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Anais do 14O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIV ENCITA / 2008 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil 2008.

ETAPAS CONSTRUTIVAS DE UM PROTÓTIPO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO

Gerardo Antero Barba Ureña, [email protected] Ezio Castejon Garcia, [email protected] Sergio Mourão Saboya, [email protected] Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 -Vila das Acácias - CEP 12228-900 - São José dos Campos – SP - Brasil. Resumo. O condicionamento de ar por resfriamento evaporativo é considerado um método energeticamente eficiente e utiliza água como refrigerante de trabalho, o que isenta de qualquer dano ambiental. A partir deste principio será apresentado em etapas desenvolvidas a construção de um protótipo de um resfriador evaporativo. Materiais, sensores e instrumentos utilizados serão apresentados, bem como detalhamentos construtivos, os mesmos, serão apresentados utilizando-se de fotografias para uma maior clareza. Este aparato foi desenvolvido no laboratório de ventiladores do curso de Engenharia Mecânica-Aeronáutica do ITA. Resultados mais detalhados já foram submetidos à congressos nacionais (Encit-2008). Sua aplicação é de uso domestico e grandes ambientes industriais com a utilização de ventiladores centrífugos tipo Sirocco, que são utilizados com dutos e requer maior pressão. Como conclusão, tais resultados mostraram que o método é capaz de desenvolver uma refrigeração significativa determinada pela diminuição da temperatura de entrada em relação a temperatura de saída. O efeito indesejável foi o aumento da umidade relativa do ar condicionado. Palavras chave: Construção de um Resfriador, Resfriador Evaporativo, Condicionamento de Ar.

(single space line. size 10) 1. Introdução (Ti es New Roman, Bold, size 10)

Este trabalho apresenta etapas construtivas do desenvolvimento de um protótipo de resfriador evaporativo. Este se baseia num processo endotérmico, ou seja, retira calor em um determinado ambiente, por exemplo, 1 litro de água consome cerca de 2.087,6 kJ para evaporar a temperatura de ambiente. Na escala industrial, as torres de resfriamento de água também utilizam um fluxo de ar para esfriar a água pela evaporação de parte dela. O painel evaporativo do resfriador de ar neste trabalho é composto por camadas de material de papel “Kraft” de alta qualidade, ondulado e poroso, impregnado por uma resina que lhe confere grande rigidez e durabilidade (http://www.ecobrisa.com.br). Esta publicação apresentará apenas detalhes construtivos do aparato desenvolvido, para ter uma ideia da redução da temperatura em relação à Umidade relativa apresentaremos a Tabela 1 a seguir:

Temperatura de

entrada de ar

25 ºC

32 ºC

37 ºC Umidade Relativa Redução da Temperatura

30 % 8,5 ºC 9,5 ºC 11,0 ºC 40 % 7,0 ºC 8,0 ºC 8,5 ºC 50 % 5,5 ºC 6,5 ºC 7,0 ºC 60 % 4,5 ºC 5,0 ºC 5,5 ºC 75 % 2,5 ºC 2,5 ºC 3,0 ºC

Tabela 1 Redução da temperatura

2. O Aparato Experimental(Ti

O aparato desenvolvido, conforme fotografia apresentada na Fig. 1, e indicações de acordo com o esquema apresentado na Fig. 2, é constituído principalmente pelos seguintes dispositivos:

• Ventilador radial para admissão de ar externo e insuflamento sobre o painel evaporativo (Garcia, 2004);

• Duto difusor para acoplamento do ventilador à caixa contendo o painel evaporativo;

• Bocal de insuflamento do ar resfriado para o ambiente condicionado (após passagem pelo painel evaporativo);

Como acessório ainda o aparato possui:

• Válvula reguladora de vazão de ar posicionada na tomada de ar externo;

Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, 2008 ,

• Resistência Elétrica aquecedora posicionada no interior do duto, junto à sucção do ventilador radial com

objetivo de reduzir a umidade relativa “secando” a tomada de ar externo. Desta forma pode-se obter várias medidas para uma faixa de umidade relativa de entrada de 25 a 60 %;

• Fonte de potência (Wariac) para alimentar a resistência elétrica para diversas potências;

• Reservatório d’água, posicionado abaixo da caixa contendo o painel evaporativo;

• Pequena bomba para recirculação d’água (do reservatório para o painel);

• Pequeno duto gotejador, posicionado acima do painel evaporativo, com objetivo de manter molhado este último;

• Tampa de vidro para fechamento da caixa do painel e visualização deste último, para certificação do estado molhado.

Como instrumentação foi utilizada:

• Uma sonda (Termohigrômetro) para medida de umidade relativa e temperatura de bulbo seco. As medidas foram feitas em orifícios no início do difusor e saída do bocal, em posições simétricas difusor/bocal;

• Dez termopares para medidas de temperatura da superfície de controle composta pelo difusor de entrada/caixa com painel/bocal de saída. Tais medidas, mais as dos termômetros de vidro (para medição da temperatura ambiente), foram realizadas para avaliar a taxa de transferência de calor por tal superfície de controle para o ambiente em questão;

• Dois manômetros de tubos inclinados para medidas da perda de carga imposta pelo resfriador evaporativo e para medida da velocidade do escoamento (para cálculo da vazão mássica de insuflamento)

Figura 1 - Fotografia do Aparato Experimental

Figura .2 – Esquema do Aparato Experimental.


2.1. Descrição da Montagem Experimental

A seguir, apresenta-se uma breve descrição da montagem experimental utilizada neste projeto. O resfriador evaporativo foi construído com um difusor e um bocal, na entrada e saída respectivamente, sob mesma dimensão. Usou-se material de chapa de aço galvanizado Nº 24 tendo as medidas como mostra a Fig. 3.

Figura 3. Difusor (e Bocal) de entrada e saída do painel evaporativo.

Figura 4 apresenta uma fotografia do difusor e bocal, acoplada ao centro e entre estes, à caixa do painel evaporativo. Na Fig. 5., são mostradas as respectivas medidas.

Figura 4. Fotografia do difusor de entrada, caixa com painel evaporativo e bocal de saída do resfriador.


Figura 5. Medidas do difusor/bocal de entrada e saída do painel evaporativo, e caixa para abrigo do painel evaporativo.

A caixa onde é instalado o painel evaporativo tem medidas apresentadas na Fig. 6.

Figura 6. Dimensões da caixa para abrigar o painel evaporativo.

Figura 7 apresenta outra fotografia da caixa no qual é instalado o painel evaporativo. Esta contém um orifício de saída de 8 mm de diâmetro para a recirculação da água conforme mostrada na Fig 7. Na Figura 8 apresenta o orifício de recirculação.

Figura 7. Caixa do painel evaporativo.


Figura 8. Orifício de recirculação na caixa do painel evaporativo.

A seqüência inicial de construção do sistema de resfriamento evaporativo consiste em adaptar a saída do ventilador radial ao difusor, e deste ao painel. Isso é feito com um duto de 10 cm de diâmetro e 10 cm de largura com um flange contendo 6 orifícios para fixação ao duto da saída do ventilador com a entrada do difusor, como mostra a Fig. 9 e Fig. 10.

Figura 9. Medidas do flange de fixação entre a saída do ventilador e a entrada do difusor.

Figura 10. Duto de Interface entre a saída do ventilador e a entrada do difusor.

Como pode–se observar, o duto tem um orifício (de 1,5 cm de diâmetro) para realizar as medições do ar na entrada do resfriador evaporativo. Estas medições são realizadas pelo Termohigrômetro (Van Waylen, 1998). Na seqüência, o duto é soldado no difusor de entrada do resfriador, conforme mostra a Fig. 11.


Figura 11. Interface entre a saída do ventilador radial e o difusor de entrada do painel.

A seguir mostra-se o painel evaporativo e suas respectivas medidas, que será posicionado na caixa, como mostram as Fig. 12 e Fig. 13.

Figura 12. Dimensionamento do Painel evaporativo de papel “Kraft”.

O painel evaporativo é instalado na caixa-compartimento, de tal forma facilitar uma manutenção preventiva, ou toda vez que necessite ser higienizado.

Figura 13. Painel evaporativo de papel “Kraft”.

Feito o acabamento da interface entre o ventilador radial e o painel evaporativo, foi acondicionado um outro cilindro de saída com as mesmas características do cilindro de entrada do difusor (ou seja, um cilindro de 10 cm de diâmetro com 10 cm de largura) soldado no bocal de saída. Este contém o mesmo orifício de 1,5 cm para realizar as medições com o termohigrômetro. Junto com o cilindro foi soldado na parte interna uma grelha metálica para homogeneizar o escoamento do ar resfriado a ser insuflado para o ambiente condicionado, Fig. 14.


Figura 14. Grelha no bocal de saída do Painel Evaporativo.

Para garantir um escoamento homogêneo, fez-se necessário acondicionar um outro duto de 45 cm de comprimento (Fig 14.), com mesmo diâmetro da saída do bocal (10 cm). O tubo de Pitot é adaptado na parte superior do duto para se fazer a medição da pressão estática de saída do sistema.

Figura 15. Duto de saída do painel evaporativo e tubo de Pitot.

Outro tubo de Pitot também é instalado também no difusor de entrada do painel evaporativo, para a medição da pressão total e estática. A diferença entre estas fornece a chamada pressão dinâmica.

Em seguida, apresenta-se a descrição do sistema recirculação da água e a vedação da tampa do painel evaporativo. Uma característica da tampa é que pode-se visualizar por meio desta, e certificar que o painel está completamente molhado, observando ainda a recirculação d´água por intermédio do gotejador de 35 cm de material de PVC com 10 furos de 3 mm espaçados a cada 2 cm. A tampa do painel é de vidro e tem uma espessura de 4 mm. A vedação é feita com silicone, como mostrado na Fig. 16 e Fig. 17.


Figura 16. Gotejador de PVC do painel evaporativo.

Figura 17. Gotejador instalado no painel evaporativo.

O sistema de recirculação d’água é efetuado com uma pequena bomba (de aquário) de 10,5 W, instalada no reservatório de água, alimentando o painel evaporativo para assim completar o ciclo de realimentação.

A instalação também possui sensores de temperatura termopares tipo T, na superfície externa da carcaça do difusor, caixa do painel evaporativo, reservatório d’água e bocal, conforme indicado na Fig. 18.


Figura 18. Pontos dos sensores de temperatura termopares tipo “T” do sistema.

Além da determinação dos pontos dos sensores de temperatura tipo T, foram utilizados dois termômetros de temperatura de vidro para obter referências adicionais nas medidas, podendo assim compará-los com as obtidas pelos termopares.

Na configuração do sistema, deve-se medir e controlar a vazão mássica do ar resfriado. Esta vazão é controlada pela válvula de entrada, mais conhecida como chapeuzinho chinês, posicionada na tomada de ar externo, como mostrado na fotografia da Fig. 19.

Figura 19. Válvula de entrada para controle da vazão mássica de ar. 2.2. Medidas de Pressão - Tubo de Pitot

As seguintes medidas de pressão foram realizadas com a utilização do Tubo de Pitot:


Pressão Total: Pt, medida por uma sonda, aonde o ar irá se chocar tendo sua velocidade levada até zero no ponto

de impacto. Esta pressão é medida através de um orifício da mesma, alinhado com o escoamento de modo de fazer com que o ponto de impacto seja coincidente com o orifício (linha de estagnação de corrente). O orifício é ligado a um manômetro previamente calibrado.

Pressão Estática: Pe, pressão que uma partícula do ar em movimento está sujeita. Isto nos indicaria que para medir esta pressão precisaríamos que o nosso instrumento se movesse junto com o fluido. O valor local da pressão estática pode ser tomado em uma direção normal às linhas de corrente do escoamento. Usar-se-á, por tanto, orifícios colocados na sonda com um diâmetro na ponta de prova escolhido de modo a minimizar as incertezas nas medidas, causados por perturbações no escoamento (bloqueio, curvatura das linhas de corrente, etc.).

Pressão Dinâmica: Pd, diferença entre a Pressão Total e Pressão Estática. É através desta que calculamos a velocidade de escoamento, e conseqüentemente a vazão.

Figura 20. e 21. apresentam fotografias dos manômetros para as medidas de pressão total e dinâmica, respectivamente. A diferença entre as pressões totais na entrada e saída do conjunto difusor/painel/bocal fornece a perda de carga imposta pelo aparato a ser vencida pelo ventilador radial de forma a manter as vazões de ar resfriado para o ambiente condicionado.

Figura 20 – Manômetro para medida de Pressão Total.


Figura 21 – Manômetro para medida de Pressão Dinâmica.

2.3. Descrição do Procedimento Experimental

Uma vez conhecidos os aparelhos utilizados na experimentação, bem como os arranjos experimentais usados, passa-se agora ao procedimento experimental em si. É de grande importância o conhecimento deste procedimento para ratificar a validade do método empregado.

Depois de construído todo o aparato, o primeiro passo é liberar uma entrada de ar externo com vazão mássica mínima, para logo aumentar progressivamente e fazer as respectivas medições de temperatura e umidade relativa de entrada e saída com o Termohigrômetro. Conhecidos os dados de UR - Umidade relativa e Temperatura, são determinadas as vazões mássicas e suas respectivas temperaturas (Moreira, 1999).

Seguinte passo é coletar os dados experimentais com o Termohigrômetro na entrada e saída do painel evaporativo levando em consideração que tem-se temperatura alta e umidade relativa baixa, o que facilita a condição de trabalho. 2.4. Resultados esperados

Como resultado do trabalho foi obtida uma queda percentual da temperatura na saída do resfriador em função da

vazão mássica da mistura ar - vapor d’água como indica o gráfico da fig. 22.

Vazão Mássica Total da Mistura Eficiência de Resfriamento (kg /s) x 10 -3

REFη (%) 22,99 25,3 24,78 30,4 26,59 30,2 26,65 26,5 26,72 26,9 27,01 22,5 27,18 19,8 27,33 17,0

Tabela 2. Eficiência de resfriamento e Vazão mássica total.


Figura 22 - Eficiência de resfriamento versus vazão mássica total.

3 Conclusões

Foi desenvolvido um dispositivo experimental associado a um bom sistema de medidas. Este sistema composto por

sensores de temperatura, de umidade e pressão aliadas a adequados instrumentos de leitura permitiu reproduzir parâmetros físicos com bom grau de confiança e baixo nível de incerteza. O aparato desenvolvido é de fácil construção, de baixo custo e de funcionamento simples. Basicamente é composto por chapas finas galvanizadas, um elemento de papel (painel evaporativo), uma pequenina bomba d´água e um ventilador. Tem baixo consumo de energia já que dispensa o uso de compressor, além de este último ser de elevado custo de aquisição. Em sistema de condicionamento de ar usando refrigeração por compressão de vapor, o ar é renovado geralmente numa taxa de 10%. Isto é feito para se evitar o aumento da carga térmica imposta sobre o sistema de refrigeração, evitando-se assim aumentar o consumo de energia elétrica, que já é muito alto nestes sistemas convencionais. No sistema adotado neste trabalho, o ar é 100% renovado, evitando-se assim a proliferação de bactérias comuns aos sistemas de condicionamento de ar convencionais, evitando assim a disseminação de doenças diversas, principalmente as de cunho respiratório.

4 Referências

Garcia, E.C., 2004, “Apostila de Ensaio de Ventiladores – Curso de Máquinas de Fluxo -Laboratório”, ITA, São

José dos Campos. Moreira, J.R.S., 1999, “Fundamentos e Aplicações da Psicrometria”, RPA Editorial Ltda, São Paulo. Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Borgnakke, C., 1998, “Fundamentos da Termodinâmica Clássica”, 5ª Ed.,

Edgard Blücher, 537p. http://www.ecobrisa.com.br, Viva Equipamentos Ind. Com. Ltda, 12.05.2008.

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