HVAC Neste artigo vamos discutir os diferentes tipos de permutadores de calor utilizados em aplicações de AVAC e serviços de construção, tanto para propriedades residenciais como comerciais. Também vamos ver como estes são aplicados aos componentes do sistema para condicionar o ambiente construído cobrindo o princípio de funcionamento de trocadores de calor HVAC comuns com animações.
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O que é um permutador de calor?
Um permutador de calor é exactamente o que o nome implica, um dispositivo usado para transferir (trocar) calor ou energia térmica. Os permutadores de calor recebem um fluido quente para fornecer aquecimento ou um fluido frio para fornecer refrigeração.
- Um fluido pode ser um líquido ou um gás
- O calor flui sempre do quente para o frio
- Deve haver uma diferença de temperatura para que o calor flua
Como é trocado o calor?
A energia térmica é transferida através de três métodos.
- Condução
- Convecção
- Radiação
A maior parte dos permutadores de calor para fins de AVAC utiliza a convecção e a condução. A transferência de calor por radiação ocorre, mas constitui apenas uma pequena percentagem.
Transferência de calor por condução
Condução ocorre quando dois materiais de diferentes temperaturas se tocam fisicamente. Por exemplo, colocamos uma chávena de café quente sobre uma mesa durante alguns minutos e depois retiramos a chávena, a mesa terá conduzido alguma desta energia térmica.
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Convecção de transferência de calor
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Convecção ocorre quando os fluidos se movem e transportam a energia térmica. Isto pode ocorrer naturalmente ou por força mecânica, como o uso de um ventilador. Um exemplo disto é quando você sopra em uma colher quente de sopa. Você sopra a colher para esfriar a sopa e o ar leva este calor para longe.
Transferência de calor por radiação
Radiação ocorre quando uma superfície emite ondas eletromagnéticas. Tudo, incluindo você, emite alguma radiação térmica. Quanto mais quente for uma superfície, mais radiação térmica ela emitirá. Um exemplo disso seria o sol. O calor do sol viaja como ondas eletromagnéticas pelo espaço e chega até nós sem nada entre.
Fluidos usados
Os fluidos usados no sistema HVAC normalmente incluem água, vapor, ar, refrigerante ou óleo como meios de transferência. Os permutadores de calor AVAC normalmente fazem uma de duas coisas: ou aquecem ou arrefecem ar ou água. Alguns são usados para resfriar ou aquecer equipamentos por razões de desempenho, mas a maioria é usada para condicionar ar ou água.
Tipos de trocadores de calor.
A maioria dos trocadores de calor segue um de dois projetos. Desenho em bobina ou em placa. Vamos dar uma olhada no básico de como ambos funcionam e então ver como eles são aplicados a trocadores de calor comuns em sistemas.
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Cambiadores de calor em bobina – simplificado
Cambiadores de calor em bobina na sua forma mais simples usam um ou mais tubos que vão e vêm várias vezes. O tubo separa os dois fluidos. Um fluído flui dentro do tubo e outro flui para o exterior. Vamos dar uma olhada em um exemplo de aquecimento. O calor é transferido do fluido quente interno para a parede do tubo por convecção, ele então conduz através da parede do tubo para o outro lado e o fluido externo transporta-o também por convecção.
Plate heat exchangers – simplified
Plate heat exchangers use thin plates of metal to separate the two fluids. Os fluidos geralmente fluem em direções opostas para melhorar a transferência de calor. O calor do fluido mais quente é convectado na parede da placa e depois conduzido para o outro lado. O outro fluido, que entra a uma temperatura mais baixa, depois transporta-o através da convecção.
Vejamos mais detalhadamente como estes tipos de permutadores de calor são aplicados em aplicações HVAC.
Bobina de tubo acabado (fluido)
Os tubos acabados são frequentemente referidos como simplesmente uma bobina, por exemplo, a bobina de aquecimento ou de arrefecimento. Estes são extremamente comuns. Você os encontrará em unidades de tratamento de ar, unidades de serpentina de ventilador, sistemas de tubulação, evaporadores e condensadores de sistemas de ar condicionado, na parte de trás de refrigeradores, em aquecedores de vala, a lista continua.
Para estes trocadores de calor a água, refrigerante ou vapor geralmente flui através do interior e o ar flui no exterior.
Por exemplo, quando usado para aquecer ar, usando água aquecida, a água quente flui dentro do tubo e transfere sua energia térmica via convecção para a parede do tubo, há uma diferença de temperatura entre a água quente e o ar para que o calor seja conduzido através da parede do tubo. O ar que passa no exterior transporta-o através da convecção.
As aletas normalmente ligam-se entre todos os tubos, estes situam-se directamente no caminho do fluxo de ar e ajudam a retirar o calor do tubo e a levá-lo para o ar, pois este actua como uma extensão da área superficial do tubo. Mais área de superfície = mais espaço para a transferência de calor.
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Cambiador de calor de placas da conduta
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Cambiadores de calor de placas da conduta são utilizados em unidades de manuseamento de ar para trocar energia térmica entre as correntes de ar de admissão e de escape sem que a humidade seja transferida e sem que as correntes de ar sejam misturadas. O permutador de calor é feito de chapas finas de metal tipicamente alumínio, com os dois fluidos de diferentes temperaturas a fluir em direcções diagonais opostas. Normalmente o ar é utilizado em ambos, mas os gases de escape de algo como um motor CHP também podem ser utilizados.
O calor de um fluxo é convectado sobre as chapas finas de metal que separam os fluxos, isto é então conduzido através do metal onde é levado por convecção forçada para o outro fluxo.
Aquecedor de trincheira
Aquecedores de trincheira são instalados ao redor do perímetro de um edifício, geralmente sob uma janela ou parede de vidro e são muito comuns em novos edifícios comerciais. Os aquecedores de vala são instalados no chão e o seu objectivo é reduzir a perda de calor através do vidro, bem como evitar a formação de condensação.
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Fazem isto criando uma parede de correntes de ar convectantes. Os aquecedores de vala normalmente utilizam água quente ou elementos de aquecimento eléctricos para aquecer o ar. A sua posição ao nível do chão significa que têm acesso ao ar mais frio da sala. O permutador de calor transfere calor para este através de um tubo com alhetas, o que faz com que o ar frio aqueça e se eleve em direcção ao tecto. À medida que este ar quente sobe, o ar mais frio da sala vai entrar a correr para tomar o seu lugar. Isto cria uma corrente convectiva e um limite térmico entre o vidro e a sala.
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Aquecedor eléctrico de convecção – elemento de serpentina aberta
>Os elementos de aquecimento de serpentina aberta são utilizados principalmente em aplicações de condutas, fornos e, por vezes, serpentinas de ventilação. Estes funcionam utilizando bobinas expostas de metal altamente resistivo para gerar calor. Estes permutadores de calor são colocados directamente no fluxo de ar e à medida que o ar passa através das serpentinas, a energia térmica é transferida por convecção. Estes fornecem aquecimento uniforme através da corrente de ar, embora estes só sejam utilizados onde é seguro fazê-lo e não podem ser facilmente acessados.
Microchannel heat exchangers
Microchannel heat exchangers são um avanço na serpentina do tubo aletado fornecendo troca de calor superior, embora estes só sejam utilizados para sistemas de refrigeração e ar condicionado. Você pode encontrar estes tipos de trocadores de calor em chillers resfriados a ar, unidades de condensação, AC residencial, secadores de ar, unidades de resfriamento de gabinete e telhado etc.
Estes tipos de trocadores de calor também funcionam utilizando a convecção como seu principal método de transferência de calor. O permutador de calor de micro-canal tem um design simples. De cada lado está uma cabeceira, que corre entre cada cabeceira estão alguns tubos planos com aletas no meio. O ar passa através das aberturas nas aletas para transportar a energia térmica.
O refrigerante entra através da cabeceira e depois passa pelos tubos planos até chegar à outra cabeceira. Os cabeçotes contêm defletores que controlam a direção do fluxo do refrigerante e são utilizados para loopar o refrigerante através dos tubos um número de vezes para aumentar o tempo gasto no interior e assim aumentar a oportunidade de transferir a energia térmica.
Dentro de cada tubo plano há um número de pequenos furos conhecidos como micro canais que percorrem todo o comprimento de cada tubo plano. Estes micro canais aumentam drasticamente a área de superfície do permutador de calor, o que permite que mais energia térmica saia do refrigerante e entre na caixa metálica do permutador de calor. A diferença de temperatura entre o refrigerante e o ar faz com que o calor seja conduzido através da carcaça do tubo plano e para dentro das aletas. À medida que o ar passa pelas aletas, ele transporta essa energia térmica por convecção.
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Servo do evaporador do forno
Os evaporadores do forno são comumente encontrados em grandes casas e pequenas propriedades comerciais com pequenos sistemas de dutos. Você pode obter bobinas maiores que funcionam com princípios similares, mas para sistemas maiores, principalmente para AHU’s em edifícios comerciais de médio a grande porte. A serpentina dentro de um evaporador de forno funciona da mesma forma que um trocador de calor com tubo aletado e utiliza um refrigerante no interior com ar canalizado no exterior. O ar que passa através dos tubos transfere seu calor por convecção forçada, este é então transferido através da parede do tubo por condução, o refrigerante no interior transporta este calor por convecção forçada, o refrigerante ferve e evapora para o compressor.
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Radiadores
Estes são muito comuns especialmente em toda a Europa e América do Norte em casas e edifícios comerciais mais antigos. Eles são montados em paredes tipicamente sob uma janela para fornecer aquecimento do espaço. A sua função é muito simples, são normalmente ligados a um tubo de água quente que é alimentado com água quente de uma caldeira.
A água entra através de um tubo de pequeno diâmetro e flui para o interior do radiador. A área interna do radiador é mais larga do que o tubo que reduz a velocidade da água para permitir mais tempo para o calor ser transferido.
O calor da água é transferido por condução para as paredes metálicas do radiador. No exterior do radiador está o ar da sala. Quando este ar entra em contacto com a superfície quente do radiador, o calor é transferido para o ar e isto faz com que o ar se expanda e suba. O ar mais frio move-se então para substituir este ar causando um ciclo contínuo de ar em movimento que aquece a sala, este ar em movimento é, portanto, uma transferência de calor por convecção. O radiador geralmente tem algumas aletas conectadas na parte de trás ou entre os painéis, especialmente nos novos, estas estão lá apenas para estender a área da superfície do radiador para proporcionar mais oportunidade de transferir calor para o ar. Os radiadores são incorrectamente nomeados, uma vez que transferem principalmente por convecção.
Algumas vezes encontrará radiadores especialmente concebidos ligados a sistemas de vapor, mas isto está a tornar-se menos comum, o óleo costumava ser usado também, mas isto é bastante raro agora em alguns dias.
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Elemento de aquecimento de água
O elemento de aquecimento de água é normalmente encontrado em calificadores e aquecedores de água, por vezes também é usado na bacia de torres de arrefecimento abertas para evitar que a água congele no Inverno. Estas utilizam uma serpentina metálica ao longo do tubo que tem um alto valor de resistência. Esta resistência gera calor. A serpentina é isolada para conter o fluxo de corrente, mas permite o fluxo de energia térmica. O elemento de aquecimento é submerso em um tanque de água e o calor é conduzido para fora do elemento e para dentro da água. A água que entra em contacto com o elemento de aquecimento é portanto aquecida e isto faz com que ela suba dentro do tanque, a água mais fria flui para substituir esta água aquecida onde este ciclo continuará.
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Rotary wheel
Este tipo de permutadores de calor são normalmente encontrados dentro da Unidade de Tratamento de Ar entre as correntes de ar canalizado de alimentação e extracção. Eles funcionam utilizando um pequeno motor eléctrico ligado a uma correia de tracção para girar lentamente o disco permutador de calor que fica directamente no fluxo de ar entre o escape e a entrada de ar fresco. O ar passa directamente através do disco, mas ao fazê-lo entra em contacto com o material da roda. O material do disco permutador de calor absorve a energia térmica de uma corrente de ar e ao rodar entra na segunda corrente de ar onde irá libertar essa energia térmica absorvida. Este tipo de permutador de calor irá resultar numa pequena quantidade de fluido misturado entre a corrente de ar de admissão e de escape devido às pequenas folgas presentes onde a roda gira, portanto não pode ser utilizado onde são utilizados odores fortes ou fumos tóxicos.
Estes permutadores de calor podem ser utilizados nos meses de Inverno para recuperar o calor da corrente de escape dos edifícios, este calor é capturado pela roda térmica e transferido para a corrente de admissão de ar fresco que será muito mais fresco do que o ar dentro do edifício.
Estes permutadores de calor também podem ser utilizados nos meses de Verão para recuperar o ar frio dos gases de escape dos edifícios e usá-lo para arrefecer a entrada de ar fresco.
Caldeira de água
Como funciona uma caldeiraEncontra-se caldeiras de grandes dimensões como esta principalmente em edifícios comerciais de média a grande dimensão em climas mais frios. As casas e edifícios menores usam versões muito menores, geralmente montadas na parede. Ambas têm muitas variações, mas este tipo é muito comum.
O combustível é queimado na câmara de combustão (geralmente gás ou óleo) e os gases de escape quentes são forçados através de uma série de tubos até que cheguem à chaminé e sejam libertados para a atmosfera. Os tubos e a câmara de combustão são rodeados por água. O calor convecta-se às paredes dos tubos e depois é conduzido através da água, sendo depois transportado por convecção. Dependendo do desenho do sistema, a água ou sai como água aquecida ou como vapor. Esta água é forçada por uma bomba, a velocidade da bomba bem como a quantidade de combustível queimado pode ser variada para alterar a temperatura e o caudal.
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Tubo de aquecimento
Encontrará estes em aquecedores solares térmicos de água e algumas serpentinas AHU de recuperação de calor. Se olharmos para a aplicação solar térmica, temos um tubo feito de vidro especial que é evacuado de todo o ar para criar um vácuo e depois é selado. A camada interna do tubo tem um revestimento especial. O revestimento e o vácuo trabalham em conjunto para evitar que o calor possa sair uma vez que entre no tubo, depois ajuda a movê-lo para o tubo de calor no centro.
O tubo de calor tem uma barbatana em cada lado ligada ao revestimento do tubo para captar a energia térmica.
O tubo de calor é um tubo de cobre fechado, longo e oco que percorre o comprimento do tubo de vidro e tem uma bolha saliente na parte superior. O bulbo é ligado a uma cabeça e a água fria é passada através da cabeça para passar através da cabeça do bulbo.
No interior do tubo de calor há uma mistura de água mantida a uma pressão muito baixa. Esta baixa pressão permite que a água evapore para o vapor com pouca adição de calor. O vapor então sobe para dentro do bulbo, onde ele vai desistir de seu calor para a água que passa através da cabeça do bulbo. À medida que o vapor desiste do seu calor, ele se condensa e cai novamente para baixo para repetir o ciclo. O tubo absorve a radiação térmica, esta é então conduzida para dentro do tubo. A água no interior do tubo convecta-a até o bulbo, o calor é conduzido através da parede do tubo e é levado por convecção para o fluxo de água.
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Feixe refrigerado
Existem dois tipos de feixes refrigerados utilizados, passivos e activos. Ambos são utilizados principalmente em edifícios comerciais.
Trabalho com feixe refrigerado activo, passando um líquido fresco, tipicamente água, por um permutador de calor com tubo aletado. O ar é então canalizado para o feixe refrigerado e sai através de bocais especialmente posicionados. Este ar se move sobre o tubo aletado e sopra o ar frio para dentro da sala. Portanto, usando convecção forçada.
Passivo feixes refrigerados também usarão um trocador de calor com tubo aletado, mas eles não têm uma alimentação de ar canalizado conectada. Em vez disso, eles criam uma corrente de convecção natural ao arrefecer o ar quente ao nível do tecto. Este ar arrefecido afunda-se e é substituído por ar mais quente onde o ciclo se repete.
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Aquecedor do forno
Aquecedores de forno são comuns em casas com ar condicionado canalizado. Estes são muito comuns na América do Norte. Os aquecedores de fornalhas utilizam um permutador de calor colocado directamente no vapor de ar canalizado. O combustível é queimado e o gás quente é enviado através do permutador de calor, o calor deste é convectado para as paredes do permutador de calor, o ar canalizado do refrigerador passa através do outro lado causando uma diferença de temperatura de modo que o calor do gás é conduzido através da parede e será transportado por convecção.
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Plate heat exchanger
Existem dois tipos principais de permutadores de calor de placas, tipo de junta e tipo de placa soldada. Ambos são muito eficazes na transferência de energia térmica, para uma eficiência ainda maior e um design compacto é possível utilizar permutadores de calor de microplacas para muitas aplicações. Já cobrimos todos esses trocadores de calor em grandes detalhes anteriormente.
O básico a saber sobre esses dois tipos de trocadores de calor é que o tipo Gasket pode ser desmontado, sua capacidade de aquecimento ou resfriamento pode ser aumentada ou diminuída simplesmente pela adição ou remoção de placas de transferência de calor. Você encontrará estes utilizados especialmente em propriedades comerciais de alta elevação para conectar indiretamente resfriadores, caldeiras e torres de resfriamento aos circuitos de aquecimento e resfriamento e para conectar edifícios a redes energéticas distritais.
Cambiadores de calor de placas derazed são unidades seladas que não podem ser desmontadas, sua capacidade de aquecimento ou resfriamento é fixa. São utilizados para aplicações como, por exemplo, bombas de calor, caldeiras de aquecimento combinado, unidades de interface térmica, calefactores de ligação indirecta, etc.
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Bambos trabalham passando fluidos, geralmente em direcções opostas, em canais adjacentes. Os fluidos são geralmente água e ou refrigerante. A energia térmica é convectada na placa, depois conduz através da placa e o fluido do outro lado transporta-a através da convecção.
Bombas de calor
Bombas de calor são usadas principalmente em casas, mas às vezes em propriedades comerciais. Existem dois tipos principais de bombas de calor: a fonte de ar e a fonte de terra. A fonte de ar é comumente usada para aquecimento de ar ambiente, enquanto que a fonte subterrânea é mais comumente usada para aquecimento de água.
A fonte de ar funciona como um sistema CA, mas ao contrário, em vez de remover o calor de uma sala, adiciona-o. Um refrigerante passa do compressor para a unidade interna que contém um trocador de calor com tubo aletado. O refrigerante transfere seu calor por convecção para as paredes do tubo, ele é então conduzido para o outro lado. Do outro lado está o ar frio da sala que é forçado a atravessar o permutador de calor por um pequeno ventilador, este então transporta o calor por convecção. O refrigerante flui então para a válvula de expansão e depois para a unidade externa que é também um trocador de calor de tubo aletado ou um trocador de calor de micro-canal.
Como o ar passa através deste trocador de calor, o ar ambiente fará com que o refrigerante ferva e capte calor. Este calor passa então pelo compressor até à unidade interna para repetir o ciclo.
A fonte subterrânea funciona de forma um pouco diferente. Uma mistura de água e anticongelante é bombeada através de tubos no solo para captar o calor. Esta é então transferida para um pequeno ciclo de refrigeração através de um permutador de calor de placas soldadas. O refrigerante transporta-o para um segundo permutador de calor de placas soldadas que é ligado a outro circuito de água, transferindo desta vez o seu calor para um reservatório de água quente, geralmente através de um tubo em espiral sem barbatanas.
Shell and tube
Shell and tube heat exchangers are typically found in chillers on the evaporator and or condenser, sometimes also as a lubricating oil cooler.
These are possibly the simpleist design of heat exchanger. Eles têm um recipiente externo conhecido como casco. Sentados dentro do invólucro estão uma série de tubos conhecidos como os tubos. Os tubos contêm um fluido e o invólucro contém outro fluido. Os dois fluidos estão sempre separados pelas paredes dos tubos, nunca se encontram ou se misturam. Os fluidos estarão a temperaturas diferentes, o que faz com que a energia térmica seja transferida entre os fluidos e essa energia térmica passará através das paredes dos tubos. Quando utilizados no evaporador ou condensador, os dois fluidos serão água e refrigerante. Dependendo do projeto, a água pode estar na casca ou no tubo e o refrigerante estará no outro.
Chiller
Um chiller usará um trocador de calor de casca e tubo, um trocador de calor de placas ou um trocador de calor de tubo aletado. Muitos resfriadores irão realmente usar uma combinação de todos eles. Por exemplo, um refrigerador arrefecido a ar pode utilizar um permutador de calor de casco e tubo para o evaporador, um permutador de calor de tubo aletado ou micro-canal para o condensador, um permutador de calor de placas soldadas para o arrefecimento de óleo lubrificante dos compressores e um permutador de calor de placas de juntas para ligar indirectamente o refrigerador ao circuito central de arrefecimento.