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Como Funciona o Ar Condicionado

 

Introdução

Quando a temperatura externa começa a subir, muitas pessoas procuram o conforto do ar condicionado. Assim como as caixas de água e as linhas de alta tensão , um ar condicionado é uma daquelas coisas que vemos todos os dias, mas raramente prestamos atenção.

Não seria interessante saber como estas máquinas funcionam? Neste artigo, examinaremos o ar condicionado, tanto os pequenos quanto os grandes.

As muitas faces da refrigeração
Os condicionadores de ar estão disponíveis em vários tamanhos, capacidades de resfriamento e preços. Um modelo que vemos a todo momento, é o ar condicionado de janela, como esse abaixo.


O ar condicionado de janela

A maioria dos prédios de escritório têm uma unidade condensadora nos telhados. Os shopping centers bem como um aeroporto  podem ter de 10 a 20 unidades condensadoras escondidas no telhado:

Olhando atrás dos hospitais, universidades e complexos de escritório, encontraremos grandes torres de resfriamento conectadas a sistemas de ar condicionado.

Mesmo que cada uma destas máquinas tenha uma aparência distinta, todas funcionam sob os mesmos princípios. Vamos ver mais de perto:

A idéia básica
Um ar condicionado é basicamente uma geladeira sem seu gabinete. Ele usa a evaporação de um fluido refrigerante para fornecer refrigeração. Os mecanismos do ciclo de refrigeração são os mesmos da geladeira e do ar condicionado. O termo Fréon é genericamente usado para qualquer dos vários fluorcarbonos não inflamáveis utilizados como refrigerantes e combustíveis nos aerossóis.


Diagrama de um ar condicionado

 

É assim que funciona o ciclo de refrigeração em um ar condicionado (veja Como funcionam as geladeiras para detalhes completos deste ciclo):

  1. O compressor comprime o gás frio , fazendo com que ele se torne gás quente de alta pressão (em vermelho no diagrama acima).
  2. Este gás quente corre através de um trocador de calor para dissipar o calor e se condensa para o estado líquido.
  3. O líquido escoa através de uma válvula de expansão e no processo ele vaporiza para se tornar gás frio de baixa pressão (em azul claro no diagrama acima).
  4. Este gás frio corre através de trocador de calor que permite que o gás absorva calor e esfrie o ar de dentro do prédio.

Misturado com o fluido refrigerante, existe uma pequena quantidade de um óleo de baixa densidade. Esse óleo lubrifica o compressor.

Aparelhos de janela
Um aparelho de ar condicionado de janela constitui um sistema completo de condicionamento de ar para locais pequenos. Estas unidades são fabricadas em tamanhos suficientemente pequenos, para que se encaixem em uma janela padrão. Se você abrir o compartimento de um ar condicionado de janela, verá que ele contém:

  • um compressor
  • uma válvula de expansão
  • um condensador (do lado de fora)
  • um evaporador (do lado de dentro)
  • dois ventiladores
  • uma unidade de controle

Os ventiladores sopram ar sobre os trocadores de calor para melhorar a sua capacidade de dissipar calor (para o ar exterior) e frio (para o ambiente ser resfriado).

BTU e EER

A maioria dos condicionadores de ar têm a sua capacidade classificada em Unidade de Calor Britânica ( BTU ). De forma geral, uma BTU é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 kg de água em 0,56º C. Especificamente, 1 BTU é igual a 1,055 Joules. Em termos de aquecimento e refrigeração, uma tonelada de refrigeração equivale a 12 mil BTU.

Um ar condicionado normal de janela pode ter uma capacidade de 10 mil BTU. Para comperação: uma casa de 185 m 2 pode ter um sistema de ar condicionado de 5 toneladas (60 mil BTU) de refrigeração, supondo que você precise de cerca de 300 BTU por m 2 . Perceba que estas são estimativas aproximadas. Para dimensionar um condicionador de ar para as suas necessidades específicas, contate um profissional especializado em equipamentos de HVAC - aquecimento, ventilação e ar condicionado.

A classificação da eficiência enérgica ( EER ) de um ar condicionado é a sua capacidade em BTU dividida pelo seu consumo. Se, por exemplo, um ar condicionado de 10 mil BTU consome 1.200 watts, o seu EER é de 8,3 (10 mil BTU/1.200 watts). Obviamente, você vai querer que o EER seja o mais alto possível, mas normalmente um EER maior é acompanhado de um preço também maior.

Vamos supor que você tenha que escolher entre dois aparelhos de 10 mil BTU. Um deles possui EER de 8,3 e consome 1.200 watts, enquanto o outro tem EER de 10 e consome 1.000 watts. Vamos também supor que a diferença de preço seja de R$ 100. Para decidir se vale a pena comprar o mais caro, você precisará saber:

  1. Aproximadamente quantas horas por ano vai usá-lo
  2. Quanto custa um quilowatt-hora na sua região
Vamos dizer que você planeje usar o ar condicionado no verão ( quatro meses por ano ) e que ele funcionará cerca de seis horas por dia . Imaginemos também que o custo da energia na sua região é de R$ 0,10/kWh . A diferença no consumo de energia entre os dois aparelhos é de 200 watts, o que significa que a cada cinco horas, o aparelho mais barato consome 1 quilowatt a mais, e portanto, R$ 0,10 a mais, do que o aparelho mais caro.

Supondo que sempre existam 30 dias em um mês, você chegará a seguinte conclusão:

4 meses x 30 dias/mês x 6 horas/dia = 720 horas

[(720 horas x 200 watts) / (mil watts/kW)] x R$ 0,10/kWh = R$ 14,40

Como os aparelhos mais caros custam US$ 100 a mais, isto significa que levará sete anos para compensar a diferença de preço entre os dois aparelhos.

Ar condicionado do tipo split, chiller e torres de resfriamento

Um  ar condicionado tipo split separa o lado quente e o lado frio do sistema da seguinte maneira:

O lado frio , composto de uma válvula de expansão e de um evaporador, é colocado dentro de uma câmara ou dentro de outro sistema de distribuição de ar . O sistema movimenta uma corrente de ar através do evaporador e direciona o ar através do prédio todo, usando uma série de dutos. O lado quente , conhecido como a unidade condensadora , fica na parte externa do prédio. Na maioria das instalações residenciais, a unidade tem esta aparência:

A unidade consiste de um trocador de calor com tubos em espiras  na forma de um cilindro. Dentro do trocador existe um ventilador que sopra ar, um compressor resistente às intempéries e um sistema de controle . Esse sistema tem evoluído ao longo dos anos, pois tem baixo custo e também promove a redução do ruído dentro da casa - porém ocorre um aumento do ruído do lado externo. Além do fato de que o lado frio e o lado quente estão separados e a capacidade é maior (em função dos trocadores de calor e compressores serem maiores), não existe diferença entre um sistema do tipo split e um ar condicionado de janela.

Em prédios de escritório, shopping centers, lojas de departamento, etc., a unidade condensadora normalmente fica no telhado e pode ser bem grande. Porém, também podem existir unidades menores no telhado, cada uma conectada para dentro do prédio por um sistema de distribuição de ar, que resfria uma zona específica do prédio.

Em edificações maiores e particularmente em arranha-céus, o uso do sistema de ar condicionado do tipo split acarreta alguns problemas. A instalação da tubulação entre o condensador e o evaporador excede a limitação da distância (em instalações longas existe o problema de lubrificação do compressor) ou a quantidade de dutos e sua extensão se tornam difíceis de serem administradas. Neste ponto, é preciso considerar um sistema de refrigeração do tipo refrigerador com água gelada (chiller) .

Em sistemas com chiller, o sistema inteiro é instalado no telhado ou atrás do prédio. Ele resfria a água entre 4,4º C e 7,2º C. Esta água resfriada é, então, canalizada através de todo o prédio para os sistemas de distribuição de ar. Não existe limite para uma tubulação de refrigeração do tipo chiller se ela for bem isolada.

Você pode ver neste diagrama que o ar condicionado (esquerda) é completamente normal. O trocador de calor permite que o gás frio resfrie a água que corre através de todo o prédio.

Torres de resfriamento


Torre de refrigeração

Em todos os sistemas descritos anteriormente, o ar é usado para dissipar o calor da serpentina externa (condensador). Em sistemas maiores, a eficiência pode ser melhorada de forma significativa se usarmos uma torre de resfriamento . Esta torre cria uma corrente de água com temperatura mais baixa. Essa água corre através de um trocador de calor e resfria a serpentina quente (condensador). Este é um sistema mais caro, mas a economia de energia pode ser significativa a longo prazo, especialmente em áreas de baixa umidade, onde o sistema se paga rapidamente.

Existem torres de resfriamento de todos os tamanhos e tipos. Todas elas funcionam da mesma maneira:

  1. Uma torre de resfriamento sopra ar através da corrente de água para que parte da água evapore.
  2. Geralmente, a água escoa através de uma malha com folhas espessas de plástico na forma de colméia.
  3. O ar sopra através dessa malha em ângulos retos em relação ao fluxo de água.
  4. A evaporação resfria a corrente de água.
  5. Como parte da água é perdida na evaporação, a torre de resfriamento deve ter, constantemente, adicionada água ao sistema para compensar a diferença.


Torres de refrigeração

A quantidade de resfriamento que se pode obter de uma torre de resfriamento depende da umidade relativa do ar e da pressão barométrica .

Imagine, por exemplo, que em um dia com temperatura de 35º C (95º F), pressão barométrica de 29,92 polegadas de água (pressão ao nível do mar) e 80% de umidade relativa, a temperatura da água na torre de refrigeração descerá cerca de 3,36º C até atingir 31,7º C (6º F para 89º F).

Se a umidade é de 50%, então a temperatura da água baixará para cerca de 8,4º C até atingir 26,7º C (15º F para 80º F).

Se a umidade é de 20%, então a temperatura da água baixará para 15,7º C até 19,4º C (28º F para 67º F). Mesmo as pequenas quedas de temperatura podem significar alterações significativas no consumo de energia.

Quando você olhar atrás de um prédio e encontrar um aparelho que tem grandes quantidades de água correndo através de uma malha de plástico, saberá que isto é uma torre de resfriamento.

Em muitos conjuntos de prédios de escritório e campus universitários, as torres de resfriamento e os equipamentos de ar condicionado são centralizados e a água resfriada é enviada para todos os prédios através de quilômetros de tubulação subterrânea.

Para mais informações sobre sistemas de ar condicionado e tópicos relacionados, confira os links na próxima página

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Fonte: www.howstuffworks.com

 

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