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