Refrigeração e Ar Condicionado ENG176, Parte II

208 Pages·2005·4.28 MB·Portuguese

by  Marcos Dias

UFBA (cid:150) Universidade Federal da Bahia
DEM (cid:150) Departamento de Engenharia Mec(cid:226)nica

ENG176
REFRIGERAÇÃO E
AR CONDICIONADO

PARTE II
AR CONDICIONADO

Prof. Dr. Marcelo José Pirani
UFBA (cid:150) Universidade Federal da Bahia
DEM (cid:150) Departamento de Engenharia Mec(cid:226)nica

ÍNDICE

CAP˝TULO 1 (cid:150) CONFORTO T(cid:201)RMICO.................................................................................................................1
1.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.......................................................................................................................................................1
1.2 (cid:150)Par(cid:226)metros BÆsicos em Condicionamento de Ar............................................................................................2
1.3 (cid:150) Diagramas de Conforto..................................................................................................................................5
1.3.1 (cid:150) O Diagrama BioclimÆtico dos Irmªos Olgyay..........................................................................................5
1.3.2 (cid:150) A Temperatura Efetiva de Houghton e Yaglou.......................................................................................5
1.3.3 (cid:150) Norma ASHRAE 55.................................................................................................................................6
1.3.4 (cid:150) As Equa(cid:231)ıes de Conforto de Fanger......................................................................................................7
1.3.5 (cid:150) As Zonas de Conforto de Givoni...........................................................................................................10
1.4 (cid:150)Qualidade do Ar Interno................................................................................................................................11
CAP˝TULO 2 (cid:150) CONCEITOS FUNDAMENTAIS...................................................................................................17
2.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.....................................................................................................................................................17
2.2 (cid:150) Defini(cid:231)ıes.....................................................................................................................................................17
2.3 (cid:150) Propriedades Termodin(cid:226)micas de uma Subst(cid:226)ncia.....................................................................................19
2.4 (cid:150) Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes...................................................................................20
2.5 (cid:150) Primeira Lei da Termodin(cid:226)mica....................................................................................................................21
CAP˝TULO 3 (cid:150) CICLOS DE REFRIGERA˙ˆO POR COMPRESSˆO DE VAPOR.............................................24
3.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.....................................................................................................................................................24
3.2 (cid:150) Ciclo Te(cid:243)rico de Refrigera(cid:231)ªo por Compressªo de Vapor..........................................................................24
3.3 (cid:150) Ciclo Real de Compressªo de Vapor...........................................................................................................26
3.4 (cid:150) Balan(cid:231)o de Energia para o Ciclo de Refrigera(cid:231)ªo por Compressªo de Vapor............................................27
3.4.1 (cid:150) Capacidade frigor(cid:237)fica............................................................................................................................27
3.4.2 (cid:150) PotŒncia te(cid:243)rica de compressªo...........................................................................................................28
3.4.3 (cid:150) Calor rejeitado no condensador............................................................................................................29
3.4.4 (cid:150) Dispositivo de expansªo........................................................................................................................30
3.4.5 (cid:150) Coeficiente de performance do ciclo.....................................................................................................31
CAP˝TULO 4 (cid:150) REFRIGERA˙ˆO POR ABSOR˙ˆO DE VAPOR.......................................................................38
4.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.....................................................................................................................................................38
4.2 - Ciclo de Absor(cid:231)ªo.........................................................................................................................................39
CAP˝TULO 5 (cid:150) ESTIMATIVA DE CARGA T(cid:201)RMICA SENS˝VEL E LATENTE....................................................41
5.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.....................................................................................................................................................41
5.2 (cid:150) Caracter(cid:237)sticas do Recinto...........................................................................................................................41
5.3 (cid:150) Fatores Que Influenciam na Carga TØrmica do Ambiente...........................................................................42
5.3.1 (cid:150) Insola(cid:231)ªo...............................................................................................................................................42
5.3.1.1 (cid:150) Determina(cid:231)ªo do Fator de Sombreamento -FS...........................................................................45
5.3.2 (cid:150) Insola(cid:231)ªo AtravØs de Vidros..................................................................................................................46
5.4 (cid:150) Armazenamento de Calor.............................................................................................................................49
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5.5 (cid:150) Insola(cid:231)ªo nas paredes externas...................................................................................................................52
5.6 (cid:150) Insola(cid:231)ªo sobre Telhados............................................................................................................................53
5.7 (cid:150) Transmissªo de Calor devido (cid:224) diferen(cid:231)a de Temperatura.........................................................................55
5.7.1 (cid:150) Vidros Externos.....................................................................................................................................55
5.7.2 (cid:150) Vidros Internos......................................................................................................................................55
5.7.3 (cid:150) Paredes Internas...................................................................................................................................55
5.7.4 (cid:150) Tetos e Pisos.........................................................................................................................................55
5.8 (cid:150) Carga de Ilumina(cid:231)ªo....................................................................................................................................56
5.8.1 (cid:150) L(cid:226)mpadas Incandescentes...................................................................................................................56
5.8.2 (cid:150) L(cid:226)mpadas Fluorescentes......................................................................................................................56
5.9 (cid:150) Carga de Ocupantes....................................................................................................................................56
5.10 (cid:150) Carga de Motores ElØtricos........................................................................................................................56
5.10.1 (cid:150) Motor e mÆquina se encontram nos recintos......................................................................................56
5.10.2 (cid:150) Apenas a mÆquina se encontra no recinto..........................................................................................57
5.10.3 (cid:150) S(cid:243) o motor se encontra no recinto......................................................................................................57
5.11 (cid:150) Equipamentos Eletr(cid:244)nicos..........................................................................................................................57
5.12 (cid:150) Zoneamento................................................................................................................................................57
CAP˝TULO 6 (cid:150) PSICROMETRIA..........................................................................................................................60
6.1 (cid:150) Defini(cid:231)ıes Fundamentais.............................................................................................................................60
6.1.1 (cid:150) Pressªo Parcial (Lei de Dalton).............................................................................................................60
6.1.2 (cid:150) Ar seco..................................................................................................................................................60
6.1.3 (cid:150) Ar Nªo Saturado e Ar Saturado............................................................................................................61
6.1.4 Umidade Absoluta (W).............................................................................................................................61
6.1.5 (cid:150) Umidade Relativa (φ).............................................................................................................................62
6.1.6 (cid:150) Entalpia Espec(cid:237)fica do Ar (cid:218)mido...........................................................................................................62
6.1.7 (cid:150) Volume Espec(cid:237)fico do Ar (cid:218)mido............................................................................................................64
6.1.8 (cid:150) Temperatura de Bulbo Seco.................................................................................................................64
6.1.9 (cid:150) Satura(cid:231)ªo AdiabÆtica............................................................................................................................64
6.1.10 (cid:150) Temperatura de Bulbo (cid:218)mido.............................................................................................................65
6.1.11 (cid:150) Temperatura de Orvalho.....................................................................................................................66
6.1.12 (cid:150) A Carta PsicromØtrica..........................................................................................................................66
6.2 (cid:150) Transforma(cid:231)ıes PsicromØtricas...................................................................................................................69
6.2.1 (cid:150) Mistura AdiabÆtica de Duas Correntes de Ar (cid:218)mido............................................................................69
6.2.2 (cid:150) Aquecimento Sens(cid:237)vel ou Aquecimento Seco......................................................................................69
6.2.3 (cid:150) Resfriamento Sens(cid:237)vel..........................................................................................................................70
6.2.4 (cid:150) Resfriamento e Desumidifica(cid:231)ªo...........................................................................................................71
6.2.5 (cid:150) Resfriamento e Umidifica(cid:231)ªo................................................................................................................73
6.2.6 (cid:150) Aquecimento e Umidifica(cid:231)ªo.................................................................................................................74
6.2.7 (cid:150) Aquecimento e Desumidifica(cid:231)ªo...........................................................................................................74
6.3 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo ao CÆlculo PsicromØtrico............................................................................................................75
6.3.1 (cid:150) Defini(cid:231)ıes..............................................................................................................................................75
6.3.2 (cid:150) Carga TØrmica.......................................................................................................................................77
6.3.3 (cid:150) Curva de Carga do Recinto...................................................................................................................77
6.3.4 (cid:150) Condicionamento de Ar de Verªo.........................................................................................................79

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CAP˝TULO 7 (cid:150) CARACTER˝STICAS DOS SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR................................84
7.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo.....................................................................................................................................................84
7.2 (cid:150) Instala(cid:231)ıes Apenas Ar..................................................................................................................................85
7.2.1 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com um Duto e Varia(cid:231)ªo da Temp. e/ou da Vazªo (Zona (cid:218)nica).....................................85
7.2.1.1 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com regulagem da serpentina de resfriamento........................................................85
7.2.1.2 - Instala(cid:231)ıes com by-pass da serpentina de resfriamento.............................................................86
7.2.1.3 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com regulagem da serpentina de reaquecimento....................................................87
7.2.2 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com um Duto e Varia(cid:231)ªo da Temp. e/ou da Vazªo (Mœltiplas Zonas)..............................88
7.2.2.1 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com vazªo constante e temperatura variÆvel...........................................................88
7.2.2.2 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com temperatura constante e vazªo variÆvel...........................................................88
7.2.2.3 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com temperatura e vazªo variÆvel............................................................................90
7.2.2.4 (cid:150) Instala(cid:231)ıes com vazªo variÆvel e recircula(cid:231)ªo local...................................................................90
7.2.2.5 Instala(cid:231)ıes Duplo Duto...................................................................................................................91
7.3 (cid:150) Instala(cid:231)ıes Ar-`gua.....................................................................................................................................95
7.3.1 (cid:150) Instala(cid:231)ıes de Indu(cid:231)ªo a Dois Tubos...................................................................................................95
7.3.2 (cid:150) Instala(cid:231)ıes de Indu(cid:231)ªo a TrŒs Tubos.................................................................................................100
7.3.3 (cid:150) Instala(cid:231)ıes de Indu(cid:231)ªo a Quatro Tubos.............................................................................................102
7.3.4 - Instala(cid:231)ıes de Fan-Coils Com Ar PrimÆrio..........................................................................................103
7.3.4.1 (cid:150) Instala(cid:231)ªo de fan-coil a dois tubos com ar primÆrio...................................................................104
7.3.4.2 (cid:150) Instala(cid:231)ªo de fan-coil a trŒs tubos com ar primÆrio...................................................................105
7.3.4.3 (cid:150) Instala(cid:231)ªo de fan-coil a quatro tubos com ar primÆrio...............................................................107
7.4 (cid:150) Instala(cid:231)ıes Apenas `gua...........................................................................................................................109
7.4.1 - Instala(cid:231)ªo de Fan-Coils a Dois Tubos.................................................................................................109
7.4.2 (cid:150) Instala(cid:231)ªo de Fan-Coils a TrŒs Tubos................................................................................................111
7.4.3 (cid:150) Instala(cid:231)ªo de Fan-Coils a Quatro Tubos.............................................................................................112
7.5 (cid:150) Instala(cid:231)ıes de Expansªo Direta.................................................................................................................113
CAP˝TULO 8 (cid:150) TERMOACUMULA˙ˆO.............................................................................................................118
8.1 (cid:150) Introdu(cid:231)ªo...................................................................................................................................................118
8.2 (cid:150) Escolhendo Armazenagem Total ou Parcial..............................................................................................121
CAP˝TULO 9 (cid:150) MELHORIAS ENERG(cid:201)TICAS POSS˝VEIS...............................................................................124
9.1 (cid:150) Estrutura.....................................................................................................................................................124
9.2 (cid:150) Sistemas de Condicionamento de Ar.........................................................................................................126
9.3 (cid:150) Redu(cid:231)ªo do Consumo de Energia em Instala(cid:231)ıes de Ar Condicionado...................................................130
9.3.1 (cid:150) Sistemas Com Vazªo de Ar VariÆvel (VAV)........................................................................................130
9.3.2 (cid:150) Sistemas Com Vazªo Constante (VAC)..............................................................................................131
9.3.3 (cid:150) Sistemas de Indu(cid:231)ªo...........................................................................................................................131
9.3.4 (cid:150) Sistemas Duplo Duto...........................................................................................................................131
9.3.5 (cid:150) Sistemas de Zona (cid:218)nica.....................................................................................................................132
9.3.6 (cid:150) Sistemas Com Reaquecimento Terminal............................................................................................132
9.4 (cid:150) O Ciclo Economizador................................................................................................................................133
9.4.1 (cid:150) Ciclo Economizador Controlado por Temperatura de Bulbo Seco.....................................................133
9.4.2 (cid:150) Ciclo Economizador Controlado por Entalpia.....................................................................................134
9.5 (cid:150) Resfriamento Evaporativo..........................................................................................................................135
9.6 (cid:150) Controle e Regulagem................................................................................................................................137
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9.7 (cid:150) Uso de Motores Eficientes..........................................................................................................................137
9.8 - Uso de Inversores de Freq(cid:252)Œncia (VSD)....................................................................................................138
9.9 (cid:150) Troca de Centrais de `gua Gelada (CAG).................................................................................................140
REFER˚NCIAS BIBLIOGR`FICAS....................................................................................................................147
ANEXO I: DIAGRAMAS DE MOLLIER PARA OS REFRIGERANTES R22 E R134A.......................................149
ANEXO II: ROTEIRO DE C`LCULO DE CARGA T(cid:201)RMICA.............................................................................151
ANEXO III: EXEMPLO COMPLETO DE C`LCULO DE CARGA T(cid:201)RMICA......................................................156
ANEXO IV - TABELAS........................................................................................................................................169

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Capítulo 1– Conforto Térmico

1.1 – Introdução
Nesta se(cid:231)ªo sªo apresentados quatro (cid:237)ndices e critØrios existentes utilizados para anÆlise e
avalia(cid:231)ªo de conforto tØrmico de edif(cid:237)cios. Frota (Frota, Manual de Conforto TØrmico, p.17), estima
em trŒs dezenas os (cid:237)ndices de conforto existentes e dispon(cid:237)veis para a avalia(cid:231)ªo de edif(cid:237)cios, como
habita(cid:231)ıes, escolas escrit(cid:243)rios etc..
Nªo se pode afirmar que exista hoje um (cid:237)ndice ideal para se estabelecer uma zona de conforto
adequada para ambientes climatizados e nªo climatizados no Brasil. Existem alguns (cid:237)ndices
propostos por pesquisadores do exterior e existem tambØm alguns trabalhos desenvolvidos por
pesquisadores brasileiros que analisaram estes (cid:237)ndices, buscando avaliar a sua aplicabilidade no
nosso pa(cid:237)s e buscando identificar zonas de conforto nas quais, brasileiros, possam se sentir
confortÆveis.
Estabelecer os limites de uma zona de conforto Ø uma tarefa extremamente dif(cid:237)cil porque a
sensa(cid:231)ªo de conforto, alØm de estar ligada a uma sØrie de variÆveis, estÆ tambØm ligada (cid:224)
adapta(cid:231)ªo ao meio em que se vive, dificultando ainda mais a tarefa de encontrar um limite para o
qual se possa afirmar, que dentro dele, se tem conforto e fora dele se tem desconforto.

Conforto TØrmico: condi(cid:231)ıes ambientais de temperatura e umidade que proporcionam
sensa(cid:231)ªo de bem-estar (cid:224)s pessoas que ali estªo.

Figura 1.1 (cid:150) Fatores que afetam o conforto tØrmico.
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Metabolismo: processo pelo qual o corpo converte a energia dos alimentos em calor e trabalho.
O calor que Ø gerado continuamente pelo corpo deve ser eliminado a fim de que a temperatura
interna se mantenha constante. A energia total, M, produzida no interior do corpo Ø dissipada da
seguinte maneira:

• Trabalho externo realizado pelos mœsculos, W.
• Dissipa(cid:231)ªo de calor sens(cid:237)vel atravØs da por(cid:231)ªo exposta da pele e roupas por convec(cid:231)ªo e
radia(cid:231)ªo, C + R.
• Dissipa(cid:231)ªo de calor latente por transpira(cid:231)ªo, Ersw, e difusªo de umidade pela pele, Ediff.
• Dissipa(cid:231)ªo de calor sens(cid:237)vel por meio da respira(cid:231)ªo, Cresp.
• Dissipa(cid:231)ªo de calor latente devida (cid:224) respira(cid:231)ªo, Eresp.

Em condi(cid:231)ıes de regime permanente,

( ) ( )
M−W = C+R+E +E + C +E (1.1)
rsw diff resp resp

A taxa de libera(cid:231)ªo de calor pelo corpo humano pode variar de 120 W para atividade
sedentÆria atØ 440 W para atividade intensa (ver Tab. 48, pg. 1-94 Carrier). Este calor representa
uma parcela muitas vezes importante da carga tØrmica de resfriamento de um sistema de ar
condicionado.
Embora nem todos os fatores que afetam o conforto sejam completamente entendidos, sabe-se
que o conforto Ø diretamente afetado pelos seguintes fatores:

• Temperatura
• Umidade
• Circula(cid:231)ªo do ar
• Radia(cid:231)ªo de superf(cid:237)cies vizinhas
• Odores
• Poeira
• Ru(cid:237)do

1.2 –Parâmetros Básicos em Condicionamento de Ar
Um sistema de ar condicionado deve controlar diretamente quatro par(cid:226)metros ambientais:
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• Temperatura do ar (bulbo seco)
• Temperatura das superf(cid:237)cies circundantes
• Umidade do ar
• Velocidade do ar

A temperatura do ar Ø facilmente medida enquanto que a umidade do ar pode ser descrita,
para uma dada pressªo, utilizando-se termos definidos em psicrometria. Estes incluem a
temperatura de bulbo œmido e de orvalho, que podem ser medidas diretamente, e a umidade relativa,
que deve ser determinada indiretamente a partir das duas temperaturas acima. A velocidade do ar
pode ser medida diretamente e, atØ certo ponto, estimada dos conceitos te(cid:243)ricos desenvolvidos em
mec(cid:226)nica dos fluidos. A temperatura das superf(cid:237)cies circundantes estÆ diretamente relacionada com
as trocas radiantes entre uma pessoa e a sua vizinhan(cid:231)a. O par(cid:226)metro bÆsico utilizado para
descrever as condi(cid:231)ıes de troca radiante em um espa(cid:231)o condicionado Ø a temperatura radiante
mØdia, definida a seguir.

Temperatura radiante mØdia: temperatura superficial uniforme de um inv(cid:243)lucro negro
imaginÆrio com o qual a pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por radia(cid:231)ªo que aquela
trocada com o inv(cid:243)lucro real.
O instrumento mais comumente utilizado para se medir a temperatura radiante mØdia Ø o
termômetro de globo de Vernon. Este consiste de uma esfera oca de 6(cid:148) de di(cid:226)metro, pintada de
preto, com um termopar ou term(cid:244)metro de bulbo no seu centro. De um balan(cid:231)o de energia, pode-se
mostrar que a temperatura de equil(cid:237)brio do globo (temperatura do globo) estÆ relacionada (cid:224)
temperatura radiante mØdia por

4 4 1/2( )
T = T +CV T −T (1.2)
mrt g g a

onde: T ≡ temperatura radiante mØdia, R ou K
mrt
T ≡ temperatura do globo, R ou K
g
T ≡ temperatura do ar ambiente (bulbo seco), R ou K
a
V ≡ velocidade do ar, ft/min ou m/s
C = 0,103 x 109 (unidades inglesas) e 0,247 x 109 (SI)

Pode-se definir ainda:
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Temperatura operacional: temperatura uniforme de um ambiente imaginÆrio com o qual a
pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por convec(cid:231)ªo e radia(cid:231)ªo que aquela trocada com o
meio real.
A temperatura operacional Ø a mØdia entre a temperatura radiante mØdia e a temperatura do ar
ambiente ponderadas pelos respectivos coeficientes de transferŒncia de calor. Entretanto, para as
aplica(cid:231)ıes prÆticas usuais, a temperatura operacional pode ser tomada simplesmente como:

T +T
T = bs mrt (1.3)
op
2

denominada temperatura de bulbo seco ajustada.

As restri(cid:231)ıes (cid:224) utiliza(cid:231)ªo da aproxima(cid:231)ªo acima sªo:
• Temperatura radiante mØdia menor que 50 °C
• Velocidade do ar menor que 0,4 m/s

Considerada o par(cid:226)metro ambiental mais comum e de aplica(cid:231)ªo mais difundida, a temperatura
efetiva, ET*, Ø a temperatura de um ambiente com 50% de umidade relativa que causaria a mesma
perda total pela pele que aquela verificada no ambiente real. Portanto, a temperatura efetiva
combina a temperatura de bulbo seco e a umidade relativa em um œnico (cid:237)ndice de maneira que dois
ambientes com a mesma temperatura efetiva causariam a mesma sensa(cid:231)ªo tØrmica embora os
valores individuais de temperatura e umidade possam diferir de um caso a outro. Uma vez que a
sensa(cid:231)ªo tØrmica de indiv(cid:237)duos depende das vestimentas e do n(cid:237)vel de atividade f(cid:237)sica, define-se
uma temperatura efetiva padrão, SET*, para condi(cid:231)ıes internas t(cid:237)picas. Estas sªo:

• Isolamento devido (cid:224)s vestimentas = 0,6 clo*
• ˝ndice de permeabilidade (cid:224) umidade = 0,4
• N(cid:237)vel de atividade metab(cid:243)lica = 1,0 met **
• Velocidade do ar < 0,10 m/s
• Temperatura ambiente = temperatura radiante mØdia

* 1 clo = 0,155 m2 °C/W admitindo-se um isolamento uniforme sobre todo o corpo.
** 1 met = 58,2 W/m2, taxa metab(cid:243)lica de uma pessoa sedentÆria (sentada, em repouso) por unidade
de Ærea superficial do corpo.
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1.3 – Diagramas de Conforto
1.3.1 – O Diagrama Bioclimático dos Irmãos Olgyay
Os irmªos Victor e Aladar Olgyay foram, segundo Izard (1983), os primeiros
cronologicamente a estudar com profundidade a no(cid:231)ªo de conforto tØrmico e, segundo Scarazzato
(1987), os primeiros a tentar estabelecer suas rela(cid:231)ıes com os ambientes interiores das edifica(cid:231)ıes,
atravØs do chamado diagrama bioclimÆtico, que representa uma preocupa(cid:231)ªo em estabelecer
rela(cid:231)ıes entre conforto fisiol(cid:243)gico, clima e arquitetura. As pesquisas dos irmªos Olgyay resultaram
em um grÆfico conhecido como Diagrama BioclimÆtico de Olgyay que relaciona a temperatura do ar e
a umidade relativa, criando uma zona de conforto entre estes dois par(cid:226)metros. A Figura 1.2 indica
este diagrama para pessoas que estejam realizando trabalho sedentÆrio e vestindo um (cid:147)clo(cid:148) em
climas quentes. um (cid:147)cIo(cid:148) Ø equivalente a uma pessoa exercendo uma atividade sentada em edif(cid:237)cio
de escrit(cid:243)rio e trajando palet(cid:243) de lª, gravata e camisa, para o sexo masculino ou o equivalente para o
sexo feminino. Trata-se de um diagrama muito utilizado por alguns pesquisadores e algumas vezes
criticado por outros.

Figura 1.2: Diagrama bioclimÆtico dos irmªos Olgyay.

1.3.2 – A Temperatura Efetiva de Houghton e Yaglou
O diagrama da temperatura efetiva -TE, conforme indicado na Figura 1.3, foi constru(cid:237)do sobre
escalas de temperatura, umidade relativa e velocidade do ar, onde, pelo cruzamento destes trŒs
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