Universidade Federal Escola de Agronomia e Engenharia de d e Alimentos Setor de Tecnologia de Engenharia de Alimentos
TRATAMENTO PSICROMÉTRICO DO AR
Goiânia, novembro de 2012.
SUMARIO 1. INTRODUÇÃO 1.1. Conceito 1.2. Composição do ar atmosférico 1.2.1. Propriedades do ar seco 1.2.2. Propriedades do vapor de água 1.2.3. Propriedades do ar úmido 1.3 Variáveis psicrométricas 1.3.1 Termómetro de bulbo seco 1.3.2 Termómetro de bulbo úmido 1.3.3 Temperatura do ponto de orvalho 1.3.4 Umidade específica ou absoluta 1.3.5 Umidade específica de saturação 1.3.6 Umidade relativa 1.3.7 Grau de saturação 2. OBJETIVOS 3. MATERIAL E MÉTODOS 3.1. Equipamentos 3.2. Materiais 3.3. Procedimento Experimental
10. BIBLIOGRAFIA
2. RESUMO
3. INTRODUÇÃO 3.1. Conceito A psicrometria é o estudo das propriedades termodinâmicas de misturas de ar seco e de vapor de água e da sua utilização na análise de processos que envolvem ar atmosférico. Os princípios da psicrometria são aplicados em temas relacionados com o cálculo de carga térmica, sistemas de ar condicionado, serpentinas de desumidificação e arrefecimento, torres de arrefecimento e arrefecimento evaporativo (STOECKER, 1985). 3.2. Composição do ar atmosférico O ar atmosférico é constituído por uma mistura de gases, de vapor de água e uma mistura de contaminantes (fumos, poeiras e outros poluentes gasosos) presentes normalmente em locais distantes das fontes poluidoras (JONES, 1983). 3.2.1. Propriedades do ar seco O ar seco é uma mistura de gases onde predominam o azoto (N2) e o oxigênio (O2), mas cuja composição pode ser ligeiramente variável de acordo com a localização geográfica. Por essa razão, utiliza-se normalmente no estudo do ar seco, uma mistura de composição fixa, designada por ar padrão, com características bem definidas para o nível do mar (1 atmosfera) e peso molecular de 28,9645 g mole-1 na escala do carbono 12 (Tabela1). Para outros locais geográficos com diferentes altitudes, a pressão e temperatura variam consideravelmente (ASHRAE, 2005). Tabela 1. Composição do ar seco ao nível do mar. Fonte: ASHRAE, 2005.
3.2.2 Propriedades do vapor de água A água no seu estado gasoso em suspensão no ar, principalmente nas camadas baixas da atmosfera, exerce um papel de regulador da entrada de radiação solar na Terra controlando a temperatura da superfície do planeta. A quantidade de vapor varia muito em função das condições climáticas das diferentes regiões do planeta, nomeadamente de acordo com os níveis de evapotranspiração e precipitação (ROMERO, 2000).
Eq. 1
3.2.3 Propriedades do ar úmido O ar na atmosfera pode ser considerado como uma mistura de gases de dois componentes, ar seco e vapor de água, ambos gases perfeitos obedecendo a mistura à lei de Dalton. A Lei de Dalton, também conhecida por lei das pressões parciais, estabelece que, numa dada mistura gasosa, cada componente exerce a mesma pressão que exerceria se estivesse isolado no mesmo espaço e à mesma temperatura que a mistura. Assim, tem-se que a pressão total da mistura (p) é igual ao somatório das pressões parciais de cada componente (i) da mistura (pi) para um determinado número de gases (ou vapores) componentes (n) (ASHRAE, 2005). No caso particular da mistura de ar seco com vapor de água tem-se que a pressão total da mistura (p) é igual à soma da pressão parcial do ar seco (par) com pressão parcial do vapor de água (pv) (ASHRAE, 2005).
Eq. 2
3.3 Variáveis psicrométricas As variáveis psicrométricas podem ser representadas graficamente em diagramas. Na Figura 1 apresenta-se a representação esquemática do diagrama psicrométrico, na qual se encontram indicadas as variáveis que caracterizam o ar úmido (ASHRAE, 2005): TS - Temperatura do bolbo seco; TH - Temperatura do bolbo úmido; TADP - Temperatura do ponto de orvalho; ω - Umidade específica ou absoluta; HR - Umidade relativa; h - Entalpia específica; ν - Volume específico.
Figura 1. Representação esquemática do diagrama psicrométrico. Fonte: (ASHRAE, 2005)
3.3.1 Termómetro de bulbo seco A temperatura de bolbo seco (TS), frequentemente denominada por temperatura do ar, consiste na medição da temperatura a partir de um termómetro comum com o bolbo seco, sem exposição à radiação, não sendo influenciada pela umidade relativa do ar (ROMERO, 2000).
3.3.2 Termómetro de bulbo úmido A temperatura de bolbo úmido (TH) é a temperatura medida com um termómetro cujo bulbo está coberto por uma mecha saturada de água onde passa uma corrente de ar favorecendo a evaporação da água. A água da mecha ao evaporar-se faz com que o sistema sofra um arrefecimento adiabático, a pressão constante, até se atingir a temperatura de saturação (FREITAS, 2007). 3.3.3 Tempera tura do ponto de orvalho A temperatura do ponto de orvalho (TADP) é a temperatura abaixo da qual se inicia a condensação, à pressão constante do vapor de água contido no ar úmido (FRADE, 2006). O diagrama T-S (Temperatura - Entropia) da Figura 4 representa esta definição.
Figura 2. Diagrama Temperatura (T) VS. Entropia (S) para o ar. Fonte: (ASHRAE, 2005) No ponto 1 do diagrama o vapor de água contido no ar úmido, em certas condições de temperatura e pressão parcial do vapor na mistura, encontra-se sobreaquecido. Se a mistura for arrefecida com pressão total e umidade constante, a pressão parcial do vapor é mantida constante, atinge-se o ponto 2 e inicia-se a condensação. Este ponto é definido como ponto de orvalho.
3.3.4 Umidade específica ou absoluta A umidade específica ou absoluta ( ω) de uma amostra de ar úmido é a razão entre a massa de vapor de água (mv) e a massa de ar seco (mar) dessa amostra (ASHRAE, 2005): Eq. 3
3.3.5 Umidade específica de saturação
A humidade específica de saturação ( ωS) é a quantidade máxima de vapor de água que cada quilograma de ar seco pode conter à pressão atmosférica normal e à temperatura considerada (FRADE, 2006). Eq. 4
3.3.6 Umidade relativa A umidade relativa (HR) é a razão entre a fracção molar de vapor de água contido no ar e a fração molar de vapor numa amostra de ar saturado à mesma temperatura e pressão (FREITAS, 2007).
Eq. 5
Eq. 6
Esta equação relaciona a pressão parcial do vapor e a pressão de saturação (pS), pressão a que o vapor muda para a fase líquida, à temperatura considera da (FRADE, 2006).
3.3.7 Grau de saturaçã o O grau de saturação (GS) consiste na percentagem de vapor contida na mistura em relação à quantidade máxima de vapor que a mistura pode conter à mesma temperatura, sendo sempre um valor muito próximo do valor da humidade relativa (STOECKER, 1985).
Eq. 7
3.3.8 Entalpia A entalpia
de uma mistura de ar húmido (ar seco mais vapor de água) é a soma da entalpia dos seus componentes e pode ser representada pela seguinte equação (ASHRAE, 2005):
Eq. 8
1.3.9 Calor sensível O calor sensível (Q) é a energia térmica calculada através da transferência de calor sensível por meio de condução, convecção e radiação, devido à diferença de temperatura entre dois meios (STOECKER, 1985). 4. OBJETIVOS Avaliar o comportamento do ar durante seu processo de umidificação e desumidificação por refrigeração. 4. MATERIAL E MÉTODOS 4.1. Equipamentos Ar condicionado; Umidificador de ar; Câmara Fria.
4.2. Materiais Termômetro Psicrômetro, marca Britânia; Algodão; Água destilada.
4.3. Procedimento Experimental Para realização deste experimento foram usados dois ambientes independentes sob refrigeração, dos quais um foi umidificado com auxílio de equipamentos umidificadores, enquanto o outro foi desumidificado . Com o auxílio de um termômetro, mediram-se as temperaturas de bulbo úmido e seco em intervalos regulares de 20 minutos e com ajuda de uma carta psicrométrica e do programa PLUS, The Psychrometric Look-Up Substitute, determinaram-se os valores das variáveis psicrométricas (umidade relativa, volume específico, entalpia, umidade absoluta e temperatura do ponto de orvalho) nos diferentes momentos, para os dois ambientes.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1.
Sala de Desumidificação
A partir do Programa PLUS, The Psychrometric Look-Up Substitute, obtiveram-se as seguintes variáveis:
Tabela 1: Variáveis da sala de desumidificação Temp Temperatu Temperatu Umidade Entalpi Vapor o ra de bulbo ra de bulbo relativa( a d’águ (min) seco (ºC) úmido(ºC) %) (kJ/kg) a-W (kg/kg de água) 0 28 23 66,5 72,5 17,358 20 23 16 49,9 47,5 9,56 40 22 15 48,8 44,5 8,78 60 21 15 54,2 44,5 9,19 80 20 14,5 53,1 41,6 8,45 100 19,5 14 56,1 41,6 8,66 120 19,5 13,5 52,5 40,2 8,104
5.2.
Ponto Volum de e (m³) Orvalh o (ºC)
21 11,8 10,6 11,3 10 10,4 9,4
0,877 0,85 0,845 0,843 0,84 0,839 0,838
Sala de Umidificação
Tabela 2: Variáveis da sala de umidificação Temp o (min)
0 20 40 60 80 100 120
Tempera Temperatura Umidade Entalpi Vapor tura de de bulbo relativa( a d’águ bulbo úmido(ºC) %) (kJ/kg) a-W seco (ºC) (kg/kg de água) 23 17,5 59,6 52,2 11,4 20 16,5 71,4 49,1 11,418 18 16 82,3 47,6 11,628 16 18 82,3 47,6 11,628 16 17 82,3 47,6 11,628 16 17 82,3 47,6 11,628 16 17 82,3 47,6 11,628
Ponto Volum de e (m³) Orvalh o (ºC)
14,5 14,5 14,8 14,8 15,3 16,1 15,3
0,855 0,844 0,839 0,839 0,839 0,839 0,839
5.3.
Gráficos
Umidade 100
y = 0.1605x + 67.868 R² = 0.6105
90 80
umidificação
70 60
desumidificação
50 40
Linear (umidificação)
y = 0.0483x + 49.053 R² = 0.4455
30 20
Linear (desumidificação)
10 0 0
50
100
150
Gráfico 1: Umidade relativa em função do tempo
Entalpia 60
y = -0.03x + 50.271 R² = 0.5571
50
Umidificação
40 y = -0.0687x + 48.127 R² = 0.9204
30
Desumidificação Linear (Umidificação)
20
Linear (Desumidificação)
10 0 0
50
100
Gráfico 2: Entalpia em função do tempo
150
Quantidade de Vapor de água (W) y = 0.002x + 11.447 R² = 0.6338
14 12
Umidificação
10 8
Desumidificação
y = -0.012x + 9.6287 R² = 0.7398
6
Linear (Umidificação)
4 Linear (Desumidificação)
2 0 0
50
100
150
Gráfico 3: quantidade de vapor d’água em relação ao tempo
Volume 0.86 0.855
Umidificação
0.85
y = -0.0001x + 0.8506 R² = 0.9234
Desumidificação
0.845 Linear (Umidificação)
0.84 0.835
Linear (Desumidificação)
y = -0.0001x + 0.8482 R² = 0.5511
0.83 0
50
100
Gráfico 4: Volume em função do tempo
150
Ponto de orvalho y = 0.0149x + 14.257 R² = 0.8219
18 16
Umidificação
14 12
Desumidificação
10 y = -0.0199x + 11.973 R² = 0.7325
8
Linear (Umidificação)
6 4
Linear (Desumidificação)
2 0 0
50
100
150
Gráfico 5: Ponto de orvalho em função do tempo Para a realização deste experimento, foram criados dois ambientes independentes e distintos, dos quais um foi umidificado com auxílio de um equipamento umidificador, enquanto o outro foi desumidificado sob resfriamento através do ar condicionado. Em um processo que envolva resfriamento e desumidificação resulta em uma redução da temperatura de bulbo seco e da umidade absoluta do ar úmido (gráfico 1). Para que ocorra condensação da umidade do ar, este deve ser resfriado a uma temperatura inferior à sua temperatura de orvalho. Considerando então o processo de resfriamento e desumidificação como ideal, onde toda a massa de ar mantém um contato direto e uniforme com a superfície da serpentina de resfriamento (ar condicionado), só ocorrerá condensação da umidade quando a temperatura média do ar for igual à temperatura de orvalho. Logo, a quantidade de vapor de água irá diminuir, pois o ar condicionado retira a umidade do ambiente (gráfico 3). No resfriamento com desumidificação, ocorrido na sala com ar condicionado, a umidade relativa deveria diminuir, mas ao analisar o gráfico 1, a umidade têm alguns pontos de aumento. Isto pode ter ocorrido devido a erros de leitura, imprecisão dos termômetros e do psicrômetro, bem como a agitação não suficiente para a leitura das temperaturas, entre outros fatores externos. Em um processo que envolva resfriamento e umidificação, se ar não saturado entra em um equipamento semelhante ao utilizado no experimento, o ar será resfriado e umidificado, além disso, ocorre praticamente com temperatura de bulbo úmido constante. Logo, a quantidade de vapor de água W, vai aumentar, pois há o umidificador está fornecendo gotículas de água ao ambiente (gráfico 3).
No resfriamento com umidificação, que ocorreu na câmara fria com o umidificador de ar, pode-se perceber através do gráfico 2, que a entalpia teve a tendência de se manter constante, pois a adição de umidade do ar faz com que o ponto de estado se mova sobre uma linha de entalpia constante. A transformação ocorre praticamente com temperatura de bulbo úmido constante. Em todos os gráficos pelo menos um ponto foi excluído, pois estava fora da linha de tendência, fazendo com que o R² diminuísse. Logo, pode-se dizer que na maioria não há um bom ajuste da linha aos dados, porque não deram valores próximos de 1. O valor que mais se aproximou de 1 foi o R² do gráfico da entalpia na desumidificação do ar (R² = 0,9204).
6. CONCLUSÃO Através dos experimentos realizados pode-se concluir que os gráficos não obtiveram um bom ajuste da linha de dados, pois a maioria dos R² não se aproximaram de número 1 como o esperado. Logo, pode-se justificar que houve alguns erros experimentais, bem como a imprecisão dos materiais utilizados, o aglomerado de pessoas dentro das salas de experimentação, a demora de chegada de uma sala a outra, agitação não suficiente dos termômetros e psicrômetro, entre outros f atores externos.
7. SUGESTÕES
8. BIBLIOGRAFIA ASHRAE, 2005. ASHRAE Handbook - Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., Atlanta. FRADE, J., SEVERO, F. 2006. Climatização geral. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Lisboa. FREITAS, E. 2007. Construção de uma bancada optimizada para o estudo de painéis evporativos e ensaios de painéis de fibras vegetais. Projecto de Graduação. Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília, Brasília. JONES, W.P. 1983. Engenharia de Ar Condicionado. Campus, Rio de Janeiro.
ROMERO, M. 2000. Princípios bioclimáticos para o desenho urbano. CopyMarket.com. STOECKER, W.F., Jones, J.W. 1985. Refrigeração e ar condicionado. McGraw-Hill, S. Paulo.
9. ANEXOS 9.1.
MEMÓRIA DE CÁLCULO
9.1.1. Cálculo da umidade relativa
Desumidificação
Umidificação
9.1.2. Cálculo da quantidade de vapor de água
Desumidificação
Umidificação
9.1.3. Cálculo do calor cedido
Desumidificação
Umidificação
9.1.4. Volume da sala
Sala de Desumidificação: 2,25 x 4,10 x 3,15 = 29,0587 m³
Sala de Umidificação: 1,60 x 2,90 x 2,80 = 12,992 m³
9.1.5. Quantidade de água removida
Desumidificação
Umidificação
9.2.
CARTA PSICROMÉTRICA
Figura : Carta psicrométrica
