = 0,1 m; ebsT = 36°C e
.
agm =112,4 g/s.
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.31 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Coco
com = 0,1 m; ebsT = 34°C e
.
agm =112,4 g/s.
109 Modelagem Matemática e Simulação
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.32 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Coco
com = 0,1 m; ebsT = 32°C e
.
agm =112,4 g/s.
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.33 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Coco
com = 0,1 m; ebsT = 30°C e
.
agm =112,4 g/s.
110 Modelagem Matemática e Simulação
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.34 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Esponja
Vegetal com = 0,1 m; ebsT = 36°C e
.
agm =112,4 g/s.
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.35 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Esponja
Vegetal com = 0,1 m; ebsT = 34°C e
.
agm =112,4 g/s.
111 Modelagem Matemática e Simulação
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.36 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Esponja
Vegetal com = 0,1 m; ebsT = 32°C e
.
agm =112,4 g/s.
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Vazão mássica de ar, kg/s
Numérica
Experimental
Figura 3.37 – Eficiência de resfriamento evaporativo de painel de contato ar-água de fibra de Esponja
Vegetal com = 0,1 m; ebsT = 30°C e
.
agm =112,4 g/s.
3.5.2 Análise paramétrica.
Foi desenvolvido um estudo paramétrico, com a influência de determinadas
variáveis, sobre a temperatura de bulbo seco de saída e eficiência de resfriamento
evaporativo dos painéis de contato ar-água fabricados de fibras vegetais. O objetivo
foi analisar parâmetros que influenciem a transferência de calor e massa, tais como
espessura, temperatura de bulbo seco de entrada, temperatura superficial da água e
umidade relativa de entrada. Com isto pode-se obter quais as melhores condições
112 Modelagem Matemática e Simulação
termofísicas e construtivas em busca da melhor eficiência utilizando este tipo de
arranjo. As Figuras 3.38, 3.40, 3.42 e 3.44 destacam a eficiência obtida através da
simulação numérica para o resfriamento evaporativo da fibra de Coco com = 0,1 a
0,22 m, ebsT =36 a 45°C, supT = 19 a 21°C, =10 a 24%,
.
arm = 0,06 kg/s. Verifica-se
nas Figuras 3.38 a 3.45 que a temperatura de bulbo seco de saída diminui em
função do aumento da espessura do painel de contato ar-água, enquanto a
eficiência de resfriamento evaporativo aumenta. Analisando as Figuras 3.38 e 3.40
verifica-se que a eficiência de resfriamento evaporativo aumentou um pouco com a
elevação da temperatura de bulbo seco de entrada, enquanto as Figuras 3.42 e 3.44
a eficiência reduziu um pouco. Isso ocorre devido a influência da temperatura
superficial da água que afeta diretamente o resultado. Observou-se que aumentando
a espessura nos painéis evaporativos a quantidade de água evaporada aumentou
devido um maior espaço de tempo e área superficial de contato ar-água, e o ar ainda
não estar saturado de umidade específica. Assim, através da simulação numérica
pode-se determinar a espessura ideal do painel evaporativo em função de uma faixa
de temperatura de bulbo seco e umidade relativa exterior, evitando redução ou
excesso de material, e minimizando o custo com a máxima eficiência de
resfriamento evaporativo possível.
54
74,01
90,41
96,21
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.38 – Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT =36°C, supT = 20°C, =24%,
.
arm = 0,06 kg/s.
113 Modelagem Matemática e Simulação
27,71
24,65
22,14
21,26
20
21
22
23
24
25
26
27
28
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Tem
pe
ratu
ra d
e b
ulb
o s
eco
de
sa
ida
, C
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.39 – Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT = 36°C, supT = 20°C, = 24%,
.
arm = 0,06 kg/s.
52
71,44
87,13
92,63
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.40 – Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT =40°C, supT = 21°C, =24%,
.
arm = 0,06 kg/s.
31,29
28,09
25,48
24,56
24
25
26
27
28
29
30
31
32
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Tem
pe
ratu
ra d
e b
ulb
o s
eco
de
sa
ida, C
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.41 – Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT = 40°C, supT = 21°C, = 24%,
.
arm = 0,06 kg/s.
114 Modelagem Matemática e Simulação
55,2
75,79
92,86
98,83
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Efi
ciê
ncia
de
re
sfr
iam
en
to (
), %
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.42 – Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT =40°C, supT = 19°C, =10%,
.
arm = 0,06 kg/s.
28,19
23,8
20,17
18,91
17
19
21
23
25
27
29
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Tem
pe
ratu
ra d
e b
ulb
o s
eco
de
sa
ida
, C
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.43 – Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT = 40°C, supT = 19°C, = 10%,
.
arm = 0,06 kg/s.
55,48
76,05
93,04
98,98
40
50
60
70
80
90
100
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Efi
ciê
nci
a d
e re
sfri
am
en
to (
), %
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.44 – Eficiência numérica de resfriamento para fibra de Coco com = 0,1 m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT =45°C, supT = 21°C, =10%,
.
arm = 0,06 kg/s.
115 Modelagem Matemática e Simulação
31,8
26,93
22,91
21,51
20
22
24
26
28
30
32
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Tem
pe
ratu
ra d
e b
ulb
o s
eco
de
sa
ida
, C
Espessura do painel evaporativo, m
Figura 3.45 – Temperatura de bulbo seco de saída para fibra de Coco com = 0,1m; 0,15 m; 0,2 m e
0,22 m, ebsT = 45°C, supT = 21°C, = 10%,
.
arm = 0,06 kg/s.
116
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
CAPÍTULO 4 - Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com
painéis de fibra vegetais
O resfriamento evaporativo possui uma gama de aplicação que envolve
residências, indústrias, agroindústrias, comércios, criatórios de animais, estufas de
plantas, conservação de equipamentos e objetos, pesquisas, entre outros, sendo
altamente recomendado seu uso em ambientes de grandes volumes de ar, e em
alguns casos recintos aberto, tais como: supermercados, igrejas, ginásios, aviários,
entre outros.
Segundo as informações obtidas com Climatempo (2010) para o dia 26 de
agosto de 2010, “Uma grande massa de ar quente e seco que predomina sobre
quase todo o Brasil deixa baixa a umidade do ar em parte da Região Sul, no
Sudeste e no Centro-Oeste e em parte das regiões Norte e Nordeste. A situação é
mais crítica nos estados do Centro-Oeste, no Distrito Federal, no interior de São
Paulo, no oeste de Minas e da Bahia e no sul do Tocantins e de Rondônia. Nestas
áreas a umidade relativa do ar pode ficar entre 10 e 15%, podendo ainda baixar um
pouco destes valores. Nas demais áreas destas regiões a umidade relativa do ar
durante as tardes varia entre 15 e 25%. Valores de umidade relativa abaixo de 12%
representam estado de emergência, entre 13 e 20% estado de alerta e entre 21 e
30% estado de atenção. A população destas áreas deve manter-se informada com a
defesa civil de seus estados, mas independentemente de qualquer aviso, a
hidratação através da ingestão de muito líquido torna-se importante. Além de uma
boa hidratação deve se evitar atividades físicas ao ar livre no período entre 10 e 17
horas, além de evitar grandes aglomerações”. Este tipo de reportagem no Brasil é
comum entre os meses de junho a agosto, podendo se estender um pouco mais,
principalmente nas regiões não litorâneas e abaixo da linha do Equador, e mostra
um grande nicho no mercado de conforto ambiental para empresários que queiram
investir em resfriamento evaporativo.
Observando os mapas das Figuras 4.1 a 4.24 verifica-se que as regiões
distantes da litoral brasileiro, abaixo da linha do equador e acima da região sul
ocorrem uma elevação da temperatura do ar e uma diminuição da umidade relativa
durante a maioria dos meses do ano, e assim, proporciona a utilização do
resfriamento evaporativo. Contudo, é necessário fazer uma análise mais criteriosa
sobre as condições climáticas médias para cada cidade que se pretende utilizar este
mecanismo para conforto ambiental.
117
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.1 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/01/2010 a 31/01/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.2 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/01/2010 a 31/01/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
118
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.3 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/02/2010 a 28/02/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.4 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/02/2010 a 28/02/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
119
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.5 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/03/2010 a 31/03/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.6 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/03/2010 a 31/03/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
120
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.7 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/04/2010 a 30/04/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.8 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/04/2010 a 30/04/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
121
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.9 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/05/2010 a 31/05/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.10 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/05/2010 a 31/05/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
122
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.11 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/06/2010 a 30/06/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.12 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/06/2010 a 30/06/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
123
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.13 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/07/2010 a 31/07/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.14 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/07/2010 a 31/07/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
124
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.15 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/08/2010 a 31/08/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.16 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/08/2010 a 31/08/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
125
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.17 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/09/2010 a 30/09/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.18 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/09/2010 a 30/09/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
126
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.19 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/10/2010 a 31/10/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.20 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/10/2010 a 31/10/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
127
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.21 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/11/2010 a 30/11/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.22 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/11/2010 a 30/11/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
%
°C
128
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Figura 4.23 – Umidade relativa do ar para o Brasil em 21/12/2010 a 31/12/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Figura 4.24 – Temperatura máxima do ar para o Brasil em a 21/12/2010 a 31/12/2010 (Em 20/06/2011: http://www.inmet.gov.br/html/observacoes.php?lnk=Mapas).
Segundo Stilpen (2007), considerando todas as possibilidades de adoção de
diagramas bioclimáticos para o Brasil, a opção mais adequada é a carta de Givoni
(1992). Esta decisão baseia-se em quatro aspectos principais, a saber:
%
°C
129
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
• Givoni desenvolveu um trabalho específico voltado para nações quentes e em
desenvolvimento;
A sua metodologia adota maiores limites de velocidade do ar para temperaturas
mais elevadas, coerentes com a realidade dos países de clima quente e úmido;
Seu trabalho foi fundamentado na aclimatação de indivíduos a climas quentes e
úmidos, sendo seu estudo confirmado por experimentos na Tailândia;
O espaço interno da edificação pode ser resfriado com menor consumo elétrico, já
que se adotou temperatura máxima para o conforto superior àquela observada em
outros modelos.
A Figura 4.25 destaca o diagrama bioclimático de Givoni (1992) dividido em 12
partes de uma carta psicrométrica para países em desenvolvimento (clima quente e
úmido). Trata-se de nove estratégias bioclimáticas e três áreas híbridas que
abrangem duas ou mais estratégias de forma individual ou simultaneamente. A
análise do diagrama bioclimático permite maior qualidade na informação, pois
possibilita a delimitação de zonas de atuação, por meio de estratégias, visando à
obtenção do conforto térmico.
As nove principais zonas são as seguintes:
1. Zona de Conforto (Condições favoráveis: bsT de 18 a 29°C; de 20 a 80%; de
4 a 17 g/kg; pmar de 0,83 a 0,87 m³/kg);
2. Zona de Ventilação (Condições favoráveis: bsT de 20 a 32°C; de 15 a 100%;
de 4 a 20,5 g/kg; pmar de 0,85 a 0,88 m³/kg);
3. Zona de Resfriamento Evaporativo (Condições favoráveis: bsT de 20 a 44°C;
buT 10,5 a 24°C; de 0 a 17 g/kg; de 0 a 75%);
4. Zona de Massa Térmica para Resfriamento (Condições favoráveis: bsT de 29 a
38°C; de 4 a 17g/kg; pmar de 0,87 a 0,89 m³/kg);
5. Zona de Condicionamento de Ar Convencional (Condições favoráveis:
bsT acima de 44°C; buT acima de 24°C; acima de 20,5 g/kg);
6. Zona de Umidificação (Condições favoráveis: bsT de 20 a 30°C; de 15 a 100%;
buT inferior a 10,5°C; de 0 a 4 g/kg);
7. Zona de Massa Térmica para Aquecimento (Condições favoráveis: bsT de 14 a
20°C; de 0 a 100%);
130
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
8. Zona de Aquecimento Solar Passivo (Condições favoráveis: bsT de 10,5 a 14°C;
de 0 a 100%);
9. Zona de Aquecimento Artificial (Condições favoráveis: bsT inferior a 10,5°C; de
0 a 100%).
Figura 4.25 - Diagrama bioclimático de Givoni (1992) com detalhamento dos limites de cada sub-zona da carta psicrométrica.
As regiões 10, 11 e 12 da carta de Givoni (1992) representam interseções entre
duas ou mais zonas e pode-se optar por uma ou mais táticas de mitigação térmica.
Eis as 3 áreas mistas:
1. Interseção entre a Zona de Ventilação (zona 2) e a Zona de Massa Térmica para
Resfriamento (zona 4);
2. Interseção entre a Zona de Ventilação (zona 2), a Zona de Resfriamento
Evaporativo (zona 3) e a Zona de Massa Térmica para Resfriamento (zona 4);
3. Interseção entre a Zona de Resfriamento Evaporativo (zona 3) e a Zona de Massa
Térmica para Resfriamento (zona 4).
Através do programa Analysis Bio desenvolvido no Laboratório de Eficiência
Energética em Edificações da UFSC, pode-se verificar quais os tipos de sistemas
mecânicos são mais adequados para uma determinada cidade brasileira. A Figura
131
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
4.26 foi encontrada utilizando um banco de dados das condições médias ambientais
anuais para a cidade de Brasília coletadas na estação meteorológica do aeroporto
internacional Presidente Juscelino Kubitschek, conforme Tabela 4.1. As
temperaturas médias máximas da Tabela 4.1 são relativamente altas e junto com as
umidades relativas médias baixas propiciam o emprego de resfriamento evaporativo
conforme zona de resfriamento evaporativo estabelecido pela Figura 4.26.
Tabela 4.1 – Condições meteorológicas médias para a cidade de Brasília – GO (Em 16/08/11: www.labeee.ufsc.br/downloads/softwares/analysis-bio).
Figura 4.26 – Ano Climático de Referência de Brasília - GO, plotado no programa Analysis Bio desenvolvido no Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da UFSC (Em 16/08/11:
www.labeee.ufsc.br/downloads/softwares/analysis-bio).
132
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Verifica-se na Figura 4.26 e Tabela 4.1 que a temperatura máxima média do ar
fica em torno de 25 a 29°C, e atende as condições de aplicação de sistemas de
ventilação ( bsT de 20 a 32°C) e resfriamento evaporativo ( bsT de 20 a 44°C).
Verifica-se também na Figura 4.26 e Tabela 4.1 que a umidade relativa média do ar
fica em torno de 49 a 79%, e atende as condições de aplicação de ventilação ( de
15 a 100%) e resfriamento evaporativo ( de 0 a 75%). Porém, as condições de
temperatura máxima média e a umidade relativa média do ar ficam fora da faixa
ideal para aplicação de sistemas de condicionamento de ar convencional ( bsT acima
de 44°C; buT acima de 24°C; acima de 20,5 g/kg). Mesmo assim, é comum o uso
do condicionador de ar convencional nestas condições, visto que, mesmo com um
custo operacional elevado as condições de conforto são facilmente estabelecidas
em um pequeno espaço de tempo.
De acordo com Munters (2010) o depoimento do Senhor Edis Ken Matsumoto,
proprietário da Fazenda Área Nova conforme Figura 4.27, mostra a satisfação com
sua instalação de grande porte e importância do resfriamento evaporativo no setor
de embalagem de frutas para exportação na região do Vale do São Francisco,
especificamente em Petrolina-Pe, Brasil: “A instalação dos equipamentos de
resfriamento evaporativo da Munters em nossos galpões de embalagem de uva, nos
proporcionou condições de temperatura e umidade relativa mais adequada para a
conservação da fruta, principalmente por se tratar de uma fruta sensível à
desidratação. Outro benefício indireto que obtivemos, mas não menos importante, foi
proporcionar aos nossos trabalhadores uma condição de temperatura e umidade
mais confortáveis, uma vez que a nossa região apresenta temperaturas elevadas e
umidades relativas baixas nos períodos de colheita”. Este produtor trabalha com
uva, mas outras frutas produzidas na mesma região de condições climáticas seguem
o mesmo raciocínio, ou seja, se o fruto perder umidade para o ar ele irá se
desidratar mudando suas características e perder peso, prejudicando seu preço de
mercado.
(a) Parreiral com uvas Crimson Seedless, Sugraone, Thompsom e Ribier.
133
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
(b) Setor de embalagem, câmara frigorífica, laboratório, refeitório e escritório.
Figura 4.27 – Fazenda Área Nova em Petrolina-PE (Em 10/04/2011: http://www.fazendaareanova.com.br/site/index.html).
4.1 Análise de custo de fabricação industrial de Climatizador evaporativo.
Em geral os aparelhos de resfriamento evaporativo têm um custo de operação
e manutenção menor que os condicionadores de ar convencionais, e assim, justifica
sua aplicação com baixo custo/benefício. Porém, deve-se notar que estas duas
tecnologias de resfriamento ambiental podem fornecer conforto, desde que a
unidade seja de tamanho adequado para a carga térmica exigida e o proprietário
esteja disposto a pagar a conta de energia elétrica gerada em função de suas
características construtivas e operacionais. Contudo, a eficiência de resfriamento do
climatizador evaporativo depende muito das condições climáticas locais. Assim, essa
comparação só é válida em contextos onde ambos podem fornecer o conforto
térmico adequado.
Analisando o custo de fabricação industrial utilizando como referência um
condicionador de ar Springer Modelo CA125 BB/RB 12.000 Btu/h e um ECOBRISA
EB-20 pode-se verificar no mercado que estes possuem um custo de aquisição em
torno de R$ 1.300,00 a 1.500,00. Considerando que o climatizador evaporativo
possui menos peças na sua estrutura e o custo de fabricação industrial de cada
peça é pequeno, o mesmo deveria ter um custo de aquisição bem menor. Contudo,
a demanda de condicionador de ar convencional é extremamente grande, assim, a
produção em escala industrial reduz o preço final com a procura correspondente. A
demanda de climatizador evaporativo também é grande, mas é necessário um
trabalho de marketing junto as Universidades e outras instituições educacionais de
renome, como também a mídia em geral, isto é, apresentando a população os
benefícios que um climatizador evaporativo pode proporcionar a saúde e economia,
e assim, aumentando a procura. Considerando que para ambientes com grandes
134
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
espaços volumétricos e/ou com áreas abertas o resfriamento evaporativo é mais
vantajoso.
As Figuras 4.28 (a) e (b) destaca um sistema de resfriamento evaporativo de
pequeno porte e a Figura 4.29 destaca um sistema de grande porte.
(a) Vista externa de um climatizador evaporativo marca ECOBRISA EB-20. (Em 23/06/2011: www.ecobrisa.com.br/).
(b) Climatizador evaporativo no Colégio COC de Piracicaba, SP-Brasil (Em 23/06/2011: www.clicknoticia.com.br/default.asp?not_codigo=418).
Figura 4.28 – Climatizador evaporativo de pequeno porte.
Figura 4.29 – Instalação de climatizador evaporativo de grande porte (Em 23/06/2011: www.newairventiladores.com.br/painéis-evaporativos.html).
O custo de aquisição de um climatizador evaporativo pode ser reduzido com
emprego de painéis fabricados a partir de fibras vegetais. As fibras vegetais podem
ser uma alternativa vantajosa do ponto de vista econômico e ambiental com uma
boa eficiência para um climatizador evaporativo. A Tabela 4.2 apresenta os dados
de produção em escala industrial de um climatizador evaporativo utilizando painel de
(a) Bandeja e ventilador centrífugo. (b) Instalação do Painel Evaporativo.
135
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Celulose Rígida Corrugada, fibra de Coco e Esponja Vegetal. O memorial de cálculo
referente à Tabela 4.2 se encontra no anexo “C”, e foi considerada para fins de
cálculo uma empresa industrial de pequeno porte conforme classificação por número
de empregados adotado pelo Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas
Empresas (20 a 99 empregados), e salários médios de funcionários de 130
empresas conforme pesquisa de mercado concluído pela Datafolha no mês de
dezembro 2009 e atualizada em 17/02/2010. Verifica-se na Tabela 4.2 que apenas o
item específico de cada painel evaporativo difere entre os três. Esta diferença
influência a receita mensal do total produzido em pequenos aparelhos. Contudo,
esse valor pode ser bem maior quando o sistema é de grande porte.
Tabela 4.2 – Estimativa do custo de produção de um climatizador evaporativo com painéis de fibras
vegetais e de Celulose (Custo Industrial).
Item Especificações R$
1 Total Custo Fixo Mensal (CFM) 61.791,86
1.1
Honorário de 1 Gerente administrativo e 1 Gerente Industrial
(Salário de mercado com 130 empresas segundo DATAFOLHA + encargos
sociais). Fonte (texto atualizado em 17/02/2010): datafolha.folha.uol.com.br
11.800,40
1.2 Pro labore dos Gerentes (50% do honorário dos Gerentes) 3.684,50
1.3 Mão de obra administrativa com impostos (em torno 22,86% do CFM) 14.237,60
1.4 Despesas administrativas (em torno 0,5% do Lucro bruto mensal) 7.500,00
1.5 Reserva manutenção e conservação (em torno 0,5% preço compra máquinas) 7.500,00
1.6 Seguro: Edifício, máquinas, estoque. (em torno 0,5% preço compra máquinas) 7.500,00
1.7 Depreciação máquina, equipamento, instrumento precisão, veículo, móveis 8.333,33
1.7.1 Preço de compra de máquinas, equipamentos e instrumentos de precisão 1.500.000,00
1.7.2 Valor residual após 5 anos de vida útil (-) 1.000.000,00
1.7.3 Perda do valor após 5 anos (Preço de compra - valor residual) 500.000
1.7.4 Perda do valor anual (Perda do valor após 5 anos / 5) 100.000
1.7.5 Perda do valor mensal ($ Perda anual / 12 meses) 8.333,33
1.7.6 Eventuais (em torno de 2% do CFM) 1.236,03
2 Quantidade de peças produzidas por mês 1.000
3 CFU = Custo Fixo Unitário mensal (Item 1 / Item 2) 61,79
4 Custo Unitário RE Mensal (Celulose) = item 3 + 8 + 9.1 + 10 + 11 + 12 + 13 281,75
5 Custo unitário do RE mensal (Coco) = item 3 + 8 + 9.2 + 10 + 11 + 12 + 13 280,75
6 Custo unitário do RE mensal (Esponja) = item 3 + 8 + 9.3 + 10 +11 +12 +13 306,75
7 % Incidências sobre vendas (Item 20) 75,6%
Custo unitário das matérias primas (Custo variável) =
8 Valor da compra da matéria prima sem o painel evaporativo, sem IPI 150,00
8.1 Exaustor de 3 velocidades de 1200 m³/h, 1/2CV, 220V/60HZ 40,00
136
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
8.2 Bomba de recirculação de água com vazão de X 20,00
8.3 Bandeja de PVC 5,00
8.4 Gabinete de fibra de vidro resistente e anticorrosivo 30,00
8.5 Sistema de distribuição d’água (Boia, tubulações, conexões) 10,00
8.6 Sistema elétrico (Chave seletora de 3 velocidades, lâmpada, timer) 30,00
8.7 Frente plástica de PVC com aletas direcionais na vertical e horizontal 10,00
8.8 Acessórios (Parafusos, porcas, arruelas, presilhas) 5,00
9.1 Painel de celulose (Dimensões: 0,2 x 0,6 x 0,1m) 17,00
9.2 Painel de fibra de Coco (Dimensões: 0,2 x 0,6 x 0,1m) 16,00
9.3 Painel de fibra de Esponja Vegetal (Dimensões: 0,2 x 0,3 x 0,1m) 42,00
10 Embalagem do climatizador evaporativo, 2% do item 9.1 + 8 (+) 3,34
11 Crédito do ICMS sem Matérias Primas, 17% do item 9.1 + 8 (-) 28,39
12 Frete sem compras (+) 55,00
13 Mão de obra direta mensal: Funcionários produção mais encargos sociais 23,01
Incidência sobre Preço de Venda (Custo variável)
14 Tributos Federais (IR e CSLL), 35%
15 ICMS, 17%
16 Comissões sobre vendas, 3%
17 Despesas Bancárias para cobertura da parcela do Capital de Giro, 5%
18 Energia elétrica, 0,5%
19 Água, 0,1%
20 Lucro Desejado, 15%
21 Total das incidências = 75,60%
22 Mark Up Divisor = 1 - Item 20 = 1 – 75,60% = 24,4%
23 Margem contribuição p/ o RE de Celulose (Item 35 – (4 – 3)) 934,76
24 Margem contribuição para o RE de fibra de Coco (Item 36 – (5 – 3)) 931,66
25 Margem cont. para o RE de fibra de Esponja (Item 37 – (6 – 3)) 1.012,21
26 Margem contribuição para o RE de Celulose (Item 23 / 35) 80,95%
27 Margem contribuição para o RE de fibra de Coco (Item 24 / 36) 80,97%
28 Margem cont. para o RE de fibra de Esponja (Item 25 / 37) 80,52%
Ponto de Equilíbrio
29 Em quantidades de produtos por mês para Celulose, (Item 1/Item 23) = 66 PÇ
30 Em quantidades de produtos por mês para a fibra de Coco, (Item 1/Item 24) = 66 PÇ
31 Em quantidades de produtos por mês p/ a fibra de Esponja, (Item 1/Item 25) = 61 PÇ
32 Em valor monetário total por mês para Celulose (Item 1/Item 35) 76.332,17
33 Em valor monetário total por mês para a fibra Coco (Item 1/Item 36) 76.314,20
34 Em valor monetário total por mês p/ a fibra Esponja (Item 1/Item 37) 76.745,64
Preço de Venda = (Mark-up divisor = 1 – 75,60 = 24,4%). Incidência sobre as vendas (75,60%)
= IR (35%), CSLL (17%), comissões (3%), despesas bancárias (5%), energia elétrica (0,5%),
água (0,1%), lucro desejado (15%).
137
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
35 Preço venda com Mark-up Divisor sem IPI p/ o RE de Celulose 1.154,71
36 Preço venda com Mark-up Divisor sem IPI para o RE de Coco 1.150,62
37 Preço venda com Mark up Divisor sem IPI p/ RE de Esponja 1.257,17
38 Preço venda com IPI para o RE de Celulose, Item 35 + 10% 1.270,19
39 Preço venda com IPI para o RE de Fibra de Coco, Item 36 + 10% 1.265,68
40 Preço venda com IPI p/ o RE de Fibra de Esponja, Item 37 + 10% 1.382,89
41
O preço venda para o climatizador evaporativo a ser praticado no
mercado deve estar próximo do praticado pelos concorrentes e depende
do financeiro-interno (lucro desejado, comissões, energia elétrica/água,
etc) e mercadológico-externo (preço/agressividade concorrentes,
conhecimento marca, volume vendas, tempo mercado, sazonalidade).
?
42 Lucro mensal RE Coco, IPI incluso (Item 38 – item 39) x item 2 4.508,20
43 Prejuízo mensal RE Esponja, IPI incluso (Item 38 – item 40) x item 2 (112.704,92
Uma empresa apura seus custos com vistas:
a) Ao atendimento de exigências legais quanto à apuração de resultados de suas
atividades e avaliação de estoques;
b) Ao conhecimento dos custos para a tomada de decisões corretas e o exercício
de controles.
Para atender às exigências legais, a empresa precisa adequar seus métodos
de apuração de custos aos princípios contábeis e estar em conformidade com as
normas e as legislações vigentes. Já para a tomada de decisões, podem ser
empregados quaisquer métodos de custeio capazes de fornecer informações que
atendam às necessidades gerenciais da empresa.
Os custos da análise da Tabela 4.2, estabelecidos de acordo com o anexo
“C”, foram classificados quanto ao nível de produção em fixo e variável. Essa
classificação ocorre em função do comportamento dos elementos de custo em
relação às possíveis mudanças na quantidade de produção do climatizador
evaporativo. Os custos fixos considerados decorrem da manutenção da estrutura
produtiva, independendo da quantidade que venha a ser fabricada dentro do limite
da capacidade instalada, e foram:
Honorários mensais e Pro labore dos Gerentes: Considerou-se o honorário de um
Gerente Administrativo e um Gerente de Produção, totalizando R$ 11.800,40 e o Pro
labore dos Gerentes como 50% dos salários dos mesmos sem os encargos sociais
(R$ 3.684,50) para os próximos cinco anos;
138
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Mão de obra indireta mensal (administrativo) de R$ 14.237,60: Somaram-se os
salários dos funcionários administrativos, incluindo 13° e encargos sociais. O custo
ficou em torno de 23,04% do custo fixo total mensal (CFM);
Despesas administrativas mensal de R$ 7.500,00, tais como material de
expediente, material para limpeza, telefone, correios, passagens, estadia, entre
outros. O valor ficou próximo de 0,59% do lucro bruto mensal;
Reserva para manutenção mensal de R$ 7.500,00 para computadores, carro,
equipamentos, etc. Esta reserva garante o funcionamento das diversas atividades da
empresa, evitando surpresas desagradáveis e foram considerados próximo de 0,5%
do preço de compra de máquinas, equipamentos, veículos, móveis e utensílios;
Para o seguro predial foi considerado uma cobertura básica de R$ 7.500,00 (0,5%
do preço de compra de máquinas, equipamentos, veículos, móveis e utensílios), que
envolve: incêndio, queda de raio e explosão de qualquer natureza;
Depreciação de máquinas, equipamentos, instrumentos de precisão, veículos,
móveis e utensílios. A depreciação é a reserva necessária para que após cinco anos
se tenha dinheiro em caixa para comprar um novo equipamento, pois as máquinas
velhas produzem menos e apresentam um alto custo de manutenção. O conceito de
depreciação está vinculado com o desgaste físico do bem depreciável, com a
dedução contábil-fiscal para a apuração do lucro tributável e com a recuperação do
capital investido.
Em relação à recuperação ao capital investido, a depreciação foi calculada
considerando cinco anos de vida útil das máquinas, equipamentos, instrumentos de
medição, veículos, móveis e utensílios, onde o preço de compra foi de R$ 1.500.000
e o valor residual após cinco anos foi de R$ 1.000.000. Assim, a perda do valor foi
de R$ 500.000 com perda anual de R$ 100.000. E, consequentemente, a perda de
valor mensal foi de R$ 8.333,33. Isto significa que daqui a cinco anos vendendo as
máquinas velhas por R$ 1.000.000 e economizando R$ 8.333,33 por mês têm-se os
recursos necessários para comprar máquinas novas.
A quantidade de peças produzidas por mês foi de 1.000 unidades e o custo de
fabricação do climatizador evaporativo de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft)
foi de R$ 281,75, para a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) foi de R$ 280,75 e
para a fibra de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) foi de R$ 306,75.
O valor Mark-up divisor foi de 24,4%. Este percentual é colocado sobre o custo
do climatizador evaporativo para se chegar ao preço de venda.
139
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
A margem de contribuição dos climatizadores evaporativos foi de R$ 934,76
com a Celulose, R$ 931,66 com fibra de Coco e R$ 1.012,21 com Esponja Vegetal.
A margem de contribuição representa o quanto à empresa tem para pagar as
despesas fixas e gerar o lucro líquido. É o valor que sobra das vendas menos o
custo direto variável e as despesas variáveis.
O ponto de equilíbrio mensal para o climatizador evaporativo com Celulose foi
de R$ 76.332,17 (66 aparelhos); com fibra de Coco foi de R$ 76.314,2 (66
aparelhos) e com Esponja Vegetal foi de R$ 76.745,64 (61 aparelhos). De acordo
com Ribeiro (2009) o ponto de equilíbrio, conforme Figura 4.30 é o ponto onde a
linha de vendas se encontra com a linha de custo total e informa o volume
necessário de vendas, no período considerado, para cobrir todas as despesas, fixas
e variáveis. Para um nível abaixo deste ponto, a empresa estará na zona de prejuízo
e acima dele, na zona da lucratividade. É o mínimo que se deve alcançar com
receitas para que não amargue com prejuízo.
Figura 4.30 – Ponto de equilíbrio mensal (Fonte: Livro Como Fazer Projetos de Viabilidade Econômica, Ribeiro - 2009).
O preço de venda calculado com a análise foi de R$ 1.270,19 com a Celulose
Rígida Corrugada (Papel Kraft), R$ 1.265,68 com a fibra de Coco (Cocos Nucifera
Linnaeus) e R$ 1.382,89 com a fibra de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica). O preço
de venda a ser praticado no mercado para o climatizador evaporativo é uma decisão
que envolve o aspecto financeiro-interno do fabricante e mercadológico-externo,
onde o preço de venda deverá estar próximo do praticado pelos concorrentes diretos
da mesma categoria de produto e qualidade, conhecimento de marca, tempo de
mercado, volume de vendas já conquistado e agressividade da concorrência. Onde
o lucro bruto mensal com a substituição do painel de Celulose Rígida Corrugada
pelo painel de fibra de Coco foi de R$ 4.508,2 e prejuízo utilizando o painel de fibra
Vendas
Custo Total
Custo Variável
Custo Fixo
Lucro
Prej.
R$
Quantidade
140
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
de Esponja Vegetal foi de R$ 112.704,92 (1000 aparelhos). O prejuízo do
climatizador utilizando fibra de Esponja Vegetal pode ser convertido em lucro com o
plantio desta espécie vegetal, pois o mercado ainda é carente da espécie de
Esponja Vegetal de metro. O intuito desta avaliação é destacar que o lucro obtido
com painéis de fibras vegetais em climatizadores de pequeno porte pode ser
lucrativo, e quando se trata de sistemas de grande porte este valor a favor dos
painéis de fibra vegetais é ainda maior, pois os painéis ocupam grandes extensões
de uma parede.
A Tabela 4.3 destaca a movimentação financeira da empresa Viva
Equipamentos Indústria e Comércio Ltda, detentora da marca ECOBRISA, que tem
como carro chefe a fabricação de climatizador evaporativo. A empresa é líder no
mercado nacional e pioneiro na utilização da tecnologia evaporativa de
climatizadores domésticos no Brasil e se prepara para dobrar a produção no verão
em relação a outubro de 2010. A mesma aumentou o número de funcionários dos
setores de vendas e produção em 25% para atender a demanda. Conforme
Clicknotícia (2010) “Até a segunda semana de novembro de 2010 estaremos com
todo o processo de produção e de entregas normalizados” – garantiu Paulo Gabarra,
diretor da empresa. O aumento inesperado da procura provocou um atraso nas
entregas de até 15 dias. Para manter o equilíbrio, a empresa suspendeu,
temporariamente, uma campanha publicitária no rádio iniciada no começo da
primavera. A empresa está deslocando toda a linha de produção para uma área 40%
maior que a atual, com 1000 metros quadrados, provando com base na receita de
vendas, que vale apena investir em conforto térmico com climatizadores
evaporativos. Observe a Tabela 4.3 que o lucro bruto de R$ 7.042.301 (2008) quase
dobrou em relação ao valor de R$ 4.105.895 (2007).
141
Viabilidade da aplicação do resfriamento evaporativo com painéis de fibras vegetais
Tabela 4.3 – Balanço financeiro da Viva Equipamentos Indústria e Comércio Ltda (Em 23/06/2011: http://intranet.gvces.com.br/arquivos/8._Ecobrisa.pdf).
Viva – Equipamentos 2005 2006 2007 2008
Receita Bruta de Vendas 6.764.799 7.844.665 10.022.745 15.500.000
(-) Devoluções de Vendas -488.356 -457.714 -957.654 -414.065
(-) Impostos Incidentes sobre Vendas -1.352.209 -1.404.621 -1.767.572 -2.480.771
Receita Líquida 4.924.234 5.982.329 7.297.519 12.605,164
(-) Custo dos Produtos Vendidos -2.822.775 -3.122.199 -3.191.624 -5.562.869
Custos Fixos -310.238 -343.442 -351.079 -611.915
Custos Variáveis -512.537 -2.778.757 -2.840.545 -4.950.948
Lucro Bruto 2.101,459 2.860.130 4.105.895 7.042.301
Margem Bruta 42,68% 47,81% 56,26% 55,87%
(-) Despesas Variáveis de Vendas -587.108 -663.540 -929.682 -1.636.495
(-) Despesas Gerais e Administrativas -1.104.377 -836.808 -925.639 -1.642.548
Lucro Operacional antes do IR 409.974 1.359.782 2.250.574 3.763.258
(-) Imposto de Renda -89.267 -158.549 -217.914 -274.192
Lucro Líquido 320.708 1.201.233 2.032.661 3.489.066
Margem Líquida 6,51% 20,08% 27,85% 27,68%
Demonstrativo do Fluxo de Caixa
Lucro Líquido 320.708 1.201.233 2.032.661 3.489.066
Depreciação 39.850 49.786 51.721 53.123
Geração Caixa antes de
Investimentos 360.558 1.251.019 2.084.381 3542.189
Investimentos
Ativo Fixo 73.755 158.336 220.000 285.000
Capital de Giro 286.803 1.094.683 1.864.381 3.257.189
142
Resultados e Discussões
CAPÍTULO 5 - Resultados e Discussões
É importante ressaltar que a umidade específica do ar externo (vapor de água
em suspensão no ar) não tem grandes alterações ao longo do dia, a não ser que
haja chuva ou estiver próximo de alguma fonte de água. Desta forma, possibilita a
estabilização das condições psicrométricas de entrada no painel de contato ar-água.
Mantendo constante a umidade específica de entrada no painel de contato ar-água e
aumentando a temperatura de bulbo seco deste ar, maiores quedas de temperatura
de bulbo seco são obtidas no fluxo de ar. Isso acontece porque, para uma
temperatura de bulbo seco de entrada maior, fixando-se a umidade específica,
obtêm-se umidades relativas menores. Quando a umidade específica do ar de
entrada é menor, tem-se um aumento na diferença da pressão parcial do vapor de
água entre o ar e a superfície úmida, favorecendo a transferência de massa entre a
água e o ar. Assim, uma maior quantidade de calor sensível do ar é necessária para
evaporação da água, resultando em maiores quedas de temperatura de bulbo seco
do ar.
Como esperado, a velocidade média do ar medida antes do painel de contato
ar-água é menor do que o valor calculado no interior do mesmo para todos os
painéis e condições de testes, visto que a área livre para o fluxo de ar é maior. As
Figuras 5.1 e 5.2 destacam a diferença de velocidade do ar antes e no interior do
painel evaporativo para a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) com espessura
de 0,1 m e 0,15 m para a vazão de água de 112,4 g/s.
0
0,5
1
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2
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3
3,5
0 0,05 0,1 0,15
Ve
loci
dad
e d
e a
r, m
/s
Vazão de ar, m³/s
Velocidade no interior do painel , m/s
Velocidade no Túnel antes do painel, m/s
Figura 5.1 – Velocidade do ar antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para fibra
de Coco com =0,1 m e agm.
=112,4 g/s.
143
Resultados e Discussões
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,05 0,1 0,15
Ve
loci
dad
e d
e a
r, m
/s
Vazão de ar, m³/s
Velocidade no interior do painel, m/s
Velocidade no Túnel antes do painel, m/s
Figura 5.2 – Velocidade do ar antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para fibra
de Coco com =0,15 m e agm.
=112,4 g/s.
O número de Reynolds ( Re ) das Figuras 5.3 e 5.4 evidenciam que, antes do
painel de fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus), ocorre uma região em regime
turbulento com Re > 2.300 (10.704,85 a 24.333,7) e, no interior do painel, o regime
muda para laminar com Re < 2.300 (275,99 a 627,37), onde 2.300 é o número
crítico de Reynolds quando surge regime de transição laminar e turbulento em
escoamento interno. Considerando que o número de Reynolds foi também menor no
interior do painel para as outras condições de testes para a fibra de Coco (Cocos
Nucifera Linnaeus), bem como, para o painel de fibra de Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica) e de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft).
0250050007500
10000125001500017500200002250025000
0 0,05 0,1 0,15
Nú
me
ro d
e R
eyn
old
s
Vazão de ar, m³/s
Reynolds no interior do painel
Reynolds no Túnel antes do painel
Figura 5.3 – Número de Reynolds antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para
fibra de Coco com =0,1 m e agm.
=112,4 g/s.
144
Resultados e Discussões
0250050007500
10000125001500017500200002250025000
0 0,05 0,1 0,15
Nú
me
ro d
e R
eyn
old
s
Vazão de ar, m³/s
Reynolds no interior do painel
Reynolds no Túnel antes do painel
Figura 4.4 – Número de Reynolds antes e no interior do painel versus vazão volumétrica de ar para
fibra de Coco com =0,15 m e agm.
=112,4 g/s.
Devido à pequena diferença entre as três vazões de água, conforme as Figuras
5.5 e 5.6, o número de Reynolds ( Re ) não se alterou. Assim, a eficiência de
resfriamento evaporativo dentro das mesmas condições de entrada também ficou
muito próxima, conforme Figuras 5.7, 5.8 e 5.9, onde se verifica estabilidade das
medições (Regime permanente). Para os outros dois painéis dentro das mesmas
condições de teste e alterando a vazão de água ocorreu o mesmo, como também
para os três painéis com outras condições de entrada.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4
Nú
me
ro d
e R
e d
o a
r
Velocidade do ar, m/s
Painel de Fibra de Coco com espessura de 0,1 m
VAZÃO 112,4 g/s (água)
VAZÃO 106,6 g/s (água)
VAZÃO 89,3 g/s (água)
Figura 5.5 – Número de Reynolds versus velocidade de ar para fibra de Coco com =0,1m e
agm.
=112,4; 106,6 e 89,3 g/s.
145
Resultados e Discussões
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3
Nú
me
ro d
e R
e d
o a
r
Velocidade do ar, m/s
Painel de Fibra de Coco com espessura de 0,15 m
VAZÃO 112,4 g/s (água)
VAZÃO 106,6 g/s (água)
VAZÃO 89,3 g/s (água)
Figura 5.6 – Número de Reynolds versus velocidade de ar para fibra de Coco com =0,15 m e
agm.
=112,4; 106,6 e 89,3 g/s.
5
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30
35
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85
90
15:50:24 15:53:17 15:56:10 15:59:02 16:01:55 16:04:48 16:07:41 16:10:34 16:13:26 16:16:19
Um
ida
de
re
lati
va
e e
fic
iên
cia
de
re
sfr
iam
en
to (
%)
Te
mp
era
tura
(°C
) e
um
ida
de
e
sp
ec
ífic
a (
g/k
g)
Tempo, hora
Tbs_E (36,29°C) Tbs_S (25,67°C) Tag_E (24,78°C)
Tag_S (18,9°C) Tbu_E (21,01°C) w_E (9,26 g/kg)
UR_E (24,31%) Eficiência (69,51%)
dt_ag = 5,88°C Consumo água = 1,9092 l/hdt_ar = 10,62°C
Figura 5.7 – Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do ar e temperatura da água para a
fibra de Coco com =0,1 m e agm.
=112,4g/s.
146
Resultados e Discussões
5
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85
15:30:14 15:33:07 15:36:00 15:38:53 15:41:46 15:44:38 15:47:31 15:50:24 15:53:17 15:56:10
Um
ida
de
re
lati
va
e e
fic
iên
cia
de
re
sfr
iam
en
to (
%)
Te
mp
era
tura
(°C
) e
um
ida
de
e
sp
ec
ífic
a (
g/k
g)
Tempo, hora
Tbs_E (36,43°C) Tbs_S (26,01°C) Tag_E (24,61°C)Tag_S (18,88°C) Tbu_E (21,1°C) w_E (9,35 g/kg)UR_E (24,36%) Eficiência (67,95%)
dt_ag = 5,72°C Consumo água = 1,8093 l/hdt_ar = 10,41°C
Figura 5.8 – Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do ar e temperatura da água para a
fibra de Coco com =0,1 m e agm.
=106,6g/s.
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15:04:19 15:07:12 15:10:05 15:12:58 15:15:50 15:18:43 15:21:36 15:24:29 15:27:22 15:30:14
Um
ida
de
re
lati
va
e e
fic
iên
cia
de
re
sfr
iam
en
to (
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Te
mp
era
tura
(°C
) e
um
ida
de
e
sp
ec
ífic
a (
g/k
g)
Tempo, hora
Tbs_E (36,58°C) Tbs_S (26,44°C) Tag_E (24,54°C)
Tag_S (18,93°C) Tbu_E (21,22°C) w_E (9,45 g/kg)
UR_E (24,41%) Eficiência (66,03%)
dt_ag = 5,61°C Consumo água = 1,7121 l/hdt_ar = 10,14°C
Figura 5.9 – Eficiência de resfriamento, condições psicrométricas do ar e temperatura da água para a
fibra de Coco com =0,1 m e agm.
=89,3g/s.
Verifica-se uma pequena variação na eficiência de resfriamento nas Figuras 5.7
a 5.9 que é em consequência da desumidificação provocada pela atuação da
serpentina evaporadora e pequena variação da umidade relativa do ar de entrada,
onde ocorre uma pequena flutuação de umidade específica. Observando a Figura
5.10 pode-se certificar que o aumento da velocidade média do ar provoca aumento
da perda de carga para os painéis de 0,15 m de espessura.
147
Resultados e Discussões
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0,5 1 1,5
Pe
rda
de
car
ga (
Pe
), P
a
Velocidade média (Vm), m/s
Celulose Coco Luffa
Figura 5.10 – Perda de carga versus velocidade média do ar através dos painéis com =0,15 m para
condições de entrada de ebsT , =36°C e e =24%.
Verifica-se, ao comparar os dados da eficiência de resfriamento evaporativo
obtidos no experimento desta Tese com as condições da Tabela 5.1 e da Figura
5.11, que os valores ficaram próximos da avaliação obtida pelo fabricante (Munters)
e do trabalho experimental de Vigoderis (2007), onde para a velocidade de 1,07 m/s
o fabricante (Munters) obteve 78% e Vigoderis (2007) obteve 79,6%, com
agm.
=270g/s. No experimento desta Tese obtiveram-se para a velocidade de 0,9 m/s
valores de 81,08% ( agm.
= 112,4 g/s), 83,42% ( agm.
= 106,6 g/s) e 84,49%
( agm.
=89,3g/s). Verifica-se, assim, que a eficiência tende a aumentar com a
diminuição da vazão de água que propicia uma parcela maior da evaporação desta
água. Considerando ainda que estes resultados podem ser influenciados pelas
condições de entrada do ar e da água no painel evaporativo.
Tabela 5.1 – Medidas de velocidade média do ar, diferença entre a pressão estática do ar (Pe) antes
e depois do painel evaporativo (Perda de carga) e eficiência de resfriamento do painel de Celulose
Rígida Corrugada do experimento de Vigoderis (2007).
Abertura
do
anteparo
Avaliação experimental Vigoderis (2007)
Celulose Rígida Corrugada
Painel: 123 x 31 x 15 cm (270 g/s água)
Resultados do Fabricante (Munters)
Celulose Rígida Corrugada
Painel: 123 x 31 x 15 cm (270 g/s água)
m (m/s) Pe (Pa) (%) m (m/s) Pe (Pa) (%)
1 1,07 4,9 79,6 1,07 3,2 78
2 1,38 6,9 77,5 1,38 6,1 76
3 1,51 9,8 76,9 1,51 8,8 74
148
Resultados e Discussões
Figura 5.11 – Eficiência de resfriamento versus velocidade média do ar com painéis =0,1m e
0,15m, condições de entrada de ebsT , =36°C e e =24%.
A perda de carga de um painel evaporativo pode ser afetada pelo arranjo
construtivo, rugosidade do material, vazão de água, vazão de ar e sua absorção de
água. O painel evaporativo de Celulose Rígida Corrugada Marca Munters utilizado
no experimento possui folhas de papel kraft com ondulações em ângulo de 45° e
outra desencontrada em ângulo de 15° (ângulos padrões de mercado). Existem
painéis de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) com ondulações desencontradas
de 45° x 15°, 45° x 30° e 45° x 45°. Os valores de perda de carga mudam um pouco
em função destas características construtivas do material e/ou condições de testes.
Cachuté et al. (2006) desenvolveram um trabalho no programa CFX para encontrar
a pressão estática de forma gradual em toda a extensão do percurso do fluxo de ar
em painéis evaporativos de Celulose Rígida Corrugada da marca General Shelters
of Texas. Neste trabalho eles não definem a vazão de água que foi usada e nem o
ângulo das ondulações das folhas de papel kraft. Considerando que a maior
influência no resultado da perda de carga para os painéis de Celulose Rígida
Corrugada (Papel Kraft) está correlacionada principalmente à velocidade do ar, os
valores obtidos neste trabalho de Tese (1,8 a 4,2 Pa com =0,61 a 1,18 m/s de ar, e
=0,15 m) estão próximos dos valores obtidos por Cachuté et al. (2006), pois na
faixa de velocidade de ar entre 0,5 a 1 m/s e espessura de 0,15 m eles conseguiram
obter pressão estática entre 0 e 7,85 Pa.
Para determinar a eficiência de resfriamento evaporativo utilizou-se a Equação
(3.11) determinada no Capítulo 3.
149
Resultados e Discussões
ssbsebs
sbsebs
TT
TT
,,
,,1
Liao e Chiu (2002) destacam o aumento da perda de carga em função do
aumento da velocidade média do ar no painel de contato ar-água, provocando uma
diminuição da eficiência de resfriamento. Para o trabalho de Tese, conforme Figura
5.10, ocorre um aumento na perda de carga com o aumento de velocidade. O
aumento da velocidade média do ar diminui a eficiência de resfriamento evaporativo
para todos os painéis, conforme Figura 5.11. Desta forma optou-se em fazer os
testes com velocidades médias baixas para o ar (em torno de 0,6 a 1,2 m/s).
A Figura 5.12 destaca o efeito do aumento da temperatura de bulbo seco de
entrada na eficiência de resfriamento evaporativo nos painéis de contato ar-água.
Verificam-se para os três painéis que a eficiência de resfriamento ficou em torno de
45 a 85% e seu aumento efetua-se em função do aumento da temperatura de bulbo
seco de entrada que ficou em torno de 30 a 37°C. Assim, quanto maior a
temperatura de bulbo seco do ar de entrada maior o fluxo de calor através do painel
evaporativo, e em consequência, maior será a evaporação de água que por sua vez
permite uma redução na temperatura de bulbo seco de saída e uma maior eficiência
de resfriamento evaporativo.
Figura 5.12 – Eficiência de resfriamento versus temperatura de bulbo seco do ar de entrada com
painéis de =0,1 m e 0,15 m.
Na Figura 5.13 verificam-se para os três tipos de painéis que a eficiência de
resfriamento evaporativo ficou em torno de 45 a 85% e seu aumento ocorre em
função do aumento da temperatura de bulbo úmido de entrada de 18 a 22°C. A
(3.11)
150
Resultados e Discussões
temperatura de bulbo úmido de entrada aumenta em função da temperatura de
bulbo seco de entrada, ou seja, da mesma forma a eficiência de resfriamento
evaporativo aumenta.
Figura 5.13 – Eficiência de resfriamento versus temperatura de bulbo úmido do ar de entrada com
painéis de =0,1 m e 0,15 m.
Analisando a Figura 5.14 verifica-se que o aumento da umidade relativa de
entrada diminui a eficiência de resfriamento. Verificam-se para os três tipos de
painéis que a eficiência de resfriamento ficou entre 45 a 85% e quando a umidade
relativa se eleva ocorre uma diminuição da eficiência. O aumento da umidade
relativa é provocado pelo aumento de umidade específica do ar (vapor de água em
suspensão no ar), e assim, como o ar fica mais saturado de umidade diminui a sua
capacidade de absorção de água evaporada e provoca uma diminuição da eficiência
de resfriamento evaporativo.
151
Resultados e Discussões
Figura 5.14 – Eficiência de resfriamento versus umidade relativa do ar de entrada com painéis de
=0,1 m e 0,15 m.
Na Figura 5.15 verifica-se que o aumento da redução de temperatura de bulbo
seco aumenta a eficiência de resfriamento. Verificam-se para os três tipos de painéis
que a eficiência de resfriamento ficou 45 a 85% e o aumento é devido ao aumento
da redução de temperatura de bulbo seco que obteve 5 a 14°C. Este aumento da
redução da temperatura de bulbo seco é provocado pelo aumento da temperatura de
bulbo seco de entrada e/ou diminuição da umidade relativa do ar, que contribui para
uma maior evaporação de água e redução na temperatura de bulbo seco de saída.
Figura 5.15 – Eficiência de resfriamento versus redução da temperatura de bulbo seco com painéis
de =0,1 m e 0,15 m.
152
CONCLUSÕES
Mostrou-se aqui um estudo bibliográfico intensivo e os principais tipos e
características de climatizadores evaporativos (RED, REI e misto); salientaram-
se aspectos econômicos, aspectos de análise do impacto ambiental e florestal,
e aspectos de análise referentes à saúde dos ocupantes do recinto; realizaram-
se testes experimentais da eficiência de resfriamento evaporativo com painéis
de contato ar-água, como também ensaios para caracterizar cada painel e faixa
de condições de testes; desenvolveram-se uma modelagem matemática e
simulação numérica e, por fim, executou-se uma análise da produção em
escala industrial de climatizadores evaporativos com painéis vegetais e
Celulose Rígida Corrugada.
Diante dos resultados obtidos, pode-se afirmar que a eficiência de
resfriamento evaporativo é maior com o aumento da temperatura de bulbo seco
de entrada, da temperatura de bulbo úmido de entrada e da redução de
temperatura de bulbo seco, como também, menor forem a velocidade e a
umidade relativa do ar de entrada. Outro fator que deve ser levado em
consideração é a área superficial de interface ar-água, pois, quanto maior for
essa área, maior será a transferência de calor e massa. Para exemplificar, a
eficiência de resfriamento evaporativo para todos os painéis com espessura de
0,15 m foi maior que aquela observada para todos os painéis com 0,1 m de
espessura. Na situação em que a temperatura de bulbo seco de entrada do ar
foi de 36°C para o painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) com
0,15m de espessura, registrou-se uma diminuição da temperatura de bulbo
seco do ar de 13,01°C ( =84,36%), enquanto que, na situação em que a
temperatura de bulbo seco de entrada foi de 36°C com 0,1 m de espessura, a
queda de temperatura de bulbo seco foi de 11,41°C ( =74,52%). Para os
outros painéis ocorreu o mesmo, ou seja, a eficiência foi melhor com a
espessura de 0,15m.
A eficiência de resfriamento evaporativo para os painéis de fibras vegetais
de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) e Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica)
revelaram uma pequena diferença favorável para a fibra de Coco (Cocos
Nucifera Linnaeus), isto é, para a melhor condição de teste a fibra de Coco
(Cocos Nucifera Linnaeus) obteve 79,51% com uma redução de temperatura
153
de bulbo seco de 12,14°C e a fibra de Esponja Vegetal (Luffa Cilíndrica) obteve
77,2% com uma redução de temperatura de bulbo seco de 11,87°C. Pode-se
afirmar que os dois materiais obtiveram resultado de eficiência de resfriamento
praticamente igual, visto que o valor é considerado uma média e a temperatura
de bulbo seco e umidade relativa do ar de entrada variaram pouco. Além disso,
a área superficial de contato ar-água da fibra de Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica) é um pouco menor, correspondendo a 4,08 m² (0,15 m de
espessura), e a fibra de Coco (Cocos Nucifera Linnaeus) correspondendo a
4,284 m² (0,15 m de espessura). O painel de fibra de Coco (Cocos Nucifera
Linnaeus) possui melhor eficiência de resfriamento evaporativo. Entretanto, é
importante salientar que suas fibras são presas com uma resina à base de
látex, que altera suas propriedades, fazendo com que parte de suas fibras seja
perdida, o que pode alterar a eficiência de resfriamento com o passar do tempo
e ainda diminuir sua durabilidade. Já a manta de Esponja Vegetal (Luffa
Cilíndrica) possui as fibras presas naturalmente, e assim, seu rendimento não
se altera com o passar do tempo.
O modelo matemático proposto para obtenção da eficiência de
resfriamento evaporativo envolvendo transferência de calor e massa se
mostrou consistente quando comparado com os dados da eficiência obtidos de
forma experimental. Inicialmente definiu-se o volume de controle para a região
de análise do problema físico, formularam-se as hipóteses e selecionaram-se
as variáveis de estado que descrevem a evolução do sistema e as variáveis de
controle que agem sobre o sistema, onde se formulou o problema físico. Foram
realizadas as devidas simplificações considerando as hipóteses e a linguagem
matemática em diferença finita. Para validação do modelo matemático proposto
os dados de eficiência de resfriamento evaporativo da simulação numérica
foram confrontados com os dados da eficiência de resfriamento evaporativo
obtido a partir das condições experimentais. Para exemplificar a eficiência de
resfriamento com dados experimentais para a fibra de Coco com temperatura
de bulbo seco de 36°C e 24% de umidade relativa de entrada, vazão de água
de 89,3 g/s, vazão de ar de 0,05 m³/s e 0,15 m de espessura foram de 70% e
na simulação numérica atingiu 67%.
Não se pode deixar de salientar que a análise do custo de produção
industrial mostrou que vale a pena investir em sistema de resfriamento
154
evaporativo, pois a estimativa do custo de produção de um climatizador
evaporativo utilizando fibras de Coco foi vantajosa. E quando o painel
evaporativo de fibra de Coco for utilizado em sistemas de grande porte que
envolve grandes áreas de climatização, o lucro é mais significativo. Já o painel
de fibra de Esponja Vegetal depende do plantio em larga escala para se tornar
lucrativo. Outro ponto a destacar foi o balanço financeiro demonstrado de um
fabricante de climatizador evaporativo, onde a lucratividade cresce
significativamente ano a ano.
Diante dos dados obtidos no trabalho de Tese, fica evidente que as fibras
vegetais possuem um grande potencial de aproveitamento como painel de
contato ar-água em sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED),
e devem ser mais bem aproveitadas pelas empresas fabricantes desses
aparelhos. Vale frisar, como já mencionado, que os climatizadores evaporativos
são mais eficientes quando operam em regiões e/ou épocas do ano de clima
quente e seco com temperaturas do ar externo elevadas e baixa umidade
relativa, proporcionando temperaturas de bulbo seco do ar mais baixas nessas
situações.
155
Sugestões para Trabalhos Futuros
Como sugestões para futuros trabalhos com resfriamento evaporativo
pode-se citar:
1. Desenvolver pesquisas da eficiência de resfriamento com outros tipos de
fibras vegetais, tais como a fibra de Juta, Sisal e Bananeira;
2. Desenvolver uma análise da capacidade de retenção de sais minerais das
fibras selecionadas em função do tempo, colocando as mesmas mergulhadas
em água do mar. Como também, uma análise dessas mesmas fibras
submersas em água com baixo teor de sais minerais (menor que 20 mg/l);
3. Analisar o comportamento das fibras vegetais quando submersas em água
com pH menor que 7 (ácida) e maior que 8 (alcalina);
4. Quantificar a presença de fungos e bactérias nos painéis de contato ar-água
e analisar a capacidade de proliferação dos mesmos em função do tempo;
5. Desenvolver pesquisas utilizando configurações diferentes, como também
painéis de telas plásticas onduladas e chapa de metal em ziguezague;
6. Pesquisar sobre o conforto ambiental específico para estufas com plantas e
animais, como também conservação de máquinas/equipamentos ou objetos;
7. Desenvolver uma análise de viabilidade econômica para o uso de painéis de
contato ar-água em resfriamento evaporativo com materiais alternativos a
Celulose Rígida Corrugada;
8. Desenvolver um modelo matemático do processo de transferência de calor e
massa e uma simulação numérica em diferença finita para determinação da
eficiência de resfriamento evaporativo do painel de contato ar-água.
156
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alodan, M. A. e Al-Faraj, A. A. Design and Evaluation of Galvanized Metal
Sheets as Evaporative Cooling Pads. Agricultural Engineering, v.18, n.1,
pp.9-18. Aug/Fev. 2005.
Al-Sulaiman, F.. Evaluation of the performance of local fibers in evaporative
cooling. Energy Conversion and Management, v.43, n.16, pp.267-2273.
Feb/Jun. 2002.
Araújo, S. D. O. Análise do Desempenho Térmico de Fibras Vegetais em
Sistemas de Resfriamento Evaporativo [Dissertação de Mestrado]. Recife:
Universidade Federal de Pernambuco, Pernambuco - UFPE. Curso de
Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica. 2006.
Ashrae Sandart 133. Method of testing direct evaporative air coolers. p.24.
2008.
Barros, R. R.. Bancada experimental para teste de enchimentos usados em
climatizadores evaporativos [Dissertação de Mestrado]. Recife: Universidade
Federal de Pernambuco, Pernambuco - UFPE. Curso de Engenharia
Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica. 2005.
Cachuté, L. O., Novaes, J. C. P., Chaves, C. A., Lombardi, J. C. e Camargo, J.
R.. Metodologia para determinação qualitativa da queda de pressão em
painel evaporativo em unidade de resfriamento evaporativo direto através do
código CFX. Em: 16° Simpósio de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia UFU, Faculdade de
Engenharia Mecânica, Brasil. p.9. 2006.
Camargo, J. R., Ebinuma, C. D. and Silveira, J. L.. Experimental performance of
a direct evaporative cooler operating during summer in a Brazilian city.
International Journal of Refrigeration, v.28, pp.1124-1132. 2005.
157
Camargo, J. R., Ebinuma, C. D. e Cardoso, S. Three methods to evaluate the
use of evaporative cooling for human thermal comfort. Revista de
Engenharia Térmica, Universidade de Fortaleza - UNIFOR, Fortaleza, v.5,
n.2, pp.09-15, dez. 2006.
Carossi, G. A. B., Resfriamento evaporativo: Estudo do potencial de sua
aplicação no Brasil [Dissertação de mestrado]. Uberlândia: Universidade
Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Minas Gerais.
2006.
Castro, W.P. and Pimenta, J. M. D.. Modelagem e simulação de painéis
evaporativos diretos. Departamento de Engenharia Mecânica. Em: 10°
Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering - ENCIT 2004,
Universidade de Brasília, Brasil. p.9. 2004.
Chengqin, R., Nianping, L. and Guangfa, T.. Principles of exergy analysis in
HVAC and evaluation of evaporative cooling schemes. Building and
Environment, v.37, pp. 1045-1055. 2002.
Climatempo [www.climatempo.com.br]. Ar muito seco durante as tardes.
Disponível em: [www.climatempo.com.br/destaques/2010/08/26/ar-muito-
seco-durante-as-tardes/].
Dai, Y. J. and Sumathy, K.. Theorical Study on a Cross-flow Direct Evaporative
Cooler Using Honeycomb Paper as Packing Material. Applied Thermal
Engineering, v.22, pp.1417-1430. 2002.
Empresa Brasileira de Extensão Rural – EMATER [www.emater.df.gov.br].
Pesquisa de mercado sobre Esponja Vegetal. Disponível em:
www.emater.df.gov.br/sites/200/229/agroinf/buchavegetal.doc [atualizado em
27 de junho de 2011].
Figliola, R. S. e Beasley, D. E.. Teoria e projeto para medições mecânicas. Ed.
LTC, 4ª ed., p.424. 2007.
158
Fuchs, M., Cohen, LI, Y. and Grava, A.. Evaporative cooling pad attenuates
osmotic stress in closed-loop irrigated greenhouse roses. Water and
Environmental Sciences, v.111. pp.56-62. 2006.
Heidarinejad. Gh. and Bozorgmehr, M.. Modeling of Indirect Evaporative Air
Coolers. Building and Housing Research Centre, Iran and University of
Tarbiat Modares, Iran. In: 2° PALENC Conference and 28th AIVC
Conference on Building Low Energy Cooling and Advanced Ventilation
Technologies in the 21st Century, Crete Island, Greece. p.5. 2007.
Hosseini, R., Beshkani, A. and Soltani, M.. Performance improvement of gas
turbines of Fars (Iran) combined cycle power plant by intake air cooling using
a media evaporative cooler. Energy Conversion and Management, v.48.
pp.1055-1064. 2007.
Incropera, F. P.; Dewitt, D. P.. Fundamentos de transferência de calor e massa,
Rio de Janeiro, R.J. Ed. LTC, p.494. 1998.
International Organization for Standardization. Performance testing using
standardized airways: ISO 5801. Switzerland, 2007. p.228.
Ismail, K. A. R.. Técnicas de medidas e instrumentação. Campinas, S.P., Ed.
Imagem, p.369. 2000.
Jain, D.. Modeling the performance of greenhouse with packed bed thermal
storage on crop drying application. Journal of Food Engineering, v.71,
pp.170-178.May/Oct. 2004.
Jornal Alto Taquaral [http://www.clicknoticia.com.br]. Calor alavanca vendas de
climatizadores de ar. Disponível em:
http://www.clicknoticia.com.br/default.asp?not_codigo=322
159
Joud, K. A., and Mehdi, S. M. Application of indirect evaporative cooling to
variable domestic cooling load. Energy Conversion & Management, v.41,
pp.1931-1951. 2000.
Kant, K., Kumar, A. and Mullick, S. C.. Space conditioning using evaporative
cooling for summers in Delhi. Building and Environment, v.36, pp.15-25. Sep.
1998 / Sep. 1999. 2002.
Kulkarni, R. K and Rajput, S. P. S.. Theoretical performance analysis of jute
fiber rope bank as media in evaporative coolers. Indian Journal of Science
and Technology, v.3, n.10, oct. 2010.
Lazzarin, R. M.. Introduction of a simple diagram-based method for analyzing
evaporative cooling. Applied Thermal Engineering, v.27. pp. 2011-2025.
2007.
Leal, P. A. M. Avaliação energética e exergética de um sistema gerador de
processos psicrométricos [Tese de Doutorado]. Campinas: Universidade de
Campinas – UNICAMP. Curso de Engenharia Agrícola. 1997.
Liao, C.M.; and Chiu, K.H., 2002. Wind tunnel modeling the system
performance of alternative evaporative cooling pads in Taiwan region.
Building and Environment, v.37. pp.177-187. 2002.
Lopes, A. O. R., Gabarra, G. R. C. e Lima, B. W. F.. Ar condicionado versus
climatizadores por evaporação. Revista Ciência do Ambiente, Universidade
de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, São Paulo, v.2, n.2, ag.
2006.
Macher, J. M., Girman, J. R., and Alevantis, L. A. Limited water-to-air bacterial
transfer from a residential evaporative air cooler. Environmet International,
v.21, pp.761-764. 1995.
160
Maheshwari, G. P., Al-Ragom, F. and Suri, R. K.. Energy-saving potential of an
indirect evaporative cooler. Applied Energy, v.69, pp.69-76. 2001.
Moreira, J. R. S., Fundamentos e Aplicações da Psicrometria. São Paulo, S.P..
Ed.RPA, p.194. 1999.
Munters [www.munters.com.br]. Estudo de caso: Resfriamento Evaporativo em
Packing house. Disponível em: http://www.munters.com.br/pt-
BR/br/Produtos--Servicos/Areas-de-Atuacao/Estudos-de-caso/K---
P/Petrolina/ [atualizado em 30 de julho de 2011].
Netto, J. M. A, Alvaez, G. Manual de Hidráulica. Ed. Blucher, ed.8, p.680. 1998.
Paz, A. B. R.. Tratamento químico da água para a redução dos riscos
associados a Legionella em sistemas de resfriamento recirculante [Trabalho
de conclusão de Curso]. Universidade Estadual do Maranhão. Curso de
Engenharia Mecânica. 2005.
Rawangkul, R. Khedari, J., Hirunlabh, J. and Zeghmati, B.. Performance
analysis of a new sustainable evaporative cooling pad made from coconut
coir. International Journal of Sustainable Engineering. v.1, n.2, pp.117-131.
dec/jun. 2008.
Ribeiro, C. V. T.. Como fazer projetos de viabilidade econômica. Ed. Carlini &
Caniato Editorial, ed.4, p.313.2009.
Rosa, J.F.V.. Avaliação de painéis porosos constituídos de argila expandida em
sistemas de resfriamento adiabático evaporativo [Tese de Doutorado].
Universidade Federal de Viçosa – UFV. Curso de Engenharia Agrícola.
2009.
Sachdeva, A., Chaube, A. and Rajput, S. P.. Feasibility of Evaporative Cooling
in Índia: A Case Study. International Journal of Science & Tecnology. v.1,
n.2, pp.185-196. 2010.
161
Santos, A. M.. Estudo de compósitos híbridos polipropileno / Fibras de vidro e
coco para aplicações em engenharia [Dissertação de mestrado].
Universidade Federal do Paraná. Curso de Engenharia Mecânica. 2006.
Silva, C. E.. Comparação de painéis evaporativos de argila expandida e
celulose para sistemas de resfriamento evaporativo adiabático do ar em
galpões avícolas com pressão negativa em modo túnel [Tese de Doutorado].
Universidade Federal de Viçosa – UFV. Curso de Engenharia Agrícola.
2002.
Singh, A. K., Singh, H., Singh, S. P. and Sawhney, R. L.. Numerical calculation
of psychrometric properties on a calculator. Building an Environment, v.37,
pp.415-419. 2002.
Stilpen, D. V. S.. Eficiência energética e arquitetura bioclimática – O caso do
centro de energia e tecnologias. [Dissertação de Mestrado]. Universidade
Federal do Rio de Janeiro – UFRJ. Curso de Engenharia Civil. 2007.
Strobel, B. R., Stowell R. R.; and Short, T. H. Evaporative cooling pads: use in
lowering indoor air temperature. Ohio State University Fact Sheet: Food,
Agricultural and Biological Engineering. Disponível em http://www2.ag.ohio-
state.edu/~ohioline/aex-fact/0127.html [atualizado em 27 de junho de 2011].
Vigoderis, R. B., Tinoco, I. F. F., Filho, A., F. L., Silva, J. N., Gates, R. S., Pauli,
D. G., Silva, C. E. e Guimarães M. C. C.. Construção de túnel de vento
reduzido, visando à avaliação de argila expandida em sistemas de
resfriamento adiabático evaporativo para arrefecimento térmico em galpões
de produção animal. Engenharia na Agricultura, v.15, pp.191-199. 2007.
Viva Equipamentos Indústria e Comércio [http://www.ecobrisa.com.br].
Fabricação e venda de “ar condicionado” popular e ecológico. Disponível
em: http://intranet.gvces.com.br/arquivos/8._Ecobrisa.pdf [atualizado em 27
de junho de 2011].
162
Wu, J. M., Huang, X. and Zhang, H.. Theorical analysis on heat and mass
transfer in a direct evaporative cooler. Applied Thermal Engineering, v.29,
pp.980-984. 2009.
Wu, J. M., Huang., X. and Zhang, H.. Numerical investigation on the heat and
mass transfer in a direct evaporative cooler. Applied Thermal Engineering,
v.29, pp.195-201. Oc./Feb. 2008.
163
ANEXO
164
ANEXO A
Calibração dos termopares
A qualidade principal de um instrumento ou padrão de medição é a de
medir com o mínimo de erro, isto é, um instrumento de medição de boa
qualidade deve ser capaz de apresentar resultados com pequenos erros de
medição. Seus princípios construtivos e operacionais devem ser projetados
para minimizar os erros de medição. Entretanto, por melhor que sejam as
características de um instrumento de medição, este sempre apresentará erros.
A perfeita caracterização destes erros é de grande importância para que o
resultado da medição possa ser determinado de maneira segura.
Com o desenvolvimento tecnológico cada vez mais aumentam as
exigências em termos de conhecer e melhorar a incerteza dos instrumentos de
medição, característica esta que é assegurada através da calibração dos
instrumentos. Sabendo que a calibração é uma comparação entre os valores
indicados pelo instrumento de medição que está sendo calibrado e os valores
correspondentes definidos por padrões (instrumento calibrado). Onde o ajuste
do instrumento deve ser realizado para minimizar os erros de medição e que
fiquem dentro de uma faixa de valores aceitável de medida.
1. Calibração dos sensores de temperatura – termopares tipo “T” (Cobre-
constantan)
Os termopares selecionados foram do tipo “T” conforme a Tab.A1, que
podem ser utilizados na faixa de temperatura entre 0 e 370ºC, sendo que as
temperaturas coletadas no experimento variam na faixa de 15 a 40ºC.
Os termopares foram calibrados tendo como padrão um termômetro de
vidro Marca Cole-Parmer, modelo U-08004-42, faixa de temperatura de 0 a
80°C e resolução de 0,1°C. Os termopares e o termômetro de vidro foram
imersos numa garrafa térmica com água, conforme Fig.A1. As temperaturas
165
variaram entre 5,3 a 5,5°C para a primeira medição; 21,8 a 21,9°C para a
segunda medição e 41,4 a 41,5°C para a terceira medição.
Tabela A1. Condições de operação de termopares, conforme Norma ASTM
E230 (Em 20/07/11: http://www.edtec.com.br/acessorios.htm).
Tipos de
Termopares
Faixa de
Temperatura
Limites de Erro
Standard
(escolher o maior)
Especial
(escolher o maior)
T 0 a 370°C ± 1°C ou ± 0,75% ± 0,5°C ou ± 0,4%
J 0 a 760°C ± 2,2°C ou ± 0,75% ± 1,1°C ou ± 0,4%
E 0 a 870°C ± 1,7°C ou ± 0,5% ± 1°C ou ± 0,4%
K/N 0 a 1260°C ± 2,2°C ou ± 0,75% ± 1,1°C ou ± 0,4%
S/R 0 a 1480°C ± 1,5°C ou ± 0,25% ± 0,6°C ou ± 0,1%
B 870 a 1700°C ± 0,5% ± 0,25%
Figura A1 - Termopares e termômetro inserido numa garrafa térmica com água.
O coeficiente de determinação R² (quadrado do coeficiente de correlação
de Person) é a medida da aproximação dos dados à reta. E quanto mais
próximo de 1 maior o ajuste do modelo. Na calibração dos termopares o
coeficiente R² ficou muito próximo de 1. Isto significa os valores medidos estão
muito próximos do verdadeiro, lido pelo termômetro de vidro e validando a
calibração, conforme Fig.A2 a A24. As equações representadas por “y” é uma
166
expressão analítica da curva que melhor se ajusta ao conjunto de pontos e
foram utilizadas na correção dos valores de temperatura medidos no trabalho
experimental.
Figura A2 - Temperatura lida pelo termopar T-1 versus termômetro de vidro.
Figura A3 - Temperatura lida pelo termopar T-2 versus termômetro de vidro.
167
Figura A4 - Temperatura lida pelo termopar T-4 versus termômetro de vidro.
Figura A5 - Temperatura lida pelo termopar T-5 versus termômetro de vidro.
Figura A6 - Temperatura lida pelo termopar T-6 versus termômetro de vidro.
168
Figura A7 - Temperatura lida pelo termopar T-7 versus termômetro de vidro.
Figura A8 - Temperatura lida pelo termopar T-8 versus termômetro de vidro.
Figura A9 - Temperatura lida pelo termopar T-11 versus termômetro de vidro.
169
Figura A10 - Temperatura lida pelo termopar T-12 versus termômetro de vidro.
Figura A11 - Temperatura lida pelo termopar T-14 versus termômetro de vidro.
Figura A12 - Temperatura lida pelo termopar T-17 versus termômetro de vidro.
170
Figura A13 - Temperatura lida pelo termopar T-18 versus termômetro de vidro.
Figura A14 - Temperatura lida pelo termopar T-19 versus termômetro de vidro.
Figura A15 - Temperatura lida pelo termopar T-20 versus termômetro de vidro.
171
Figura A16 - Temperatura lida pelo termopar T-21 versus termômetro de vidro.
Figura A17 - Temperatura lida pelo termopar T-22 versus termômetro de vidro.
Figura A18 - Temperatura lida pelo termopar T-23 versus termômetro de vidro.
172
Figura A19 - Temperatura lida pelo termopar T-25 versus termômetro de vidro.
Figura A20 - Temperatura lida pelo termopar T-26 versus termômetro de vidro.
Figura A21 - Temperatura lida pelo termopar T-27 versus termômetro de vidro.
173
Figura A22 - Temperatura lida pelo termopar T-28 versus termômetro de vidro.
Figura A23 - Temperatura lida pelo termopar T-29 versus termômetro de vidro.
Figura A24 - Temperatura lida pelo termopar T-30 versus termômetro de vidro.
174
ANEXO B
Análise de Estatística dos Erros das Medições Experimentais
Segundo Ismail (2003) quando uma incerteza é avaliada e relatada de uma
maneira específica, ela indica o nível de confiança em que o valor realmente
cai dentro de uma amplitude definida pelo intervalo de incerteza, ou seja, a
incerteza indica quantitativamente a qualidade de um resultado. Assim, uma
medida experimental é satisfatoriamente representada quando a esta medida é
atribuído um erro, ao qual a medida está sujeita. Quando efetuamos uma
medida ou várias medidas (nas mesmas condições e grandeza), o valor dessa
grandeza deve ser expresso pela relação: __
xxx . Para os casos onde é
realizada uma única medida, x é a própria medida, e para várias medidas é a
média aritmética dos valores medidos mais ou menos o desvio padrão destas
medidas. O _
x é chamado de desvio padrão para várias medidas e para
uma única medida é chamado de incerteza de resolução ou absoluta, e tem o
valor da metade da menor medida do instrumento.
Há de considerar ainda a quantidade de algarismos significativos para
representar a medida. A medida de uma grandeza física é sempre aproximada,
por mais capaz que seja o operador e por mais preciso que seja o aparelho
utilizado. Além de utilizarmos algarismos que temos certeza de estarem
corretos, admite-se o uso de apenas um algarismo duvidoso. O número de
algarismos significativos está diretamente ligado à precisão da medida, ou seja,
quanto mais precisa a medida maior é o numero de algarismos significativos,
contudo, se o erro da medida está na casa dos décimos, por exemplo, não faz
sentido fornecer os algarismos correspondentes aos centésimos e milésimos.
Caso uma grandeza varie constantemente em torno da média aritmética e
sua amplitude ultrapasse o valor da resolução do instrumento, não deve ser
aplicado o método da metade da resolução do instrumento para contabilizar a
incerteza, pois o “erro” da medida será subestimado. Esta é uma situação onde
deve ser aplicado o bom senso, a experiência do experimentador ou uma
análise estatística para estimar a incerteza da medida.
175
1) ERRO EXPERIMENTAL
Conceitualmente, o erro experimental é a diferença entre o valor real de
uma grandeza física e o respectivo valor dessa grandeza obtido através de
medições experimentais.
Os instrumentos de medição devem ser bem selecionados para as
condições de medições requeridas e posicionados de tal modo que não
influencie ou afete o processo de medição, para evitar medidas errôneas. Mas,
por mais cuidadoso que for um experimentalista e por mais sofisticado que seja
o experimento planejado, os erros estão sempre presentes quando se realizam
medições experimentais. Se descartado os erros grosseiros do
experimentalista, os erros experimentais, segundo Ismail (2003), podem ser
classificados em dois grupos: erros fixos ou sistemáticos e erros aleatórios.
A - ERROS SISTEMÁTICOS: São aqueles que resultam das discrepâncias
observacionais persistentes. Estes erros são causados por fontes identificáveis
e em principio podem ser eliminados ou compensados. Este tipo de erro indica
valores consistentemente acima ou abaixo do valor real em repetidas
medições, prejudicando a exatidão da medida, pois tem uma relação direta
com a exatidão do instrumento. Os erros sistemáticos podem ser causados de
uma imperfeição do instrumento ou devidos:
a. Calibração: Instrumento de medida mal calibrado ou com perda de
calibração;
b. Ajuste: Instrumento de medida mal ajustado (Nível, escala de zero, etc);
c. Ambiente: Interferência de fatores externos ao experimento como
temperatura, pressão atmosférica, umidade, fontes de campo magnético,
vibração, entre outros;
d. Observacional: Procedimento inadequado do observador, tais como erro de
paralaxe, anotar resultado com muita flutuação de valores e não estabelecer
um mesmo espaço de tempo para registrar cada medição;
e. Teórico: Aproximação, simplificação do modelo ou sistema.
176
B - ERROS ALEATÓRIOS: São aqueles que ainda existem mesmo quando
todas as discrepâncias sistemáticas num processo de mensuração são
minimizadas, balanceadas ou corrigidas. Estes erros são de natureza
desconhecida e aleatória, portanto difíceis de serem identificados e eliminados.
Estes erros podem ser tratados quantitativamente através de métodos
estatísticos, de maneira que o seu efeito na grandeza medida e na sua
propagação em cálculos possa ser determinado. Tem uma relação direta com a
repetitividade do instrumento. São flutuações, para cima ou para baixo, que
fazem com que aproximadamente a metade das medidas realizadas esteja
desviada para mais, e a outra metade esteja desviada para menos, afetando a
precisão da medida. Decorre da limitação do equipamento ou do procedimento
de medição, que impede que medidas exatas sejam tomadas.
2) ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS ERROS ALEATÓRIOS
Como as grandezas físicas foram medidas no experimento várias vezes
dentro das mesmas condições, a incidência de erros aleatórios faz com que os
valores medidos estejam distribuídos em torno da média. Para cada conjunto
de medidas, o valor médio (média aritmética das medidas) _
x foi definido pela
Eq.B1, conforme Ismail (2003).
i
n
i
xn
x1
_ 1
Onde _
x é a medida número i , e n o número total de medidas. O valor médio
se aproxima do valor verdadeiro se n for muito grande e os erros sistemáticos
forem nulos. Dependendo da sua dispersão em torno da média teremos uma
medida mais ou menos precisa. A dispersão do conjunto de medidas realizadas
pode ser quantificada através do desvio padrão amostral ( S ), definida pela
Eq.B2, conforme Ismail (2003).
)²(1
1 _
1
_
xxn
Sx i
n
i
(B1)
(B2)
177
Portanto, quanto maior o número de medições e o fator k da Tab.B1
melhor é a determinação do valor médio. O desvio padrão (_
x ) estabelece
uma probabilidade de 68,67% de que a medida esteja num intervalo em torno
da média. Para uma probabilidade diferente é usado um fator de abrangência
como mostrado na Tab.B1. A probabilidade de ocorrência das medidas dentro
do intervalo de confiança aumenta em função do aumento do fator de
abrangência.
O erro desta estimativa que representa a incerteza de medição ou a
incerteza no valor médio de _
x é o desvio padrão médio, mS , definido pela
Eq.B3, conforme Ismail (2003).
n
SSx mm
Assim, o valor medido fica na faixa mSx_
à mSx_
, com uma
probabilidade específica dada pela Tab.B1.
Tabela B1. Relação de probabilidade para cada incerteza do desvio padrão.
Fator de abrangência, k (cobertura) vezes
S (desvio padrão)
Probabilidade de
ocorrência (%)
0,647 50,00
1 S 68,67
1,645 S 90,00
2 S 95,45
2,576 S 99,00
3 S 99,73
Como já mencionado, algumas medidas são obtidas através de equações
(medidas indiretas), com base em medições realizadas diretamente de
instrumentos (medidas diretas). Portanto, junto com as medidas são
(B3)
178
carregados também os erros, tornando necessário o conhecimento de como o
erro da medida original pode afetar a grandeza final.
I - PROCEDIMENTOS DE AVALIAÇÃO DE INCERTEZA EM MEDIÇÕES
DIRETAS
A medição direta é aquela cuja indicação resulta naturalmente da
aplicação do sistema de medição sobre o mensurando, onde há apenas uma
grandeza de entrada envolvida (dados obtidos por um único instrumento).
a) INCERTEZA DE RESOLUÇÃO OU ABSOLUTA (Ires)
Todo dispositivo de medição possui uma resolução (menor valor de
medição do instrumento) que é uma característica do instrumento de medida.
Disto deve-se concluir que a qualidade de uma medição é influenciada pelo
instrumento que foi usado. Se a medida a ser realizada for menor que a
resolução então é necessária usar algum instrumento que possua uma melhor
resolução na faixa requerida. Assim, a medida experimental é limitada e
influenciada pela resolução do instrumento. Se a quantidade de medidas for
estável ou variar muito lentamente com o tempo, pode-se contabilizar a
incerteza na medida através da resolução do instrumento, ou seja, a incerteza
será computada como sendo a metade da menor divisão da escala, conforme
Eq.A4. Por exemplo, para um valor de velocidade 1,658 ± 0,005 m/s, o valor da
metade da resolução ou incerteza de resolução de 0,005 m/s é o erro sobre o
valor absoluto 1,658 m/s. Agora, se as grandezas variam constantemente em
torno de um valor “médio” e a amplitude dessa variação ultrapassa a incerteza
de resolução, este procedimento não pode ser usado, pois estaremos
subestimando o “erro” da medida. Esta é uma situação onde deve ser aplicado
o bom senso, a experiência do experimentador ou uma análise estatística para
estimar a incerteza da medida.
2
resoluçãoIres (B4)
179
b) INCERTEZA DE CALIBRAÇÃO (Ical)
Todo dispositivo deve passar por um processo de calibração
periodicamente e esta calibração deve ser realizada sob condições controladas
e contra um dispositivo padrão. No processo de calibração procuramos
verificar, e eventualmente corrigir, que os dois instrumentos tenham uma
relativa boa concordância na medida em que está sendo feita. Como o
instrumento padrão deve ter bem especificado o valor da incerteza da medida
realizada com ele, esta informação pode ser utilizada para quantificar a
incerteza da medida do dispositivo calibrado. Segundo Figliola e Beasley
(2007) podemos designar o erro do instrumento, via catálogo, como a incerteza
de calibração de um instrumento novo, pois este é uma estimativa do erro
sistemático, apesar do valor ser obtido em laboratório sob condições
específicas. Porém, o fabricante declara que o seu aparelho deve ser usado
em uma determinada faixa de medição, faixa de temperatura e umidade
relativa ambiente, etc.
c) INCERTEZA RELATIVA (Irel)
Podemos definir a incerteza relativa de uma medida como a razão entre a
incerteza absoluta e o valor da medida realizada, conforme Eq.A5. Quanto
menor a incerteza relativa melhor a qualidade da medida por estar mais
próximo do valor real.
medido
absrel
valor
II
Para as medições da velocidade do ar, caracterização das amostras de
cada painel e perda de carga do experimento foi utilizada à incerteza das
medições diretas.
Para as velocidades médias do ar as Tabelas B2 a B7 destacam os
principais erros. Verifica-se que o percentual de desvio padrão ( mS ) para
todas as condições é pequeno, e assim, corresponde a uma boa precisão e
(A5)
180
confiabilidade. A incerteza da média aritmética com o valor do desvio padrão
garante uma probabilidade de ocorrência de 95,45% de que cada medida
esteja dentro do intervalo ( mS ) em torno da média. A incerteza da média
aritmética com o valor do desvio padrão ( S ) garante uma probabilidade de
ocorrência de 95,45% de que cada medida esteja dentro do intervalo ( mS )
em torno da média.
Tabela B2. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de fibra
de Coco com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão
de água
Velocidade média
do ar
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,22 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,95 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,55 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,22 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,96 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,54 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,23 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,96 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,55 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
181
Tabela B3. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de fibra
de Esponja com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão de
água
Velocidade
média de ar
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art
Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,21(± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,88 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,008 m/s ± 0,006 m/s
0,58 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,21(± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,93 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,57 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,21(± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,88 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,006 m/s
0,58 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,009 m/s ± 0,009 m/s
Tabela B4. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de
Celulose com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão de
água
Velocidade média
de ar
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art
Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,22 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,008 m/s ± 0,004 m/s
0,88 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,009 m/s ± 0,006 m/s
0,58 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,009 m/s ± 0,009 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,21 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,91 (± 0,02) m/s ± 0,02 m/s ± 0,005 m/s ± 0,006 m/s
0,59 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,008 m/s ± 0,008 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,22 (± 0,03) m/s ± 0,04 m/s ± 0,009 m/s ± 0,004 m/s
0,87 (± 0,03) m/s ± 0,02 m/s ± 0,006 m/s ± 0,005 m/s
0,59 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,009 m/s ± 0,005 m/s
182
Tabela B5. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de fibra
de Coco com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão de
água
Velocidade
média de ar m/s
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art
Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,96 (± 0,1) m/s ± 0,1 m/s ± 0,02 m/s ± 0,005 m/s
0,56 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,008 m/s ± 0,009 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,92 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,005 m/s
0,57 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,001 m/s ± 0,005 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,18 (± 0,06) m/s ± 0,06 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,92 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,56 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
Tabela B6. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de fibra
de Esponja com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão de
água
Velocidade
média de ar
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art
Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,16 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,87 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
0,58 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,005 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,9 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,006 m/s
0,58 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,009 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,17 (± 0,06) m/s ± 0,06 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,87 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,006 m/s
0,59 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,008 m/s
183
Tabela B7. Incertezas de medições diretas para velocidades do painel de
Celulose com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,005 m/s e Ical = ± 0,005 m/s).
Vazão de
água
Velocidade média
de ar
Desvio
padrão médio
( mS )
Imedia_art
Irel
112,4
(±0,78)
g/s
1,18 (± 0,06) m/s ± 0,06 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,85 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,006 m/s
0,61 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,008 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s ± 0,05 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,86 (± 0,02) m/s ± 0,02 m/s ± 0,006 m/s ± 0,005 m/s
0,61 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,008 m/s ± 0,005 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,18 (± 0,04) m/s ± 0,04 m/s ± 0,01 m/s ± 0,004 m/s
0,88 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,005 m/s
0,61 (± 0,03) m/s ± 0,03 m/s ± 0,007 m/s ± 0,005 m/s
Para as perdas de cargas médias dos painéis de contato ar-água as
Tabelas B8 a B13 destacam os principais erros. Verifica-se que o percentual de
desvio padrão para todas as condições é pequeno, e assim, corresponde a
uma boa precisão e confiabilidade. Da mesma forma que na velocidade de ar,
aqui a incerteza da média aritmética com o valor do desvio padrão garante uma
probabilidade de ocorrência de 95,45% de que cada medida esteja dentro do
intervalo ( mS ) em torno da média. Para as perdas de cargas dos painéis de
contato ar-água o desvio padrão ( S ) foi adotado como erro experimental.
184
Tabela B8. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
fibra de Coco com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão de água Velocidade do ar Perda de carga Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,22 (± 0,05) m/s 4,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,95 (± 0,04) m/s 3,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,55 (± 0,04) m/s 2,2 (± 0,4) Pa ± 0,4 Pa
106,6
(±0,62)
g/s
1,22 (± 0,05) m/s 4,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,96 (± 0,04) m/s 3,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,54 (± 0,04) m/s 2,2 (± 0,4) Pa ± 0,4 Pa
89,3
(±0,73)
g/s
1,23 (± 0,05) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,96 (± 0,05) m/s 2,8 (± 0,4) Pa ± 0,4 Pa
0,55 (± 0,05) m/s 1,8 (± 0,3) Pa ± 0,3 Pa
Tabela B9. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
fibra de Esponja com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão de água Velocidade do ar
Perda de
carga
Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,21(± 0,04) m/s 5,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,88 (± 0,03) m/s 4,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,58 (± 0,05) m/s 3,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
106,6
(±0,62)
g/s
1,21(± 0,05) m/s 5,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,93 (± 0,04) m/s 4,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,57 (± 0,05) m/s 3,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
89,3
(±0,73)
g/s
1,21(± 0,04) m/s 4,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,88 (± 0,03) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 Pa
0,58 (± 0,04) m/s 2,8 (± 0,4) Pa ± 0,4 Pa
185
Tabela B10. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
Celulose com espessura de 0,1 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão
de água Velocidade do ar
Média aritmética
da perda de carga
Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,22 (± 0,03) m/s 3,6 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,88 (± 0,03) m/s 2,4 (± 0,4) Pa ± 0,4 m/s
0,58 (± 0,03) m/s 1,4 (± 0,3) Pa ± 0,3 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,21 (± 0,05) m/s 3,6 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,91 (± 0,02) m/s 2,4 (± 0,4) Pa ± 0,4 m/s
0,59 (± 0,03) m/s 1,4 (± 0,3) Pa ± 0,3 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,22 (± 0,03) m/s 3,4 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,87 (± 0,03) m/s 2,2 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,59 (± 0,03) m/s 1,2 (± 0,3) Pa ± 0,3 m/s
Tabela B11. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
fibra de Coco com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão
de
água
Velocidade do ar Perda de carga Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s 4,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,96 (± 0,1) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,56 (± 0,03) m/s 2,8 (± 0,4) Pa ± 0,4 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s 4,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,92 (± 0,03) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,57 (± 0,03) m/s 2,8 (± 0,4) Pa ± 0,4 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,18 (± 0,06) m/s 4,4 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,92 (± 0,04) m/s 3,4 (±0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,56 (± 0,04) m/s 2,4 (±0,4) Pa ± 0,4 m/s
186
Tabela B12. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
fibra de Esponja com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão
de água Velocidade do ar Perda de carga
Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,16 (± 0,04) m/s 5,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,87 (± 0,04) m/s 4,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,58 (± 0,04) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s 5,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,9 (± 0,03) m/s 4,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,58 (± 0,05) m/s 3,8 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,17 (± 0,06) m/s 5,4 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,87 (± 0,05) m/s 4,4 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
0,59 (± 0,04) m/s 3,4 (± 0,5) Pa ± 0,5 m/s
Tabela B13. Incertezas de medições diretas para perdas de carga do painel de
Celulose com espessura de 0,15 m (Ires = ± 0,5 Pa e Ical = ± 0,5 Pa).
Vazão
de água Velocidade do ar
Média aritmética
da perda de carga
Desvio padrão
médio ( mS )
112,4
(±0,78)
g/s
1,18 (± 0,06) m/s 4,2 (± 0,5) m/s ± 0,5 m/s
0,85 (± 0,03) m/s 3,0 (± 0,4) m/s ± 0,4 m/s
0,61 (± 0,03) m/s 2,0 (± 0,3) m/s ± 0,3 m/s
106,6
(±0,62)
g/s
1,18 (± 0,05) m/s 3,6 (± 0,5) m/s ± 0,5 m/s
0,86 (± 0,02) m/s 3,0 (± 0,4) m/s ± 0,4 m/s
0,61 (± 0,03) m/s 2,0 (± 0,3) m/s ± 0,3 m/s
89,3
(±0,73)
g/s
1,18 (± 0,04) m/s 4,0 (± 0,5) m/s ± 0,5 m/s
0,88 (± 0,03) m/s 2,8 (± 0,4) m/s ± 0,4 m/s
0,61 (± 0,03) m/s 1,8 (± 0,3) m/s ± 0,3 m/s
187
II - PROCEDIMENTOS DE AVALIAÇÃO DE INCERTEZA EM MEDIÇÕES
INDIRETAS (PROPAGAÇÃO DE INCERTEZAS)
Segundo Ismail (2003) a medição indireta envolve a determinação do
valor associado ao mensurando a partir da combinação de duas ou mais
grandezas por meio de expressões matemáticas. O procedimento é para
estimar a incerteza associada à medição em casos onde o valor do
mensurando não pode ser determinado diretamente a partir da indicação vinda
de um único instrumento de medição, mas deve ser calculada por uma
equação que relaciona diversas grandezas de entrada medidas
independentemente.
No caso em que há dependência estatística entre as variáveis de entrada,
a variação aleatória associada a cada grandeza de entrada poderá estar
agindo da mesma maneira sobre as respectivas indicações. Para estimar a
incerteza da combinação de duas ou mais grandezas de entrada
estatisticamente dependentes, deve ser levado em conta que estas podem
assumir, ao mesmo tempo, valores extremos dentro de suas respectivas faixas
de incerteza. O valor estimado geralmente representa os limites da variação
máxima possível.
Partindo de um procedimento geral sobre o cálculo da propagação de
incertezas de medições e considerando as medições experimentais de n
grandezas, sejam 1x , 2x ,..., nx grandezas físicas determinadas de forma
experimental, pode-se representar as incertezas relativas de cada uma destas
grandezas como ixI , com i=1 n .
Deseja-se analisar como os erros se propagam no cálculo da grandeza
R , obtida indiretamente através das medidas das grandezas ix .
Consideremos que existe uma dependência funcional entre a variável R e as
variáveis ix . Onde, R = R ( 1x , 2x ,..., nx ).
O efeito de uma variação ix sobre R pode ser escrito como,
i
i
xx
RR
188
Normalizando esta variação de R ( xR ) em relação à grandeza R ,
temos
R
x
x
R
R
R i
i
Multiplicando e dividindo o lado direito da equação por ix , vamos obter a
incerteza relativa de R devido à incerteza relativa de ix .
i
i
i
i
i
i
i Ixx
R
R
x
x
x
x
R
R
x
R
R
Efeitos similares devem ocorrer devido a variações das demais grandezas
envolvidas. Como estamos interessados em estimar a incerteza de R devido à
combinação dos efeitos das incertezas de todas as grandezas envolvidas, isto
pode ser realizado através da expressão
2/122
2
2
2
2
2
1
1
1
1 .........
n
n
n
nR
x
x
x
R
R
x
x
x
x
R
R
x
x
x
x
R
R
xI
Ou
2/122
2
2
2
1
1
.........
n
n
xx
Rx
x
Rx
x
RR
No caso das medições das vazões de água para os painéis de contato ar-
água, que utilizou uma balança eletrônica marca Filizola modelo MF-3 com
resolução 0,5 g e um cronômetro digital Instrutherm modelo CD-2800 com
resolução de 0,01 s, utilizou-se a Eq.B6, que considera a propagação de
incertezas destes instrumentos depois de repetidas medições.
5,02
_2
2
___ ))))(
(()1
(( 2
2 cronometrores
oH
balançaresOHvazãoprop Itempo
PesoI
tempoI
(B6)
189
Utilizando a incerteza de resolução da balança e do cronômetro pode-se definir
a menor e maior vazão aceitável para o experimento através das Eq.B7 a B10.
)()(
)()_(
_
_
cronômetrorela
balançarel
águaItempo
IáguavolumeVazão
)()(
)()_(
_
_
cronômetrorela
balançarel
águaItempo
IáguavolumeVazão
)()(
)()_(
_
_
cronômetrorela
balançarel
águaItempo
IáguavolumeVazão
)()(
)()_(
_
_
cronômetrorela
balançarel
águaItempo
IáguavolumeVazão
Os resultados das incertezas de medição da vazão de água estão
registrados na Tab. B14. Onde para cada vazão de água foram registrados
cinco conjuntos de quinze medições. Verifica-se que todas as vazões de água
médias, para quaisquer condições de testes no experimento, estão entre a
incerteza de resolução para a menor e maior vazão de água aceitável,
conforme Eq.B7 a B10. Como exemplo, para o primeiro conjunto de medições
obteve-se uma vazão média de 89,14 g/s, que por sua vez, situa entre o valor
mínimo aceitável de 88,74 g/s e máximo aceitável de 89,49 g/s. Utilizou-se o
desvio padrão como erro para todas as vazões medidas. A incerteza da média
aritmética utilizando 2 vezes o desvio padrão ( mS2 ) garante uma probabilidade
de ocorrência de 95,45% de que cada medida esteja dentro do intervalo
( mS ) em torno da média. Já para as três vazões (alta, média e baixa) de
cada condição foi considerada a média entre os cinco conjuntos de medições.
O coeficiente de correlação (2R ), Eq.B11, é muito usado quando se quer
avaliar se as medições estão próximas do valor verdadeiro, ou seja, se
02 R não existe correlação entre “y” e “x”, e se 12 R a correlação é
perfeita )10( 2 R .
2
22
1
11
y
xymy
n
nR
(B7)
(B8)
(B 9)
(B10)
(B11)
190
n
yy
n
ny
222
1
1
n
xyxyxy
Tabela B14. Registro das incertezas de medições das vazões de água para os
painéis (Ires e Ical balança = ± 2,5 g/s e Ires e Ical cronômetro = ± 0,005 s).
Medição
Vazão
média
g/s
Sm Irel
balança
Irel
cronômetro
Im_ar
Ipropagada
Ires
mínima
Ires
máxima
1 89,14 0,61 0,004 0,0006 0,12 0,32 88,74 89,49
2 106,71 0,62 0,003 0,0007 0,12 0,35 106,3 107,12
3 112,18 1,07 0,003 0,0007 0,21 0,34 111,78 112,59
4 90,13 0,42 0,001 0,0003 0,08 0,13 89,97 90,28
5 106,19 0,41 0,002 0,0003 0,08 0,16 105,99 106,38
6 112,14 0,55 0,002 0,0004 0,11 0,2 111,37 112,37
7 88,15 0,57 0,004 0,0007 0,11 0,36 87,73 88,73
8 108,45 0,75 0,002 0,0005 0,15 0,26 108,15 108,76
9 113,03 0,73 0,002 0,0006 0,15 0,28 112,69 113,37
10 88,92 1,08 0,002 0,0004 0,22 0,18 88,7 89,12
11 106,01 0,94 0,005 0,0001 0,18 0,51 105,39 106,61
12 112,9 0,83 0,002 0,0005 0,17 0,23 112,62 113,18
13 89,95 0,95 0,002 0,0003 0,19 0,17 89,75 90,15
14 105,5 0,4 0,003 0,0006 0,08 0,28 105,16 105,83
15 112,72 0,72 0,003 0,0006 0,14 0,32 112,33 113,09
Vazão média adotada, g/s
Média adotada para a menor vazão de água = 89,3 (±0,73) g/s
Média adotada para a vazão de água média = 106,6 (±0,62) g/s
Média adotada para a maior vazão de água = 112,4 (±0,78) g/s
(B12)
(B13)
191
ANEXO C
Memória de cálculo dos custos operacionais
Os custos operacionais (custos fixos e variáveis) foram considerados
como gastos, os desembolsos e saídas de caixa, as despesas incorridas
durante o funcionamento do empreendimento. A metodologia de cálculo dos
custos operacionais está de acordo com Ribeiro (2009), onde especifica os
custos diretos e indiretos para a formação de preço de venda de
Climatizadores Evaporativos. Alguns custos são em função de salários dos
funcionários e outro como reserva para manter o padrão de produção. Alguns
custos são definidos em forma de percentual praticado no mercado.
O valor dos Honorários mensais dos Diretores foi considerado de acordo
com a Tab.C1.
Tabela C1 – Honorários mensais da Diretoria (Salários praticados no mercado).
R$1,00
Descrição Quantidade Honorário
Gerente Administrativo 01 2.838,00
Gerente Industrial 01 4.531,00
Subtotal (sem encargos sociais) 02 7.369,00
Encargos Sociais (60%) - 4.421,40
Total (com encargos sociais) - 11.800,40
NOTA: Estabeleceram-se um Pró-Labore de 50% do total dos Honorários de
R$7.369,00 durante os cincos primeiros anos, desconsiderando os encargos
sociais.
192
A mão de obra Administrativa (indireta) foi considerado com base na
TaB.C2.
Tabela C2 – Mão de obra Administrativa (indireta).
R$1,00
Descrição Quantidade Honorário
Comprador Júnior 01 1.804,00
Almoxarife 01 975,00
Auxiliar administrativo 01 756,00
Secretaria Júnior 01 1.524,00
Recepcionista 01 757,00
Auxiliar de vendas 01 787,00
Promotor de vendas 01 648,00
Vigia 01 963,00
13° Salário (parcela mensal) 684,50
Subtotal - 8.898,50
Encargos Sociais - 5.339,10
Total - 14.237,60
NOTA:
A mão de obra administrativa ficou próxima de 23,04% do CFM:
23,04% do CFM de R$ 61.791,86 = R$14.236,84.
Sendo adotado o valor calculado de R$14.237,60.
Para as despesas administrativas adotou-se um valor em torno de 0,59% do
lucro bruto mensal:
0,59% de 1.270.190,00 (celulose) = R$7.494,09. Adotado R$7.500,00.
Foi considerado o percentual de 0,5% do preço da compra de máquinas,
equipamentos, veículos, móveis e utensílios como reserva mensal para
manutenções e conservação:
0,5% de R$1.500.000,00 = R$7.500,00.
A reserva mensal para o seguro do edifício, máquinas, equipamentos,
veículos, móveis e utensílios foi de também considerado 0,5%:
0,5% de R$1.500.000,00 = R$7.500,00.
193
A mão de obra Administrativa (indireta) foi considerado com base na
Tab.C3.
Tabela C3 – Mão de obra do setor produtivo (direta).
R$1,00
Descrição Quantidade Salário total
Auxiliar de produção 02 1.302,00
Motorista 01 896,00
Encarregado de expedição 01 1.326,00
Encarregado de produção 01 1.262,00
Técnico em manutenção geral 01 1.543,00
Operador de produção 08 5.928,00
Operador de empilhadeira 01 1.017,00
13° Salário (parcela mensal) 1.106,167
Subtotal - 14.380,17
Encargos Sociais - 8.628,10
Total - 23.008,27
A depreciação de máquinas, equipamentos e instrumentos de precisão foi
considerada conforme Tab.C4.
Tabela C4 – Depreciação de máquinas, equipamentos, instrumentos de
precisão, veículos móveis e utensílios.
R$1,00
Descrição Valor
Preço de compra 1.500.000,00
Valor residual após 5 anos de vida útil (-) 1.000.000,00
Perda do valor após 5 anos 500.000,00
Perda do valor anual 100.000,00
Perda do valor mensal 8.333,33
194
O custo do Climatizador de ar sem o painel evaporativo e sem IPI foi
definido conforme Tab.C5.
Tabela C5 – Custo do Climatizador de ar sem o painel evaporativo e sem IPI.
R$1,00
Descrição Valor
Exaustor de ar com 3 velocidades, vazão de ar de 1.200 m³/h, ½
CV, 220 V, 60HZ
40,00
Bomba de recirculação de água com vazão de 250 g/s 20,00
Banja de PVC removível 5,00
Gabinete de fibra de vidro 30,00
Sistema de distribuição de água (Boia, tubulações, conexões, etc)
10,00
Sistema elétrico (chave seletora de 3 velocidades, lâmpada, timer) 30,00
Frente plástica de PVC com aletas direcionais 10,00
Acessórios (Parafusos, porcas, arruelas, presilhas, cola, etc) 5,00
Total 150,00
O custo de fabricação dos painéis evaporativos foi definido de acordo com
a Fig.1.6 C1 e C2, que estão registrados na Tab.C6.
Tabela C6 – Custo de fabricação dos painéis evaporativos.
Item
Painel de
Celulose
(Munters)
Fibra de Coco com resina a
base de látex
Fibra de Esponja Vegetal
de metro
Preço de
mercado
Em torno de
R$1400 / m³
R$7 por m²
(gramatura 250 g/m²) R$1,5 a unidade
Mantas - 28 pç de 0,8 x 0,1 m
(0,8 x 0,2 x 28 =2,24 m²)
28 pç de 0,8 x 0,1 m
Preço do painel
0,2 x 0,6 x 0,1 m
R$17,00
(R$1.400 x
0,012m³)
R$16,00
(R$7 x 2,24 m² = R$15,68)
R$ 42,00
(R$1,5 x 28 pç = R$42)
195
Figura 1.6 – Dimensões dos painéis evaporativos de fibras vegetais tendo o
painel de Celulose do Climatizador de ar ECOBRISA EB-20 como referência.
Figura C1 – Largura real da manta de fibra fora do painel.
Figura C2 – Largura da manta de fibra ondulada inserida no painel.
0,6 m
0,8 m
0,2 m
0,6 m 0,1 m