Serpentinas Independentes - Run Around Coil Loop

IECAT - Instituto de Especialização em Ciências Administrativas e tecnológicas

Curso de Pós Graduação Refrigeração e Ar Condicionado Serpentinas Independentes Run-Around Coil Loop

Eng° Ricardo Lopes

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Sumário 1. OBJETIVO .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. ........................................... .................... 3 2. DEFINIÇÃO DO TERMO RUN-AROUND (INGLÊS) ........................................... ........................................................... ................ 3 3. SERPENTINAS INDEPENDENTES - RUN-AROUND COIL .......................................... ............................................... ..... 3 4. VANTAGENS E DESVANTAGENS ......................................... ............................................................... ............................................. ......................... 5 5. APLICAÇÕES VIÁVEIS ......................................... ............................................................... ............................................ ........................................... ..................... 6 6. MELHORES APLICAÇÕES............................................... ..................................................................... ............................................ ................................ .......... 6 7. APLICAÇÕES POSSÍVEIS ............................................. ................................................................... ............................................ ................................... ............. 6 8. O QUE NÃO SE DEVE FAZER AO DESENVOLVER UM PROJETO PROJ ETO................................. ................................. 6 9. TIPOS DE TECNOLOGIA - RECURSOS............................................. .................................................................... ................................... ............ 6 10. EFICIÊNCIA........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ....................................... ................ 7 11. EXEMPLOS DE CÁLCULOS ............................................ ................................................................... ............................................. ............................... ......... 7 12. SELEÇÃO DE SERPENTINAS ALETADAS .......................................... ................................................................. .............................. ....... 10 13. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ........................................................... .............................................................................. ................... 11 14. CONTROLE............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ..................................... .............. 11 15. MANUTENÇÃO ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. .............................. ....... 11 16. ESQUEMA DE INSTALAÇÃO ........................ .............................................. ............................................. ............................................. ......................... ... 12 17. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS .......................................... ................................................................. ............................................ ..................... 13

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1. OBJETIVO Conhecer sobre o sistema de recuperação de calor Run-around Coil. Entender o conceito de funcionamento, associando à este os conceitos apresentados do curso de pós-graduação, nas aulas de termodinâmica, transmissão de calor e no laboratório. Analisar o funcionamento dos componentes, identificar vantagens e desvantagens de sua aplicação Prever situações de aplicação visando alinhamento aos conceitos c onceitos de sustentabilidade.

2. DEFINIÇÃO DO TERMO RUN-AROUND (INGLÊS) Bomba de circulação ou Run-around Coil. Consiste de duas serpentinas serpentinas de troca de calor, uma em cada sentido de fluxo, acopladas uma uma à outra por meio de tubulação hidráulica em cujo interior circula um fluido de transferência térmica através de uma bomba de circulação. Este dispositivo, apesar de não ser relativamente muito eficiente, permite uma recuperação de calor entre fluxos de ar remotos e frequentemente múltiplos. A sua eficiência na recuperação de calor é de 50 %;

3. SERPENTINAS INDEPENDENTES - RUN-AROUND COIL

Com o recente aumento dos custos de energia, dispositivos de recuperação de calor podem oferecer despesas menores com energia elétrica e retorno rápido de investimento. Página 3 de 13


Um método popular de recuperação de calor são as Serpentinas Independentes Run-around Coil. A montagem de uma rede hidráulica em torno de arco das serpentinas simplesmente transfere calor a partir de uma corrente de ar para outra através de dois trocadores de calor utilizando como meio de transferência de calor, geralmente água ou glicol. Uma bomba é necessária para promover a recirculação do meio de transferência através do sistema. Embora a existência de vários outros métodos de recuperação de calor, o de um loop em torno das serpentinas pode ser a única opção quando as correntes de ar não são adjacentes Para implantar um projeto Run-around Coil é necessário primeiramente determinar as condições de projeto e possuir no mínimo as seguintes informações:

1. Vazão de ar de insuflamento 2. Vazão de ar de expurgo 3. Temperaturas de insuflamento (TBS/TBU) de verão e de inverno 4. Temperaturas de expurgo (TBS/TBU) de verão e de inverno 5. O espaço físico disponível para serpentinas de expurgo e insuflamento. Além de conhecer o espaço físico disponível para as serpentinas, é necessário estudar a logística de instalação delas. Geralmente, uma única serpentina será grande para permitir o manuseio ou sua localização. Muitas vezes o espaço disponível será preenchido com um banco de serpentinas empilhadas em fluxo paralelo. Apesar de uma única serpentina ser mais econômico, é possível evitar modificações de construção que são dispendiosos, com utilização de serpentinas múltiplas.

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É um sistema típico de recuperação de energia que utiliza um trocador de calor do tipo serpentina com tubos e aletas, conectados ao sistema de suprimento de ar externo e exaustão de ar do sistema de ar condicionado ou ar de processo de um edifício. As serpentinas são conectadas em um loop fechado, em contra fluxo, através é bombeada um fluido de transferência de calor como água gelada ou etileno glicol. Este sistema opera apenas para recuperação de calor sensível. Para aplicações de conforto, a transferência de energia [e sazonalmente reversível. O suprimento de ar é pré-aquecido quando o ar exterior está mais frio do que o ar de exaustão e é pré-resfriado quando o ar exterior está quente.

4. VANTAGENS E DESVANTAGENS Vantagens 1. Não é necessário que as duas correntes de ar sejam adjacentes entre si. 2. Podem ser utilizadas varias correntes de ar. 3. Tem poucas peças móveis como uma pequena bomba e uma válvula de controle. 4. Utilização eficiente do espaço. 5. Há redução do equipamento de aquecimento em alguns casos. 6. A capacidade de remoção de umidade do equipamento de refrigeração existente pode ser melhorada. 7. Não há contaminação cruzada entre as correntes de ar.

Desvantagens 8. Pequeno investimento adicional nas instalações elétricas em função do aumento da potência do ventilador, para que possa vencer a perda de carga adicional gerada pelo trocador de calor. 9. Instalação de uma pequena bomba para recirculação do fluido de transferência (água gelada ou etileno glicol) e rede de tubos interligando os trocadores. 10. Instalação de uma válvula de três vias e sensor de controle para atuação da bomba de recirculação. 11. Instalação de um sistema de filtragem do ar exterior. Página 5 de 13


5. APLICAÇÕES VIÁVEIS As exigências de ventilação de ar aumentaram, por outro lado investidores buscam certificações Leed® Green Building, somados aos elevados custos de energia as serpentinas independentes têm estimulado o interesse em sistemas de recuperação de calor. Com a recuperação de calor a capacidade do sistema existente pode ser aumentada sem a adição de resfriador, ou incremento da central de água gelada ou da capacidade da caldeira. Este sistema aplica-se melhor em edifícios onde a maior parte do ar exterior e o ar de escape encontram-se não são demasiadamente afastados.

6. MELHORES APLICAÇÕES Como este sistema é voltado para a recuperação de calor sensível, é melhor aproveitado se aplicado em locais onde há uma estação de verão considerável e em projetos que exigem um grande percentual de ar exterior, aumentando a eficiência do sistema através da transferência transferên cia de calor no ar de exaustão para qualquer pré-resfriamento ou pré-aquecimento do ar de admissão.

7. APLICAÇÕES POSSÍVEIS Qualquer edifício onde a redução da carga sensível sobre o equipamento de refrigeração é vantajosa

8. O QUE NÃO SE DEVE FAZER AO DESENVOLVER UM PROJETO Evitar aplicações quando há um número de dutos de admissão ou saída de ar que devem ser canalizadas para um único ponto. Nesses casos, os benefícios provavelmente não compensarão o aumento da potência do ventilador e da bomba e custos em primeiro lugar.

9. TIPOS DE TECNOLOGIA - RECURSOS Serpentinas de recuperação de energia - Sistemas Loop são altamente flexíveis e bem adequadas à renovação de ar ou em aplicações industriais. O sistema acomoda bem o aprovisionamento à Página 6 de 13


distância e, através dos dutos de admissão ou exaustão, permite a transferência simultânea de energia entre as fontes e usos múltiplos. Um tanque de expansão deve ser incluído para permitir a expansão e contração do fluido de transferência. Um tanque de expansão fechado ou pressurizado minimizará consideravelmente a oxidação quando o etileno glicol é utilizado como fluido de transferência. Serpentinas padrão podem ser usadas, no entanto precisam ser projetados usando um modelo de simulação precisa, de forma avaliar os valores de custo benefício, assim como em qualquer sistema de engenharia para integrar os Loops Run-around, por exemplo, em edifícios com cargas variáveis, de modo alcançar o máximo de benefícios. Em regiões de frio intenso, a umidade não deve congelar a ponto de obstruir a passagem de do ar na serpentina. Nesses casos, uma válvula de três vias de controle de temperatura deve ser utilizada com a finalidade de impedir o congelamento. A válvula é utilizada para controlar a temperatura da solução antes de entrar na serpentina. As curvas de desempenho de cada fabricante são específicas e os dados de desempenho devem ser utilizados na seleção das serpentinas. Eles devem levar em consideração a velocidade face e quedas de pressão, mas apenas quando os dados de projeto são para a mesma temperatura e condições de operação como no sistema Run-around. .

10. EFICIÊNCIA A serpentina de loop de recuperação de energia não pode transferir umidade a partir de uma corrente de ar para outra, no entanto o arrefecimento por evaporação indireta pode reduzir a temperatura do ar de exaustão, o que reduz significativamente as cargas de refrigeração. Para a operação mais rentável, com taxas de fluxo de ar iguais e não de condensação, os valores de eficácia típicos variam de 45 a 65%. Maior eficácia não necessariamente dar as maiores economias de custos líquidos.

11. EXEMPLOS DE CÁLCULOS Exemplo 1 - Ilustra a capacidade de um sistema típico Pretende-se utilizar os resíduos de um sistema de recuperação de calor para aquecer 10.000 cfm de ar a partir de uma temperatura do ar exterior de 0° F, usando uma corrente de ar de exaustão com temperatura de bulbo seco de 75° F e temperatura de bulbo úmido de 60° F, na eficácia de 100% e uma carga de aquecimento máximo de 810.000 Btu/h. Página 7 de 13


O ar flui através de serpentinas idênticas de oito rows a uma velocidade nominal 400 fpm e uma solução de 30% de etileno-glicol de etileno que é o meio de transferência de calor com vazão de 26 gpm. Controle de congelamento tipicamente mantém a capacidade de recuperação do ar exterior constante para temperaturas abaixo de 20° F. Essa constante de saída ocorre porque a válvula deve controlar a temperatura do fluido de entrada na serpentina de exaustão para prevenir o congelamento. Acima de aproximadamente 20° F a capacidade de aquecimento declina gradualmente para Zero BTU/H para 60° F de temperatura do ar exterior. Como a serpentina de exaustão é a fonte de calor e tem uma taxa de fluxo de ar constante entrando à temperatura do ar, verificando a taxa de fluxo de líquido, e considerando a temperatura do fluido (tal como determinado pela válvula), verificados os parâmetros da serpentina, a energia recuperada deve ser controlada para impedir congelamento na serpentina. Se as serpentinas são selecionadas para uma eficácia de 50% de calor sensível a Zero ° F OAT, o verdadeiro calor recuperado é 0,5 x 810.000 = 405.000 Btuh. Quando a válvula de controle de três vias opera a temperaturas do ar exterior em torno de 20 ° F ou abaixo, um máximo de 405.000 Btu / H é recuperado. A zero (0 )° F de temperatura de projeto e calor sensível efetivo de 50% a temperatura de bulbo seco do ar saindo é 35,5 ° F (= 405,000 / {10.000 x 1,08)), portanto a saída de ar a 75° F é arrefecida para 37,5° F.

Exemplo 2 - Ilustra a capacidade de um sistema típico com glicol Condições de projeto - Insuflamento 20.000 CFM, 95°F/82°F Verão, Inverno 10°F - Exaustão 20.000 CFM, 72°F (50% UR) durante todo o ano - serpentina com máxima queda de pressão de ar 1,5mH2O - Etileno Glicol 25% Para simplicidade de insuflamento e exaustão, os dutos são do mesmo tamanho, mas muitas vezes eles podem não ser idênticos. Qual a energia que pode ser retirada de 20.000CFM para resfriar de 72°F/50%UR para 10°F Obtendo a entalpia dos dois pontos na carta psicrométrica e subtraindo um do outro obteremos: 20.000CFM TBS72°F/50%UR para 10°F TBS = 2010950BTU/H. Página 8 de 13


Agora é necessário decidir quanta energia será recuperada. Em média esse valor está entre 30% e 60%. Utilizaremos 40%. Temperatura que passa entre as serpentinas Tipicamente o DT está entre 5 a 15°. Quanto menor a diferença maior a necessidade de vazão. Maior vazão representará aumento da potência da bomba e das linhas hidráulicas, entretanto produzirão uma boa recuperação de calor. Escolheremos 10° de diferencial de temperatura.

Vazão Q= RECUPERAÇÃO DE ENERGIA x VAZÃO x DIFERENÇA DE TEMPERATURA, logo BTU/H= % x GPM x DT 0.40 x 2016000 = 450* x GPM x 10 *450 para Etileno Glicol ou 500 para água 0.40 x 2016000 = 450* x GPM x 10  GPM = 179.

Portanto: Vazão de etileno glicol Calor recuperado

179 GPM 2010950BTU/H

Esses dados devem ser informados ao fabricante do equipamento para que dimensione os trocadores de calor. A seguir são apresentadas informações de um fabricante do Brasil, que permite o dimensionamento de vasta gama de trocadores de calor.

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12. SELEÇÃO DE SERPENTINAS ALETADAS

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13. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Construídas em tubos paralelos de cobre fosforoso sem costura, Ø 1/2pol, 3/8pol ou Ø 5/8pol, paredes de 0m40, 0,50 ou 0,79mm, expandidos mecanicamente para perfeito contato com aletas de alumínio de 0,18mm de espessura, do tipo alto ganho providas de corrugado profundo e bordas serrilhadas, com colarinhos isentos de rachaduras, fixadas aos tubos por meio de expansão mecânica, com no mínimo 8 aletas por polegada e 12/pol no máximo). Cabeceiras e laterais em chapas de alumínio com furos de passagem para tubos no formato tipo colarinho repuxado, providas de tubos coletores e distribuidores de água gelada, robinete de expurgo do ar e dreno. Coletores em tubos de cobre ou de aço SAE 1020, com conexões de entrada e saída. O número de filas ("rows") em profundidade varia dependendo do projeto, no mínimo dois. Os headers de entrada e saída da água gelada ou etileno glicol são normalmente de cobre e as conexões hidráulicas de entrada e saída da água gelada são localizadas do mesmo lado. Normalmente a velocidade do ar na face nas serpentinas é de no máximo de 2,0m/s.

14. CONTROLE O controle de fluído de transferência é feito por meio dos seguintes elementos de controle: 1. Válvulas de controle de água gelada, ou etileno glicol, três vias, PID 2. Válvula de balanceamento 3. Sensor de temperatura de ar PID 4. Sensor de temperatura de água PID

15. MANUTENÇÃO A manutenção adequada de serpentinas de arrefecimento é um fator crítico. Com o tempo de uso, as serpentinas vão ficando mais sujas e desgastadas, reduzindo a circulação total e tornando mais difícil atingir a temperatura desejada. A corrosão também é grande problema, pois acomete toda a estrutura da serpentina e gera vazamentos. Muitas substâncias utilizadas existentes nas superfícies das serpentinas arrefecimento são tóxicas e podem representar um perigo para a saúde caso não sejam submetidas a um criterioso programa de manutenção periódica. Página 11 de 13


16. ESQUEMA DE INSTALAÇÃO

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17. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS Com base nos conceitos de termodinâmica e transmissão de calor, conseguimos analisar o ciclo de climatização entender a aplicabilidade um sistema Run-around Coil, Verificamos que a eficiência do sistema é algo que também merece análise do engenheiro projetista para considerar ou não sua implantação no projeto Observamos que os sistemas Run-around Coil embora não sejam altamente eficientes, estão alinhados aos conceitos de sustentabilidade, portanto a conceituação de projetos com este perfil poderá invariavelmente contribuir para um mundo sustentável.

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