Nova metodologia de cálculo para ventilação eficiente
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Nova metodologia de cálculo para ventilação eficiente
Nova Metodologia de Cálculo de Sistemas de Ventilação de Cozinhas Profissionais Eng.º Victor Monteiro Vogal da CT 178 INS/CATIM (IPQ) Porto, 7 de Novembro de 2009 1 Plano 1. Introdução 2. Metodologias actuais 3. Novas metodologias 4. Vantagens do cálculo pela carga térmica 5. Concepção e Projecto 6. Cálculo dos caudais – exaustão e insuflação 7. Cargas de conforto – frio e calor 8. Perdas de carga 9. Resultados 10. Conclusões 2 1 1 - Introdução Norma: VDI 2052:2006 e ASTM 1704:2004 A motivação: motivação: eficiência energética e eficiência de ventilação. Objectivos: Objectivos: obter condições de conforto nas cozinhas profissionais com a minimização de custos. Nova metodologia: metodologia: “carga térmica” com base na teoria da pluma térmica. Método experimental: baseado em estudos científicos e testes de campo. 3 2 - Metodologias actuais Método universal [valor de caudal f(tipo de equipamento.)] Método da superfície de cocção [300 l/s*m2] Método da taxa de renovação horária [15 - 30 vol/h] vol/h] Método da velo. aspiração [v = 0,20 a 0,50 m/s] Método do número de refeições: Atribuição de um caudal/refeição que se situa entre 10 e 25 m3/ref. 4 2 3 - Novas Metodologias Método da Convecção Térmica: UtilizaUtiliza-se quando se conhecem os dados dos equipamentos (dimensões, alimentação, tipo, etc.) mas desconhecedesconhece-se a potência dos equipamentos. Método da Carga Térmica: Térmica: UtilizaUtiliza-se quando conhecemos todos os dados relativos aos equipamentos, respectivo funcionamento, tipologia do local e a tipologia da hote. NOTA: Neste método estão excluídas as churrasqueira a carvão vegetal vegetal ou outros equipamentos que trabalhem com combustíveis sólidos. 5 4 – Vantagens do cálculo pela carga térmica A METODOLOGIA UTILIZADA… 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Assenta na teoria da “pluma térmica”. Reproduz na prática experiências de campo. Introduz o conceito de “caudal eficiente”. Tem como base a potência e a energia de cada alimentação de cada equipamento. Maximiza a eficiência e minimiza os custos. Pressupõe o conhecimento da emissão do calor sensível emitido por cada equipamento. É um processo moroso, mas muito fiável. Já é utilizada pelas maiores empresas instaladoras na EU. Manequim Térmico 6 3 5 - Concepção e Projecto Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Critérios e Layout Lista de Equipamentos Requisitos da(s) Hote(s)/Tectos Requisitos de Conforto e Segurança Tipo de cozinha Tipo de menu Processos de cocção Equipamentos de cocção Tipo de QAI pretendido Cargas Características internas Pré-selecção (distribuição de ar, arrefecimento, etc.) Equipa.s de cocção: - Cargas - Energia - Horários Cargas externas Cargas dos equipam. Iluminação Colaboradores Tipo de hote Sistema de distribuição: - Mistura Tipo de tecto Caudais de ar: - Exaustão - Indução - Compensação Eficiência do sistema - Deslocamento Condições do ar interior Condições de higiene Condições de segurança Eficiência energética 7 5 - Concepção e Projecto 1. as normas e regras de boa prática da arte 1. Conhecer Conhecer as normas e regras de boa prática da arte 2. Cálculo e dimensionamento – “Método da carga térmica” 2. Cálculo e dimensionamento – “Método da carga térmica” 3. estratégia de difusão 3. Boa Boa estratégia de difusão 4. Equipamentos: eficiência e rapidez (robustez) 4. Equipamentos: eficiência e rapidez (robustez) NP 10371037-4 VDI 2052 DW(BS) 172 RSECE – QAI HACCP Reg. Reg. 852/04 EN 779 EN 13779 ParâmetrosPrincipais: Principais: Parâmetros Temperaturaslimite: limite:18ºC(I)/27ºC(V) 18ºC(I)/27ºC(V) Temperaturas Velocidadedo doar: ar:0,20 0,20m/s(I)/0,32m/s(V) m/s(I)/0,32m/s(V) Velocidade Humidade Relativa: 35 65% Humidade Relativa: 35 aa65% Nível de ruído máx.: 65 dB Nível de ruído máx.: 65 dB (A)(A) Nívelde deiluminação: iluminação:500 500lux lux Nível Qualidadedo doar: ar:IDA IDA22 Qualidade Velocidade de exaustão 9,0m/s m/s Velocidade de exaustão <<9,0 Velocidade de insuflação < 6,0 m/s Velocidade de insuflação < 6,0 m/s 8 4 5 - Concepção e Projecto Traçado esquemático segundo a simbologia da EN 12792:2003 M M M M + M RESTAURANTE Cozinha Profissional 9 5 - Concepção e Projecto 1. as normas e regras de boa prática da arte 1. Conhecer Conhecer as normas e regras de boa prática da arte 2. Cálculo e dimensionamento – “Método da carga térmica” 2. Cálculo e dimensionamento – “Método da carga térmica” 3. estratégia de difusão – deslocamento (efeito de lago) 3. Boa Boa estratégia de difusão – deslocamento (efeito de lago) 4. Equipamentos: eficiência e rapidez (robustez) 4. Equipamentos: eficiência e rapidez (robustez) 5 . 1 Qp = k × (z + a × Dh )3 × Q conv 3 × K r Qp – Caudal mínimo teórico p/manter a pluma térmica [m3/h] k – Coeficiente empirico. Hote genérica; k = 18 [adimensional] z – Distância entre a superfície de cocção e a hote [m] a – Distância virtual da pluma térmica; a =1,7 Dh – Diâmetro hidráulico do equipamento [m] [m] Qconv – Potência convectiva emitida pelos aparelhos [kW] [kW] Kr – Factor de redução da hote (tipo de hote) [adimensional [adimensional]] 10 5 5 - Concepção e Projecto 1. as normas e regras de boa prática da arte 1. Conhecer Conhecer as normas e regras de boa prática da arte 2. e dimensionamento – “Método da carga térmica” 2. Cálculo Cálculo e dimensionamento – “Método da carga térmica” 3. Boa estratégia de difusão – deslocamento - efeito de lago 3. Boa estratégia de difusão – deslocamento - efeito de lago 4. eficiência e rapidez (robustez) 4. Equipamentos: Equipamentos: eficiência e rapidez (robustez) 11 5 - Concepção e Projecto 3 - Boa estratégia de difusão – deslocamento - efeito de lago MELHOR CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS, QUANDO O OBJECTIVO É… O CONFORTO A ECONOMIA Ar Tratado por UTAN Ar Filtrado por UVC Pos. Insuflação por… 1.º Tecto perfurado - deslocamento 1.º Plenum posterior 2.º Face da hote perfurada 2.º Insuflação por plenum na hote 3.º Insuflação por plenum na hote 3.º Tecto perfurado - deslocamento 4.º Insuflação variável por plenum 4.º Insuflação variável por plenum 5.º Grelha na hote com registo 5.º Cortina de ar 6.º Difusor de 4 vias 6.º Indução (curto-circuito) 7.º Cortina de ar 7.º Grelha na hote com registo 8.º Indução (curto-circuito) 8.º Difusor de 4 vias MELHOR PIOR Pos. Insuflação por… 12 6 6 - Cálculo dos Caudais 1.º Passo – Determinação do diâmetro hidráulico da pluma térmica: Dh = 2×L× W L+W comprimentoda dasuperfície superfíciede de LL––ééoocomprimento cocção de cada equipamento [m] cocção de cada equipamento [m] Z W--ééaalargura largurada dasuperfície superfíciede de W cocção de cada equipamento [m] cocção de cada equipamento [m] LxW alturaentre entreooplano planode decocção cocçãoeeaa ZZ––altura hote [m] hote [m] 13 6 - Cálculo dos Caudais 2.º Passo – Determinar a potência convectiva, convectiva, Qconv da pluma térmica Qconv = Pn x Qs x b x ϕ potêncianominal nominaldo doequipamento equipamento[kW] [kW] PPnn--ééaapotência calorsensível sensível(directo) (directo)emitido emitido[W/kW] [W/kW] QQSS--ééoocalor umfactor factorde decorrecção correcção––[0,5 [0,5aa0,7] 0,7]adimems adimems bb--ééum coeficientede desimultaneidade simultaneidade(Tabelas) (Tabelas) ϕϕ––ééoocoeficiente 14 7 6 - Cálculo dos Caudais 3.º Passo – Determinar o caudal mínimo teórico para estabilizar a pluma 5 . 1 Qp = k × (z + a × Dh )3 × Q conv 3 × K r NOTAS: NOTAS: Construiruma umaFolha Folhade deCálculo Cálculo(Excel) (Excel) 11––Construir 2 – Introduzir dos dados fixos, fórmulas links 2 – Introduzir dos dados fixos, fórmulas eelinks 3 – Introduzir os dados relativos a cd equipa. 3 – Introduzir os dados relativos a cd equipa. Efectuaroosomatório somatóriodos dosresultados resultadosindiv. indiv. 44––Efectuar 5 – Efectuar a determinação do caudal de 5 – Efectuar a determinação do caudal de exaustão,QQEHA EHA corrigido pela fórmula… exaustão, corrigido pela fórmula… 15 6 - Cálculo dos Caudais 4.º Passo – Determinar o caudal de exaustão corrigido, QEHA Q EHA = Q p × Kh ef × K esp × K opt + Q TRA Emque: que: Em Caudalmínimo mínimoda dapluma plumaconvectiva convectiva QQpp––Caudal Kh – Coeficiente de eficiência dahotes hotes(1)(1) Khefef– Coeficiente de eficiência da K – Coeficiente de espalhamento (Tabela) Kefef– Coeficiente de espalhamento (Tabela) K – Coef. de optimização do caudal (1aa1,20) 1,20) opt– Coef. de optimização do caudal (1 Kopt Q – Caudal de transferência de ar TRA– Caudal de transferência de ar QTRA (<15% 15%de deQp) Qp)~~8,5% 8,5% (< 16 8 6 - Cálculo dos Caudais DADOSDE DEENTRADA: ENTRADA: DADOS Equipamentosda daLinha Linha900 900 11––Equipamentos 2 – Largura 800 mm 2 – Largura 800 mm Hoteparietal parietalem emrestaurante restaurante 33––Hote Hotecompensada compensada 44––Hote Determinarcargas cargastérmicas térmicas 55––Determinar 6 – Alimentações GN e electr.400V 400V 6 – Alimentações GN e electr. DADOSDE DESAÍDA: SAÍDA: DADOS Métododa daaspiração………7366 aspiração………7366mm33/h /h --Método 3 Método da convecção……..5994 m /h - Método da convecção……..5994 m3/h Métododa dacarga cargatérmica….6830 térmica….6830mm33/h /h --Método 3 /h Caudal de insuflação……… 5806 m - Caudal de insuflação……… 5806 m3/h Exempo - Layout 1 – Hote Parietal 17 7 - Cargas de conforto – frio e calor 5.º Passo – Determinar a carga térmica para arrefecimento do ambiente qarr =QSUP x ρSUP x cp x (Ti – TSUP) + QTRA x ρTRA x cp x (TTRA –Ti) Em que: que: Em Caudalde deinsuflação insuflação[m [m33/h] /h] SUP--Caudal QQSUP Densidadedo doar arde deinsuflação insuflação[kg/m [kg/m33] ] SUP--Densidade ρρSUP Densidadedo doar arde detransferência transferência[kg/m [kg/m33] ] ρρTRA--Densidade TRA Calorespecífico específicodo doar ar[J/kg.ºC] [J/kg.ºC] CCpp--Calor T Temperatura do ar interior [ºC] Ti i- Temperatura do ar interior [ºC] T Temperatura do ar de insuflação [ºC] SUP- Temperatura do ar de insuflação [ºC] TSUP T Temperatura do ar de transferência [ºC] TRA- Temperatura do ar de transferência [ºC] TTRA 18 9 7 - Cargas de conforto – frio e calor 6.º Passo – Determinar a carga térmica para aquecimento do ambiente qaquec. = QSUP x ρSUP x cp x (Ti – To) + QTRA x ρTRA x cp x (Ti – TTRA) – qarr Em que: que: Em Caudalde deinsuflação insuflação[m [m33/h] /h] SUP--Caudal QQSUP Densidadedo doar arde deinsuflação insuflação[kg/m [kg/m33] ] SUP--Densidade ρρSUP Densidadedo doar arde detransferência transferência[kg/m [kg/m33] ] TRA--Densidade ρρTRA Calorespecífico específicodo doar ar[J/kg.ºC] [J/kg.ºC] CCpp--Calor T Temperatura do ar interior [ºC] Ti i- Temperatura do ar interior [ºC] Temperaturado doar arde deinsuflação insuflação[ºC] [ºC] SUP--Temperatura TTSUP T Temperatura do ar de transferência [ºC] TRA- Temperatura do ar de transferência [ºC] TTRA q Potência de arrefecimento [kW] q arr- Potência de arrefecimento [kW] arr 19 8 – Perdas de carga 7.º Passo – Obter as perdas de carga no sistema exaustão – pe/pt SISTEMADE DEEXAUSTÃO: EXAUSTÃO: SISTEMA Ventiladoresde depás pásrecuadas recuadas --Ventiladores Comprimento da linha [m] - Comprimento da linha [m] Imposição da velocidade máx.[9 [9m/s] m/s] - Imposição da velocidade máx. Perdas localizadas: - Perdas localizadas: a)equipamentos equipamentosambientais ambientaisUVC UVC a) c)recuperadores recuperadoresde decalor, calor,registos, registos,etc. etc. c) Curvaseeoutros outrosobstáculos obstáculos --Curvas Observância da EN 12101-3:2002 - Observância da EN 12101-3:2002 Eficiênciaeff eff11ou oueff2 eff2--EN EN60034-2-1 60034-2-1 --Eficiência Separação de gorduras >63% ASTM2519 2519 - Separação de gorduras >63% --ASTM Ventiladores: elementos não terminais - Ventiladores: elementos não terminais Portasde deinspecção: inspecção:33em em33metros metros --Portas Variaçãode develocidade velocidade --Variação 20 10 8 – Perdas de carga 8.º Passo – Obter as perdas de carga no sistema de insuflação – pe/pt SISTEMADE DEINSUFLAÇÃO: INSUFLAÇÃO: SISTEMA Ventiladoresde depás pásavançadas avançadas --Ventiladores Comprimento da linha [m] - Comprimento da linha [m] Imposição da velocidade máx.[7 [7m/s] m/s] - Imposição da velocidade máx. Perdaslocalizadas: localizadas: --Perdas a)Dispositivos Dispositivosda daUTAN UTAN(filtros, (filtros,baterias, baterias,etc.) etc.) a) c)Atenuador Atenuadorde desom som c) Curvaseeoutros outrosobstáculos obstáculos --Curvas Registo corta-fogo - Registo corta-fogo Eficiênciaeff eff11ou oueff2 eff2--EN EN60034-2-1 60034-2-1 --Eficiência Ventiladores tipo plug in – transm. directa - Ventiladores tipo plug in – transm. directa Portas de inspecção: 3 em 3 metros - Portas de inspecção: 3 em 3 metros Isolamentodas dascondutas condutas --Isolamento Variaçãode develocidade velocidade --Variação 21 8 – Perdas de carga Em ambos os passos anteriores (7º e 8.º) pressupõepressupõe-se a utilização das equações: ∆p R 1 = ∆p × c ∆pR lo = ∑ Cálculo das resistências em linha [Pa] Pa] vm2 ξ×ρ× 2 v ∆pR e = p d = m 4 ,04 2 Cálculo das resistências em localizadas [Pa] Pa] Cálculo da resistência de entrada [Pa] Pa] Cálculo da pressão total e estática [Pa] Pa] pt = ∑ ∆pR l + ∑ ∆pR lo +∆pR e + ∆pR s pe = pt – pd 22 11 9 – Resultados – Folha de Cálculo HOTE PARIETAL TECTO FILTRANTE VALOR PARA SELECÇÃO [kW] 137 137 137 Caudal: [m³/h] 6 595 < 11 900 6 595 PEdisp: [Pa] 476 476 480 Vmédia (escoamento) [m/s] 7,99 9,00 8,00 5 605 PARÂMETRO SISTEMAS DE VENTILAÇÃO UNI Bloco de Confecção: Potência Exaustão: Insuflação: [m³/h] 5 605 = 4204 + 1401 < 10 115 PEdisp: [Pa] 145 250 250 Vmédia (escoamento) [m/s] 6,16 < 7,0 6,16 Taxa de renovação: Caudais: Climatizado+filtrado [NR/h] 29 < 50 48 Potência aquecimento [kW] 15,05 - 15,05 Potência arrefecimento [kW] 21,56 - 21,56 23 9 –Resultados: CFD e Imagens de Schlieren Caudal Eficiente: Eficiente: O mínimo para captar e conter (C&C) a pluma térmica Caudal Insuficiente: Insuficiente: Parte da carga térmica convectiva (pluma) espalha-se no ambiente 24 12 9 – Resultados – Software 25 9 – Comparação dos Resultados Folha de Cálculo: Hote Compensada QEHA = 6695 m3/h Software: Hote Mista (optimizada): (Compensação+Indução) QEHA = 4347 m3/h 26 13 10 - Conclusões 1. O método da carga térmica é o mais fiável para determinação do cálculo da exaustão eficiente 2. DeveDeve-se sobredimensionar o QEHA só 10% para eventual expansão da unidade hoteleira. 3. A partição de caudais de insuflação – ar climatizado até 65% e ar filtrado é uma boa solução de compromisso entre os custos iniciais e os custos de exploração. 4. Existe uma ligeira discrepância entre os resultados obtidos entre a FC Excel e o Software. A FC apresenta valores mais elevados devido à introdução dos factores segurança, de correcção e diferenças de tecnologia construtiva das hotes. 27 10 - Conclusões 5. A compensação de ar climatizado é vital para o conforto a QAI e a produtividade da unidade hoteleira. Sem conforto térmico não será possível ao gestor exigir produtividade. 6. A cozinha profissional é uma ZO. Logo, irá possuir requisitos mínimos de conforto (RSECE) que serão indicados na nova NP 10371037-4:2009. 7. A nova NP 10371037-4:2009 irá ser de cumprimento obrigatório. Haverá legislação que a indicará em procedimentos e parâmetros observáveis. 28 14 Bibliografia Regulamento (CE) 852/2004 - HACCP Norma de Referência: prNP 10371037-4 (Prop. Prop. Revisão 2009) VDI 2052:2006 – Kitchen Ventilation Systems HELP – Hood Engineering Layout Program Docs. Docs. Europeus de Referência: DW/172 (BS):2005 Halton Design Guide (2008) Doc. Doc. do CEN / TC 156/WG 14 – ASTM F 1704:2004 Monteiro, V., LEECOP, Tese de Mestrado, Coimbra 18 Set. 2008 29 Obrigado pela Vossa atenção. Agradecimentos: EHTC – Escola de Hotelaria e Turismo de Coimbra [email protected] 30 15