BRPI0901422A2 - equipamento e sistema de climatização removedor de calor sensìvel e calor latente - Google Patents

Abstract

EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAçãO REMOVEDOR DE CALOR SENSIVEL E CALOR LATENTE Patente de Invenção para equipamento e sistema de climatização removedor de calor sensível e latente é compreendido por trocadores de calor 3, 5 e 16 distribuídos em forma de "T" invertido, sendo a linha horizontal composta por dois trocadores de calor 5 e 16 lado a lado, que promovem a transferência de calor do ar de insuflação 15 para o ar de exaustão 2 umidificado e resfriado por água gelada. A linha vertical é composta por um trocador de calor 3 montado em forma de ½diamante" permitindo que o ar de exaustão 2, utilizado para remover à energia térmica do ar de insuflação 15 nos trocadores de calor horizontais 5 e 16, remova também a energia térmica do seu próximo fluxo (diminuindo ainda mais a temperatura do próximo ciclo) e depois sejadescartado no ambiente externo 20, desenhando uma trajetória de " laço". O ar de insuflação 15, composto por 50% de massa de ar de recirculação, e 50% demassa de ar de renovação, percorre os trocadores de ar-ar horizontais 5 e 16 e cede energia térmica ao ar de exaustão 2 umidificado e resfriado por águagelada pulverizada pelos bicos aspersores 11. Após o processo de resfriamento e desumidificação nos trocadores de calor ar-ar 5 e 16, o ar de insuflação 15 é impulsionado ao ambiente climatizado 17. O ar de exaustão 2,após remover energia do ar de insuflação 15, ainda tem temperatura menor que no momento da sua entrada no equipamento.

Description

"EQUIPAMENTO E SISTEMA DECLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DE CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE"

A presente patente de invenção tem por objetoum equipamento de ar condicionado diferenciado, para uso como climatizadorde ambientes, ao qual foi dada original concepção e construção com vistas amelhorar a utilização e eficiência do principio adiabático indireto em relação aossistemas convencionais existentes.

Já são conhecidos equipamentos e sistemasde as condicionado que utilizam-se de um circuito fechado de gás refrigeranteem que este gás é posto em movimento entre dois trocadores de calor paraque o mesmo absorva calor de um ambiente e o rejeite no ambiente exterior.

Em que pese a larga utilização desses tipos deequipamentos e sistemas de troca de calor e refrigeração, algunsinconvenientes podem-lhes ser atribuídos, como o fato de apresentaremelevado consumo de energia elétrica e de alta dissipação de calor para o meioexterno o que acarreta danos ao meio-ambiente e custos consideravelmentemaiores aos usuários, bem como baixas taxas de renovação de ar.

Tendo em vista tais problemas, e no intuito desuperá-los, foi desenvolvido o equipamento e sistema de ciimatrzaçãoremovedor de calor sensível e calor latente objeto da presente patente, queconsiste em utilizar o sistema adiabático indireto com aspersão de água geladano ar de exaustão e dupla troca de calor através de trocadores em série, comresfriamento final e com pré-resfriamento do ar de insulflaçâo, bem comoreaproveitamento da baixa temperatura do ar de exaustão para pre-resfriar estemesmo ar de exaustão quando da sua entrada no equipamento fazendo umlaço dos fluxo de ar de exaustão na entrada e na saída do equipamento.

Essa forma de construção e de funcionamentodo equipamento soluciona os inconvenientes apontados, uma vez que aaspersão da água gelada e a dupla troca de calor conferem alta eficiência eeficácia, evitando perda desnecessária do ar frio de exaustão o qual éreaproveitado, reduzindo o consumo de energia elétrica e da água derefrigeração.

Por outro lado, como o princípio é evaporativoindireto, parte do trabalho é produzido por unidades de refrigeração queresfriam indiretamente a água contida na bandeja, via trocador de calor gásrefrigerante-água ou água gelada-água do equipamento e, via evaporação departe da água do equipamento ao ser pulverizada no ar de exaustão dentro decâmaras colocadas entre os trocadores de calor ar-ar. Dessa forma, fazem atransferência térmica de energia entre o ar de exaustão, mais frio, e o ar deinsuflação, mais quente, com sentido de fluxo de calor mais quente para o demenor temperatura.

Isto ocorre em dois trocadores em sériemontados horizontalmente. Antes de ser descartado, o ar de exaustão que estácom temperatura inferior à sua entrada, absorve energia térmica do mesmoantes do processo de pulverização de água gelada na primeira câmara,diminuindo sua temperatura e fazendo com que aumente a eficiência de trocatérmica com o ar de insuflação, pois está com temperatura mais baixa que naprimeira pulverização. Após este ciclo de trabalho, o ar de exaustão édescartado no ambiente externo podendo, em alguns casos, ser descarregadodiretamente nas serpentinas de condensação do equipamento de arcondicionado aumentando, com isso, seu poder de refrigeração.

Forma-se um ciclo em forma de "laço" queaumenta a remoção de energia térmica em comparação com os equipamentosconvencionais, e conseqüentemente reduz o consumo da energia elétricautilizada no equipamento de refrigeração, viabilizando sistemas com até 100%de renovação de ar, necessitando para seu funcionamento normal, da troca de50% do ar interno, muito acima dos níveis de renovação adotados usualmente.

O desenho anexo mostra a disposição doequipamento e sistema de climatização removedor de calor sensível e calorlatente", objeto da presente patente, no qual:

A Fig. 1 mostra-o em corte lateral.De conformidade com o quanto ilustra a figuraacima relacionada, o equipamento e sistema de dimatização removedor decalor sensível e calor latente, consiste em um troca dor de calor ar-ar 3, comaproveitamento do ar de exaustão 2, já utilizado para resfriar o ar de insulflação15, como pré-resfriador do fluxo de entrada do mesmo; em uma primeiracâmara de umidificação 4 ocorre resfriamento e complementação da massa doar de exaustão 2, com água gelada através dos bicos aspersores 11; trocadorde calor ar-ar 5 funcionando como resfriador final do ar de insuflação 15;segunda câmara de umidificação 6, resfriamento e complementação da massade ar de exaustão com água gelada através dos bicos aspersores 11 -estacâmara 6 também funciona como reservatório 7 de água não evaporada emqueda após sua aspersão, possuindo captação da água condensada do fluxode ar de insuflação 15, bóia 12 que controla o fluxo de água 13 para repor águaque foi evaporada no processo e o trocador de calor indireto gás refrigerante-água ou água gelada-água 8 do equipamento de refrigeração que fica imersona água do reservatório 7; trocador de calor ar-ar 16 funcionando como pré-resfriador do ar de insuflação 15; câmara de condução 18 do ar de exaustão 2até o trocador de calor ar-ar 3 para pré-resfriamento do ar de exaustão 2 noprocesso de resfriamento do ar de insuflação 15. Eletro-bomba 9, filtro de água14 e rede hidráulica 10 instalados fora do corpo do equipamento, filtro de ar 1na admissão do ar de exaustão 2; eliminador de gotas 19 na saída do ar deexaustão 2 que é descarregado na atmosfera 20, ou em condensadoras à ar20; filtro de ar 1 na tomada de ar de insuflação 15; eliminador de gotas 19 nasaída do ar de insuflação 15 que é conduzido para o ambiente climatizado 17.

Os trocadores de calor do tipo ar-ar sãocompostos por placas de configuração quadrangular em metal, ou outromaterial com boa condutibilidade térmica (tais como aço inox, cobre, alumínio),unidas por dois lados duas a duas alternadamente e com espaço entre ambas,criando passagem para que os dois fluxos de ar (de exaustão e de insuflação)percorram as placas simultaneamente com sentido de 90° entre ambas, sem setocarem, porém promovendo troca térmica no sentido do mais quente (ar deinsuflação) para o mais frio (ar de exaustão umidrficado com água gelada).

O mecanismo funcional do equipamento esistema de climatização removedor de calor sensível e calor latente estábaseado em trocas seqüenciais de calor (energia térmica) entre os dois fluxosde ar sem que eles se toquem. É de se notar que os processos são repetitivospara maximizar ar trocas de calor.

Cada trocador, visto unitariamente, configura-se como um pacote de lâminas unidas por pressão mecânica em dois ladosopostos de modo que os outros dois lados não unidos formem uma câmara depassagem de ar pelo distanciamento entre ambas. A próxima união seráalternada e a nova câmara ficará com sentido de passagem de ar a 90° emrelação à câmara anterior, e assim sucessivamente. Esta orientação permiteaos dois diferentes fluxos de ar (ar de exaustão e ar de insuflação) teremsentidos diferenciados em 90° sem se tocarem.

As lâminas que compõem os trocadores têmressaltos estampados mecanicamente, não coincidentes na ocasião dasuniões, para manter uniforme à distância (espaço onde os fluxos de ar fluem)entre sí. A vedação das uniões se dá por pressão mecânica e, em algunscasos, é reforçada por imersão em tinta para metal à base de água. Fechandoos cantos do trocador são coladas cantoneiras nas quinas mediante vedaçãoelástica.

O equipamento e sistema de climatizaçãoremovedor de calor sensível e calor latente é montado em forma de "T"invertido, sendo a linha horizontal composta por dois trocadores de calor ar-ar 5e 16 lado a lado, que promovem a transferência térmica, sendo o resfriamentoinicial do ar de insuflação 15 no trocador 16 e resfriamento final no trocador 5para então ser insuflado no ambiente a ser climatizado 17. A linha vertical écomposta por um trocador de calor ar-ar 3 montado na forma de "diamante" naparte superior do equipamento permitindo que o ar de exaustão 2 - já utilizadopara remover energia térmica do ar de insuflação 15 nos trocadores horizontais5 e 16 e que ainda tem sua temperatura menor que na hora da sua admissão-ao percorrer este trocador 3, remova também a energia térmica dele mesmo.Isso acontecerá quando da sua admissão no ciclo de refrigeração, porpulverização de água gelada, aumentando assim a eficiência do equipamento,pois parte da energia contida nele vai ser transferida para o ar de exaustão 2,que após este trabalho será lançado no ambiente externo 20.

O ar de insuflação, que é composto de 50% demassa de ar de recirculação captado internamente, e 50% de massa de ar derenovação captado externamente, percorre a linha horizontal (trocadores decalor ar-ar) e cede energia térmica na forma de calor sensível e calor latente,por condensação do vapor de água (pois a temperatura da placa separadorados dois fluxos estará abaixo do ponto de orvalho da mesma) às placas dotrocador de calor ar-ar. Essas, por sua vez, cederão a energia ao ar deexaustão captado internamente, composto de 50% de massa deste ar e 50%de água gelada pulverizada, que a resfria e umidifica (igualando assim asmassas envolvidas na troca térmica). Após tal processo, resfriamento edesumidificação nos trocadores de calor ar-ar, o ar de insuflação seráimpulsionado por meio de ventiladores, redes de dutos e elementos de difusãode ar até o ambiente climatizado.

Já o ar de exaustão captado internamente,após remover energia do ar de insuflação com auxílio da água geladapulverizada, como tem ainda temperatura menor que a sua do momento daentrada no equipamento, ao passar pelo cubo absorverá energia térmica (calorsensível) deste mesmo no próximo ciclo (pois o seu percurso no equipamentotem a forma de um "laço"), diminuindo sua temperatura que ao ser resfriada eumidificada atingirá temperaturas ainda menores.

Este primeiro resfriamento sensível do ar deexaustão é a chave do funcionamento do equipamento, pois ao ceder energiaao ar de exaustão já utilizado antes de ser descartado e ao sofrer apulverização de água gelada nas câmaras de umidificação, atingirátemperaturas muito mais baixas se comparado com um ciclo sem o percursoem forma de "laço". Porisso, após o processo de resfriamento (remoção decalor sensível) no trocador de calor ar-ar, sofre umidificação na câmara e temsua energia transferida à água gelada que por sua vez aumenta suatemperatura até que os dois elementos (ar e água) atinjam uma temperatura deequilíbrio térmico. Como a sua massa tem que ser igual à do ar de insuflação, aágua gelada puíverizada tem a massa complementar para atingir o equilíbriodas massas. A seguir esta massa composta por ar e água gelada comtemperaturas em equilíbrio (iguais) percorre o trocador de calor ar-ar e absorvecalor (energia) que é cedido às placas pelo ar de insuflação, que cede calorsensível e calor latente (condensação de parte do vapor de água contido nele).

Após esta etapa, o ar de insuflação éconduzido ao ambiente climatizado. Já o ar de exaustão que absorveu energiae aumentou sua umidade absoluta por conta de parte de evaporação da águapulverizada nele para tal trabalho, sofre nova pulverização de água gelada nacâmara e novamente ar e água gelada tem de entrar em equilíbrio térmico.Após isto, o ar de exaustão percorre o trocador de calor ar-ar e absorve calor(energia) do ar de insuflação na sua admissão no equipamento e tem suaumidade absoluta novamente aumentada por conta de evaporação de águapulverizada nele.

Ao final destas etapas, o ar de exaustão, quetem massa ligeiramente maior do que quando da sua admissão noequipamento e temperatura menor, fará remoção de calor sensível da suaadmissão no equipamento no trocador de calor ar-ar e então é finalmentedescartado externamente. Ao começar novo ciclo o ar de exaustão pré-resfriado sofre pulverização de água gelada, e esta massa de ar e águapercorrerá o trocador de calor ar-ar ao mesmo tempo que o ar de insuflação,que já sofreu pré-resfriamento e pré-desumidificação no trocador de calor ar-arno processo anterior, e suas condições entálpicas (ar de insuflação) serãomenores que do primeiro ciclo já descrito. Esta dinâmica de trocas em série deenergia entre os dois fluxos de ar (de exaustão e de insuflação) aliada aoaproveitamento final das condições do ar de exaustão para pré-resfriar o ar deexaustão na sua admissão no equipamento, faz com que possamos diminuir acapacidade dos equipamentos de refrigeração em torno de 50% doconvencional, proporcionando maiores renovações de ar interno ao mesmotempo menor consumo de energia, menores instalações hidráulicas outubulações de gás, menores cabines transformadoras e cabos elétricos,beneficiando toda a cadeia produtiva de energia.

Completa o equipamento, eletro-bomba 9 paramovimentação e pulverização da água gelada do reservatório 7, filtros de água14 e de ar 1, bicos aspersores 11 de água para pulverizar a mesma nascâmaras de umidifícação 4,6 e18, ventiladores para movimentação dos doisfluxos de ar (de insuflação 15 e de exaustão 2} e eliminadores de gotas deágua na saída dos dois fluxos de ar para capturar gotas de água queporventura sejam arrastadas pelos fluxos de ar que serão conduzidas aoreservatório de água 7 situado na parte inferior do equipamento para que sejamre-inseridas no processo pela aspersão promovendo economia de águaconsumida no processo, trocador de calor do sistema de refrigeração imerso naágua do reservatório 7.

O equipamento está inserido em uma caixaconstruída com divisórias de PVC que tem seu interior preenchido com EPS ecada painel desta com as laterais envolvidas com alumínio em formato de "U"colado com resina elastomérica de alto poder de aderência. Este processofabril foi escolhido por não propagar chama e pela sua excelência emisolamento térmico, pois sua espessura final é de 35 mm.

Claims (6)

1.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE" caracterizado por trocador de calorar-ar (3) funcionando como re-aproveitador da baixa temperatura do ar deexaustão (2) para pré-resfriar o fluxo de entrada do mesmo; primeira câmara(4) de pulverização de água gelada com bicos aspersores (11) para facilitartroca térmica com o ar de exaustão (2) e complementar sua massa para igualarà massa do ar de insuflação (15) onde se consegue as menores temperaturas;trocador de calor ar-ar (5) funcionando como resfriador final do ar de insuflação(15) pelo ar de exaustão (2) com água gelada que vem da câmara (4); segundacâmara (6) de pulverização de água gelada com bicos aspersores (11) parafacilitar troca térmica onde se consegue as segundas menores temperaturas;trocador de calor ar-ar (16) funcionando como pré-resfriador do ar de insuflação(15) pelo ar de exaustão (2) com água gelada que vem da câmara (6); câmara(18) de comunicação do ar de exaustão (2) que sai do trocador de calor ar-ar(16) até o trocador de calor ar-ar (3); reservatório de água gelada (7) doequipamento que contém trocador de calor imerso do tipo gás refrigerante-água (8) ou água gelada-água (8), bóia repositória (12) de água evaporada etubos condutores de água condensada do ar de insuflação (15) e de águapulverizada arrastada pelo ar de exaustão (2) que são capturadas noseliminadores de gotas (19); eletro-bomba (9) e filtro de água (14).

2.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE" caracterizado pela remoção de calorsensível (radiante) e calor latente (vapor de água) do ar de insuflação (15) poruma mistura de ar de exaustão (2) e de água gelada pulverizada (11) nestefluxo de ar de exaustão (2); em trocadores de calor do tipo ar-ar (3), (5) e (16)que possuem placas divisórias que impedem o contato direto entre os doisfluxos, mas transmitem energia (calor) do fluxo mais quente (insuflação) para ofluxo mais frio (exaustão mais água gelada) confeccionadas em material bomcondutor de calor (alumínio, aço inox, cobre ou liga nobre, por exemplo) e quepossuem ressaltos estampados não coincidentes na montagem que servem deespaçadores entre as placas; os trocadores de calor (5) e (16) promovem ofluxo de energia no sentido do ar de insuftação (15) para o ar de exaustão (2)mais água gelada por diferença de temperatura, de tal forma e eficiência quenecessita apenas 50% da capacidade de um equipamento de ar condicionadoconvencional para realizar o mesmo trabalho de climatização.

3.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE" caracterizado por mecanismofuncional que são os trocadores de calor em número de três (3), (5) e (16), quepermitem que fluxos de ar diferentes cambiem calor (energia térmica) sem setocarem; é de se notar que os processos se repetem para reaproveitamentodos ciclos de trocas de calor; o trocador de calor visto unitariamente é umpacote de lâminas de metal ou outro material bom condutor de calorsobrepostas e com fechamento em dois lados opostos alternadamente quecriam canais de passagem com grande superfície para a passagem do doisfluxos de ar (de exaustão (2) com água gelada pulverizada (11) e ar deinsuflação (15) orientados a 90° entre si, onde trocam energia térmica sem setocarem.

4.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE" caracterizado por montagem emforma de "T" invertido, sendo a linha horizontal composta por dois cubos (5) e(16) lado a lado e que promovem trocas de energia térmica entre os dois fluxosde ar (de exaustão (2) com água gelada pulverizada (11) e ar de insuflação(15); a linha vertical por um cubo (3) com configuração em forma de "diamante"e promove o pré-resfriamento (remoção) de calor sensível do ar de exaustãonovo (2) antes da sua primeira umidificação pelo próprio ar de exaustão (2) jáusado no processo e que está mais frio, por diferença de temperatura,caracterizando reaproveitamento energético.

5.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE" caracterizado por funcionamentoprocedendo da seguinte forma: o ar de exaustão (2) resfriado por água geladapulverizada (11) e succionado por ventilador colocado na descarga do mesmopara o ambiente externo (20) ou em condensadoras à ar (20), faz com quepercorra todos os trocadores de calor ar-ar, três, sendo dois horizontais (5) e(16) e um vertical (3) e as câmaras de umidificação, duas, com evaporaçãomuito eficiente pois a pressão negativa no circuito faz com que ao ganhar caloro ar de exaustão (2) absorva vapor de parte da água gelada que muda deestado; o ar de insuflação (15) é succionado por outro ventilador colocado nasaída do mesmo e faz com que percorra os dois trocadores de sentidohorizontal; bicos aspersores (11) promovem a distribuição da água gelada demaneira uniforme no ar de exaustão (2) situam-se em duas câmaras antes decada troca térmica com o ar de insuflação (15); pré-resfriamento inicial do ar deexaustão (2) pelo mesmo ar após remover energia do ar de processo porpossuir ainda temperatura inferior do que na hora da sua entrada noequipamento e com isto conseguindo-se temperaturas menores naspulverizações com água gelada e conseqüentemente mais eficiência doequipamento por gradientes (diferenças) de temperatura menores entre o ar deexaustão (2) e o ar de insuflação (15).

6.) "EQUIPAMENTO E SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO REMOVEDOR DECALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE", caracterizado por serconfeccionado em placas divisórias de PVC com enchimento em EPS eemolduradas com alumínio em "U".