Cálculo do aquecedor: como calcular a potência do aparelho para aquecimento de ar para calefação

Os caloríferos têm alta produtividade, portanto, com eles é possível aquecer até mesmo ambientes muito grandes em um tempo bastante curto. Muitos modelos desses aparelhos, que funcionam com base em diferentes fluidos térmicos, estão disponíveis para venda.

Para escolher a opção ideal, é necessário o cálculo do calorífero, que pode ser feito manualmente ou usando uma calculadora online. Ajudaremos você a entender a questão dos cálculos – neste artigo, daremos exemplos de cálculos que serão necessários ao escolher o aparelho adequado para aquecer o ar.

E também consideraremos as características de construção dos diferentes tipos de caloríferos, vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento com o uso desses aparelhos.

Prós e contras do aquecimento com calorífero

O sistema de aquecimento residencial, baseado no fornecimento de ar aquecido até a temperatura definida diretamente para dentro da casa, é de particular interesse para os proprietários de imóveis residenciais.

Essa configuração do sistema de aquecimento consiste nos seguintes componentes importantes:

• calorífero, que atua como gerador de calor, aquecendo o ar;
• canais (dutos de ar), por onde as massas de ar aquecidas entram na casa;
• ventilador, que direciona o ar bem aquecido por todo o volume do ambiente.

As vantagens desse tipo de sistema são muitas. Incluem alto rendimento, ausência de elementos auxiliares para troca de calor na forma de radiadores, tubos, e a possibilidade de integrá-lo ao sistema climático, além de baixa inércia, resultando em aquecimento muito rápido de grandes volumes.

Para muitos proprietários, a desvantagem é que a instalação do sistema só é possível simultaneamente com a construção da casa e, posteriormente, sua modernização é impossível.

Outra desvantagem é a necessidade obrigatória de alimentação de reserva e a necessidade de manutenção técnica regular.

O calorífero é simples de instalar e operar, tem preço acessível, mas, principalmente, é um aparelho eficiente para aquecer o ambiente. Na foto, um calorífero a água embutido no sistema

Em nosso site, há materiais mais detalhados sobre o sistema de aquecimento a ar em casas e chalés. Recomendamos que você os consulte:

• Aquecimento a ar faça você mesmo: tudo sobre sistemas de aquecimento a ar
• Como instalar aquecimento a ar em casa de campo: regras e esquemas de construção
• Cálculo do aquecimento a ar: princípios básicos + exemplo de cálculo

Classificação dos caloríferos

Os caloríferos são incluídos na construção do sistema de aquecimento para aquecer o ar. Existem os seguintes grupos desses aparelhos de acordo com o tipo de fluido térmico utilizado: a água, elétricos, a vapor, a fogo.

Faz sentido usar aparelhos elétricos para ambientes com área não superior a 100 m². Para edifícios com áreas maiores, a escolha mais racional serão os caloríferos a água, que funcionam apenas na presença de uma fonte de calor.

Os mais populares são os caloríferos a vapor e a água. Tanto os primeiros quanto os segundos, quanto à forma da superfície, dividem-se em 2 subtipos: aletados e de tubos lisos. Os caloríferos aletados, quanto à geometria das aletas, podem ser de placas e de espiral enrolada.

O desempenho dos caloríferos que operam com um fluido térmico como o vapor é regulado por meio de válvulas especiais instaladas no tubo de entrada

Quanto à construção, esses aparelhos podem ser de passagem única, quando o fluido térmico se move através dos tubos mantendo uma direção constante, e de múltiplas passagens, em cujas tampas existem divisórias, de modo que a direção do movimento do fluido térmico muda constantemente.

Estão disponíveis para venda 4 modelos de caloríferos a água e a vapor, que diferem na área da superfície de aquecimento:

• SM — a menor, com uma fileira de tubos;
• M — a pequena com duas fileiras de tubos;
• S — a média com tubos em 3 fileiras;
• B — a grande, com 4 fileiras de tubos.

Os caloríferos a água suportam grandes variações de temperatura durante a operação — 70-110⁰. Para o bom funcionamento deste tipo de calorífero, a água que circula no sistema deve ser aquecida no máximo até 180⁰. Na estação quente, o calorífero pode desempenhar o papel de ventilador.

Construção dos diferentes tipos de caloríferos

O aquecedor de água para aquecimento é composto por um corpo metálico, um trocador de calor em forma de um conjunto de tubos e um ventilador. Na extremidade do aparelho, existem conexões de entrada através das quais ele é conectado à caldeira ou ao sistema de aquecimento centralizado.

Geralmente, o ventilador está localizado na parte traseira do aparelho. Sua função é empurrar o ar através do trocador de calor.

Após o aquecimento, através da grade localizada na parte frontal do aquecedor, o ar retorna para o ambiente.

Na maioria das vezes, o corpo é fabricado em forma retangular, mas existem modelos projetados para dutos de ventilação de seção circular. Na tubulação de alimentação, são instaladas válvulas de duas ou três vias para ajuste da potência do aparelho.

O ventilador sopra sobre os tubos localizados no corpo do aquecedor. Pela tubulação circula água aquecida do sistema de aquecimento, e o ventilador distribui uniformemente o ar quente pelo ambiente.

Os aquecedores também se diferenciam pelo método de instalação — existem modelos de teto e de parede. Os do primeiro tipo são colocados atrás de um teto falso, apenas a grade fica visível. Os aparelhos de parede são mais populares.

Tipo #1 – caloríferos de tubos lisos

A construção de tubo liso consiste em elementos de aquecimento em forma de tubos finos e ocos com diâmetro de 20 a 32 mm, dispostos a uma distância de 0,5 cm entre si. O fluido térmico circula por eles. O ar, ao passar pelas superfícies aquecidas dos tubos, aquece devido à troca convectiva de calor.

Os tubos no aquecedor de ar são dispostos em ordem alternada ou em linha. Suas extremidades são soldadas em coletores — superior e inferior. O fluido térmico entra na caixa de distribuição através do bocal de entrada, depois, passando pelos tubos e aquecendo-os, sai pelo bocal de saída como condensado ou água resfriada.

Dispositivos com disposição alternada dos tubos proporcionam uma transferência de calor mais estável, mas a resistência ao fluxo de ar é maior aqui. É necessário calcular a potência do aparelho para conhecer as capacidades reais do dispositivo.

O ar deve atender a certos requisitos — não deve conter fibras, partículas suspensas ou substâncias adesivas. A poeira permitida é inferior a 0,5 mg/m³. A temperatura de entrada é de no mínimo 20°.

Aquecedores de uma passagem e de três passagens. 1 – bocal de entrada por onde entra o fluido térmico, 2 – caixa de distribuição, 3 – tubo, 4 – bocal de saída, 5 – divisória

As características termotécnicas dos aquecedores de tubos lisos não são muito elevadas. A sua utilização é adequada quando não são necessários um fluxo de ar significativo e seu aquecimento a alta temperatura.

Tipo #2 – aquecedores de ar com aletas

Os tubos dos aparelhos com aletas possuem superfície aletada, portanto, a transferência de calor deles é maior. Com um número menor de tubos, as suas características termotécnicas são superiores às dos aquecedores de ar de tubos lisos.

Os aquecedores de placas consistem em tubos com placas montadas neles – retangulares ou circulares.

O primeiro tipo de placas é montado em um grupo de tubos. O fluido de aquecimento passa para a caixa de distribuição do aparelho através do bocal, aquece o ar que passa a uma velocidade considerável através de canais de pequeno diâmetro e, depois, sai da caixa coletora através do bocal.

Os aquecedores deste tipo são compactos, fáceis de manter e instalar.

Os dispositivos de placas de passagem única são designados: KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, e os de passagem múltipla: KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOYUG, KMB. O modelo médio tem a designação KFS, e o grande, KFB.

Nos tubos desses aquecedores, uma fita de aço ondulada com largura de 1 cm e espessura de 0,4 mm é enrolada. O fluido de aquecimento pode ser tanto vapor quanto água.

Aquecedores de água não podem ser conectados com tubos de metal-plástico ou polímero, pois não são projetados para a alta temperatura do fluido de aquecimento. São necessários tubos de aço, de preferência galvanizados, para evitar corrosão.

A primeira é equipada com três fileiras de tubos, e a segunda com quatro. As placas do modelo médio têm espessura de 0,5 mm e dimensões de 11,7 x 13,6 cm. As placas do modelo grande, com a mesma espessura e largura, diferem por terem maior comprimento – 17,5 cm.

As placas estão a uma distância de 0,5 cm umas das outras e têm disposição em ziguezague, enquanto nos modelos de tipo médio as placas estão dispostas em princípio de corredor.

Os aquecedores de ar com a designação STD têm 5 números (5, 7, 8, 9, 14). Nos aquecedores STD4009V, o fluido de aquecimento é vapor, e no STD3010G é água. A instalação dos primeiros é feita com orientação vertical dos tubos, e dos segundos, com orientação horizontal.

Tipo #3 – caloríferos bimetálicos com aletas

Em sistemas de aquecimento com aquecimento de ar, são frequentemente utilizados modelos de aquecedores bimetálicos KP3-SK, KP4-SK, KSK – 3 e 4 com um tipo especial de aleta – helicoidal laminada. O fluido de aquecimento para os aquecedores KP3-SK, KP4-SK é água quente com pressão máxima de 1,2 MPa e temperatura máxima de 180°.

Para o funcionamento dos outros dois aquecedores de ar, é necessário vapor com a mesma pressão de trabalho que os primeiros, mas com temperatura um pouco mais alta – 190°. Os fabricantes realizam obrigatoriamente testes de aceitação. Também testam os aparelhos quanto à estanqueidade.

O trocador de calor do aquecedor KSK consiste em tubos de aço com aletas de alumínio. As placas tubulares os conectam.

Existem 2 linhas de aquecedores bimetálicos — KSK3, KPZ, com 3 fileiras de tubos, são considerados médios, e KSK4, KP4, com 4 fileiras de tubos, são os modelos grandes. Os componentes desses aparelhos são elementos de troca de calor bimetálicos, painéis laterais, grades de tubos e tampas com divisórias.

O elemento de troca de calor consiste em 2 tubos — um interno com diâmetro de 1,6 cm, feito de aço, e um externo de alumínio com aletas montado sobre ele. O intervalo transversal entre os tubos de transferência de calor é de 4,15 cm e o longitudinal é de 3,6 cm.

Regras para cálculos e seleção da unidade adequada

Ao projetar um sistema de aquecimento com um ou um grupo de aquecedores, bem como ao realizar os cálculos, uma série de regras deve ser observada. Vejamos mais detalhadamente na seleção de fotos abaixo.

Cálculo do calorífero a água

Para calcular a potência de um aquecedor de água ou vapor, são necessários os seguintes parâmetros iniciais:

1. A capacidade do sistema ou, em outras palavras, a quantidade de ar movimentada por hora. A unidade de medida da vazão volumétrica é m³/h, e da vazão mássica é kg/h. A designação convencional é L.
2. Temperatura inicial ou externa — t ext.
3. Temperatura final do ar — t final.
4. A densidade e a capacidade térmica do ar em uma determinada temperatura — os dados são retirados de tabelas.

Primeiro, calcula-se a área da seção frontal do dispositivo de aquecimento de ar. Conhecendo esse valor, obtêm-se as dimensões preliminares da unidade com margem.

Para o cálculo, utiliza-se a fórmula:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Onde L é a vazão volumétrica de ar ou capacidade em m³/h, ρ é a densidade do ar externo medida em kg/m³, ϑρ é a velocidade mássica do ar na seção calculada, medida em kg/(cm²).

Obtido este parâmetro, para cálculos posteriores, utiliza-se o tamanho padrão do calorífero mais próximo em dimensões. Quando o valor final da área é grande, vários agregados idênticos são instalados em paralelo, cuja área total é igual ao valor obtido.

Caloríferos são chamados não apenas dispositivos de troca de calor, mas também resfriadores de ar que funcionam com água fria, os quais são muito menos populares.

Para determinar a potência necessária para aquecer um volume específico de ar, é preciso saber o consumo total de ar aquecido em kg por 1 hora pela fórmula:

G = L × p,

Onde p — densidade do ar em condições de temperatura média. Ela é determinada somando as temperaturas na entrada e na saída do agregado, depois dividindo por 2. Os valores de densidade são retirados da tabela.

Desta tabela, é possível obter dados sobre densidade e calor específico do ar a uma determinada temperatura para calcular a potência do aparelho.

Agora é possível calcular o consumo de calor para aquecer o ar, para o qual se aplica a seguinte fórmula:

Q (W) = G × c × (t fin. – t ini.),

Onde G – fluxo mássico de ar em kg/h. Considera-se também no cálculo o calor específico do ar medido em J/(kg × K). Ele depende da temperatura do ar de entrada, e seus valores estão na tabela acima. A temperatura na entrada do aparelho e na saída dele é denotada por t ini. e t fin. respectivamente.

Suponha que seja necessário selecionar um calorífero com capacidade de 10 000 m³/h, para aquecer o ar até 20⁰ com temperatura externa de -30⁰. O fluido térmico é água, com temperatura de entrada no agregado de 95⁰ e 50⁰ na saída.

Fluxo mássico da massa de ar: G = 10 000 m³/h × 1,318 kg/m³ = 13 180 kg/h.

Valor da densidade: ρ = (-30 + 20) = -10, ao dividir esse resultado pela metade, obteve-se -5. Da tabela, foi selecionada a densidade correspondente à temperatura média.

Substituindo o resultado obtido na fórmula, obtém-se o consumo de calor: Q = 13 180 /3600 × 1013 × 20 – (-30) = 185 435 W. Aqui, 1013 é o calor específico, selecionado da tabela à temperatura de – 30⁰ em J/(kg × K). Ao valor calculado da potência do calorífero, adiciona-se uma margem de 10 a 15%.

A razão é que os parâmetros da tabela frequentemente diferem dos reais para menos, e o desempenho térmico do agregado, devido ao entupimento dos tubos, diminui com o tempo. Exceder o valor da margem não é desejável.

Com um aumento significativo da superfície de aquecimento, pode ocorrer super-resfriamento e até mesmo descongelamento em grandes geadas.

No calorífero a vapor, o fluido térmico é introduzido por cima, e a água resultante da condensação do vapor residual é drenada por baixo. Na foto — esquema de montagem do calorífero a vapor.

A potência dos caloríferos a vapor é calculada da mesma forma que a dos caloríferos de água. Apenas a fórmula para o cálculo do fluido térmico é diferente:

G = Q / r,

Onde r é o calor latente liberado durante a condensação do vapor, medido em kJ/kg.

Cálculo do calorífero elétrico

Os fabricantes, nos catálogos de caloríferos elétricos, frequentemente indicam a potência instalada e a vazão de ar, o que simplifica bastante a escolha. O importante é que os parâmetros não sejam inferiores aos especificados no manual, caso contrário, ele falhará rapidamente.

A construção do calorífero inclui vários elementos de aquecimento elétrico especiais, cuja área é aumentada pela prensagem de aletas sobre eles.

A potência dos aparelhos pode ser muito grande, às vezes centenas de quilowatts. Até 3,5 kW, o calorífero pode ser alimentado por uma tomada de 220 V, e para tensões superiores a essa, é necessária a conexão com um cabo separado diretamente ao quadro de distribuição. Se for necessário usar um calorífero com potência acima de 7 kW, será necessária alimentação de 380 V.

Esses aparelhos têm dimensões e peso reduzidos, são totalmente autônomos e não requerem a presença de abastecimento centralizado de água quente ou vapor.

Uma desvantagem significativa é a baixa potência, insuficiente para aplicação em grandes áreas. A segunda desvantagem é o alto consumo de eletricidade.

Pelo cálculo do calorífero, conclui-se que o resultado do uso do aparelho é uma economia significativa de recursos energéticos. Às vezes, este equipamento é combinado com um recuperador e, então, a captação de ar não é feita do exterior, mas do ambiente interno.

Para saber qual corrente o calorífero consome, pode-se usar a fórmula:

I = P /U,

Onde P é a potência, U é a tensão de alimentação.

Na conexão monofásica do calorífero, U é considerado igual a 220 V. Na trifásica, 660 V.

A temperatura até a qual o calorífero de determinada potência aquece a massa de ar é determinada pela fórmula:

T =2.98 x P/ L,

Onde L – é a vazão do sistema. Os valores ideais de potência do calorífero para casa são de 1 a 5 kW, e para escritórios, de 5 a 50 kW.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Qual densidade do ar considerar no cálculo é explicado neste vídeo:

Vídeo sobre como funciona o calorífero no sistema de aquecimento:

Ao escolher um tipo específico de calorífero, deve-se partir de considerações de conveniência e das características operacionais da casa.

Para áreas pequenas, uma boa aquisição será o calorífero elétrico, mas para aquecimento de uma casa grande, é melhor escolher outra opção. De qualquer forma, não se pode prescindir de um cálculo prévio.

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