Por que o Formato do Duto Importa
Dimensionamento de Dutos: Área, Perímetro e Atrito
Cada duto HVAC é um tubo que transporta ar condicionado do manipulador de ar para os ambientes que atende. A capacidade de fluxo de ar de um duto depende de uma coisa: área de seção transversal.
CFM = Área x Velocidade: essa é a equação fundamental. CFM é pés cúbicos por minuto. Área é a seção transversal do duto em pés quadrados. Velocidade é a velocidade do ar em pés por minuto.
Mas a área não é a história completa. O perímetro do duto determina quanta superfície o ar esfrega. Mais perímetro significa mais atrito, o que significa mais queda de pressão, o que significa que o ventilador tem que trabalhar mais.
Um duto redondo de 12 polegadas tem uma área de seção transversal de pi x 6² = 113,1 polegadas quadradas. Seu perímetro é pi x 12 = 37,7 polegadas.
Um duto retangular de 14" x 8" tem uma área de 14 x 8 = 112 polegadas quadradas: quase idêntica. Mas seu perímetro é 2(14 + 8) = 44 polegadas: 17% mais superfície de atrito para a mesma capacidade de fluxo de ar.
Isso explica por que os dutos redondos são mais eficientes. O círculo tem a menor razão perímetro-área de qualquer forma. Em termos HVAC: dutos redondos produzem menos perda de atrito por CFM entregue.
Calculando a Área do Duto
Um sistema HVAC residencial precisa entregar 400 CFM para um quarto. A velocidade de projeto é 600 pés por minuto.
Alcance, Espalhamento e o Efeito Coanda
Como o Ar se Move Através de uma Sala
Uma vez que o ar condicionado deixa o duto, ele entra na sala através de um registro ou difusor. A geometria de como esse ar se move determina se a sala é confortável ou tem pontos quentes e frios.
Alcance é a distância que o ar viaja do difusor antes de sua velocidade cair abaixo de 50 FPM (pés por minuto). Um difusor de teto em uma sala de 20 pés precisa de alcance suficiente para atingir a parede oposta.
Espalhamento é a largura do padrão de ar. Um difusor de fenda linear cria um padrão plano e amplo. Um difusor de teto redondo cria um padrão radial.
Registros de fornecimento criam padrões de ar cônicos ou em forma de leque: o ar se expande em uma forma geométrica definida.
Registros de retorno criam zonas de sucção esféricas: o ar é puxado de todas as direções igualmente. É por isso que os registros de retorno podem ser colocados em quase qualquer lugar de uma sala.
O efeito Coanda: O ar em movimento tende a seguir superfícies próximas. O ar soprado ao longo de um teto vai se prender a ele, viajando muito mais longe do que ar soprado no espaço aberto. É por isso que os difusores montados no teto funcionam tão bem: o ar se apega ao teto, viaja pela sala, depois cai pela parede oposta. A geometria do teto se torna parte do sistema de distribuição de ar.
Entendendo a Distribuição de Ar
Uma sala de conferências tem 30 pés de comprimento com um difusor montado no teto em uma extremidade. O ar de fornecimento sai do difusor a 700 FPM.
Aletas, Tubos e Área de Superfície
Transferência de Calor é um Problema de Área de Superfície
A serpentina evaporadora em um ar condicionado ou bomba de calor é onde o calor realmente é transferido entre o ar e o refrigerante. A taxa de transferência de calor depende de três coisas: a diferença de temperatura, a condutividade térmica do material e a área de superfície.
Você não pode facilmente mudar a diferença de temperatura (que é definida pelo ciclo de refrigeração) ou a condutividade (cobre e alumínio já são excelentes condutores). Então engenheiros HVAC maximizam a área de superfície.
Uma serpentina evaporadora é feita de tubos de cobre com aletas finas de alumínio prensadas neles. As aletas são folhas finas: tipicamente 0,006 polegadas de espessura: espaçadas em 8 a 20 aletas por polegada.
Mais aletas por polegada = mais área de superfície = mais transferência de calor. Mas há uma compensação geométrica: mais aletas também significam passagens de ar mais estreitas entre elas, o que aumenta a resistência do ar e reduz o fluxo de ar.
Com 8 aletas por polegada, o fluxo de ar é fácil mas a área de superfície é limitada. Com 20 aletas por polegada, a área de superfície é enorme mas a serpentina bloqueia o fluxo de ar. A maioria dos sistemas residenciais usa 12-14 aletas por polegada como o ponto ideal.
Este é um problema puro de geometria: como você empacota a área de superfície máxima em um volume determinado enquanto mantém seção transversal aberta suficiente para o ar passar?
Compensação de Área de Superfície
Uma serpentina evaporadora residencial tem aletas espaçadas em 14 aletas por polegada. Cada aleta tem 0,006 polegadas de espessura. A face da serpentina tem 20 polegadas de largura e 18 polegadas de altura.
Propriedades do Ar como Geometria
O Gráfico Psicrométrico: Um Mapa Geométrico do Ar
O gráfico psicrométrico é uma das ferramentas mais importantes em HVAC. Parece complicado, mas é realmente apenas uma representação geométrica das propriedades do ar.
Eixo X: Temperatura de bulbo seco: o que um termômetro regular lê.
Eixo Y (lado direito): Taxa de umidade: a massa real de vapor de água por massa de ar seco (grãos de umidade por libra de ar seco).
Linhas curvas: Umidade relativa. A curva de 100% UR é a linha de saturação: o ar não pode reter mais umidade além desta curva. Curvas de UR mais baixa curvam abaixo dela.
Cada ponto no gráfico representa um estado de ar único. Se você conhece quaisquer duas propriedades (temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa, ponto de orvalho, entalpia), você pode localizar o ponto exato e ler todas as outras propriedades.
Processos HVAC são caminhos geométricos neste gráfico:
- Aquecimento sensível (fornalha): Mova-se para a direita ao longo de uma linha horizontal: a temperatura aumenta, a taxa de umidade permanece constante.
- Resfriamento sensível (acima do ponto de orvalho): Mova-se para a esquerda ao longo de uma linha horizontal.
- Resfriamento e desumidificação (ar condicionado típico): Mova-se para a esquerda E para baixo: a temperatura cai e a umidade se condensa.
- Umidificação: Mova-se para cima: adicionando umidade em temperatura constante.
- Resfriamento evaporativo (ar condicionado evaporativo): Mova-se para a esquerda e para cima ao longo de uma linha de bulbo úmido constante: a temperatura cai mas a umidade aumenta.
Rastreando Processos HVAC
Considere um dia de verão: o ar externo é 95 graus F de bulbo seco, 50% de umidade relativa. Você quer condicionar este ar para 75 graus F, 50% de umidade relativa para conforto interno.