Uma zona de um prédio grande é projetada para ter uma vazão de ar de suprimento de 2.4 m^3 s. A carga térmica é constante e de 35 kW com um SHF de 0.8 . As condições internas desejadas são de 24 C e 50 % de umidade relativa. (a) Qual é a máxima temperatura TBS do ar e umidade absoluta que satisfará a condição de carga térmica usando 100 % de ar externo ? (b) Considere uma situação onde a temperatura do ar externo é 4 C e a umidade relativa de 20 %. O ar de retorno e o ar externo devem ser misturados para resfriar o espaço, mas umidificação será requerida. Assuma que vapor saturado a 101 kPa é usado para umidicar o ar misturado, e calcule a quantidade de ar externo e ar de retorno em m^3 / s. © Em outra situação, o ar externo está a 18 C com umidade relativa de 90 %. A serpentina de resfriamento é assumida ter um ponto de orvalho mínimo de 7.2 C. Qual a quantidade de ar externo e retorno deve ser misturado antes de entrar na serpentina para satisfazer a condição de carga térmica dada ? (d) Qual é a carga de refrigeração para a serpentina da parte © acima ?

Passo 1

Beleza, vamos lá! O enunciado fala de uma zona de um prédio com:
  • Vazão de ar de 2,4 m³/s
  • Carga térmica total de 35 kW, sendo SHF = 0,8 (ou seja, 80% é sensível e 20% latente)
  • Condições internas desejadas: 24 °C e 50% UR
O conteúdo aqui é psicrometria e balanço de energia e massa do ar condicionado:
  1. Calcular as cargas sensível e latente a partir da SHF.
  2. Achar as condições de suprimento (temperatura e umidade) para satisfazer as cargas.
  3. Fazer mistura de ar externo e retorno (b) e ©.
  4. Calcular carga na serpentina (d).
Você vai ver entalpia, razão de umidade , equações de mistura e balanço de cargas. Vamos ao passo a passo, sem pular nada!

Passo 2

  1. Separe as cargas:
    Qₛₑₙₛível = SHF·Qₜₒₜₐₗ = 0,8·35 kW = 28 kW
    Qₗₐₜₑₙₜₑ = Qₜₒₜₐₗ – Qₛₑₙₛível = 35 – 28 = 7 kW
  2. Calcule o fluxo mássico de ar:
    ρ ≃ 1,2 kg/m³ → ṁ = ρ·V̇ = 1,2·2,4 = 2,88 kg/s
  3. Temperatura de suprimento Qsens = dot m,cp,(Tzona-TBS) Longrightarrow TBS=Tzona-Qsensdot m,cp do resfriador (sensible cooling):
    TBS=24 - 28,0002,88cdot1,006cdot1000 ≃24 - 9,66 ≃14,34;°C
    com Wzona =0,622;pvpatm-pv =0,622;1,4925101,325-1,4925 ≃0,00929;kg/kg , Qlat =dot m,hfg,(Wzona-WBS) Longrightarrow WBS =Wzona-Qlatdot m,hfg :
    WBS =0,00929 - 7,0002,88cdot2,501cdot1000 ≃0,00929 - 0,00097 ≃0,00832;kg/kg
  4. Razão de umidade da zona ( ) a 24 °C e 50% UR:
    • Pressão de saturação a 24 °C: kPa
    • kPa
  5. Razão de umidade de suprimento para remover 7 kW de carga latente:
    com kJ/kg:

Passo 3

Agora não vamos usar serpentinas de resfriamento — vamos “mixar” ar de entrada (4 °C, 20% UR) com ar de retorno (24 °C, 50% UR) para chegar direto em Wext=0,622;0,1478101,325-0,1478 ≃0,00091;kg/kg e depois umidificar.
  1. Calcule Tmix =xcdot Text + (1-x)cdot Tret =14,34 Longrightarrow x·4 + (1-x)·24 = 14,34 a 4 °C e 20%:
    • -20,x = 14,34 -24 = -9,66 Longrightarrow x=0,483 kPa → V̇ext=x·2,4 = 1,16;m³/s, V̇ret=(1-x)·2,4 =1,24;m³/s kPa
  2. Defina fração de ar externo tal que a temperatura de mistura seja :
  3. Vazões de volume:
    ³³

Passo 4

Aqui vamos usar ar externo a 18 °C/90% e o de retorno e depois resfriar e desumidificar na serpentina (ponto mínimo de orvalho 7,2 °C). A ideia é maximizar ar externo para diminuir carga na serpentina.
  1. Dados do ar externo (18 °C, 90%):
    • Wext=0,622;1,858101,325-1,858 ≃0,0117;kg/kg kPa → hret =cp·24 + Wzonal(2501 + 1,86·24r) ≃47,80;kJ/kg kPa
    • hext =cp·18 + Wextl(2501 + 1,86·18r) ≃47,77;kJ/kg
  2. Entalpias aproximadas:
    • Ar de retorno (24 °C, 50%): hext
    • Ar externo:
  3. Para decidir a mistura, compare entalpias:
    Logo:
    V̇ₑₓₜ = 2,4 m³/s
    V̇ᵣₑₜ = 0,0 m³/s

Passo 5

Finalmente, a carga total de resfriamento que ainda cabe na serpentina é a diferença de entalpia entre ar antes e depois:
  1. Serpentina recebe 100% ar externo: Qserp = dot m,(hext-hBS) =2,88l(47,77 - 35,47r) ≃2,88·12,3 ≃35,4;kW

Resposta

(a) , .
(b) ³³.
© Para o caso 18 °C/90%: ³³ (usar só ar externo).
(d) Carga na serpentina ≃ 35,4 kW.

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