Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

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Refrigeração e Ar-Condicionado

Parte IV Psicrometria

Prof. Luiz Carlos Martinelli Jr. - DeTEC.

PSICROMETRIA3
AR3
Ar seco3
LEI DE DALTON4
PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DO AR ÚMIDO4
Temperatura de Bulbo Seco (tBS)5
Temperatura de Bulbo Úmido (tBU)5
Temperatura de Orvalho (t0)6
Pressão de Vapor (PV)6
Pressão de Vapor Saturado (PVS)7
Razão de Umidade (x)7
Umidade Relativa (j)8
Grau de Saturação (m)8
Volume Específico (v)8
Entalpia para o Ar Úmido (h)8
Pressão Atmosférica9
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO10
Diagrama de Carrier1
Diagrama de Mollier1
DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES DO AR14
PROCESSOS PSICROMÉTRICOS16
Mistura Adiabática de duas quantidades de Ar Úmido16
Aquecimento Sensível ou Aquecimento Seco17
Resfriamento sem Desumidificação ou Resfriamento Seco18
Resfriamento com Desumidificação20
Fator de Bypass2
Fator de Calor Sensível (R)23
Resfriamento e Umidificação25
Aquecimento e Umidificação26
MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE UMIDADE EM GASES30
1. INTRODUÇÃO30
2. O QUE É A UMIDADE?30
3. MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE UMIDADE31
Princípios de Operação de Vários Higrômetros31
Higrômetros Mecânicos31
Psicrômetros de bulbos seco e úmido31
Medidores por Impedância Elétrica (Capacitivos ou Resistivos)31
Sensores Capacitivos32
Sensores Resistivos32
Sensores de Ponto de Orvalho por Impedância32
Higrômetros por Condensação32
Higrômetros de Cloreto de Lítio Saturado3
Eletrolítico (pentóxido fosforoso)3
Higrômetros Espectroscópicos3
Outros Métodos3
Acústico3
Expansão Adiabática34
Gravimétrico34
Fibra Óptica34
Piezoelétrico (oscilador de quartzo)34
Ponte Pneumática34
Condutibilidade Térmica34
Zircônia34
4. VANTAGENS E LIMITAÇÕES36
Higrômetros Mecânicos36
Higrômetros por Condensação37
Higrômetros de Cloreto de Lítio Saturado37
Eletrolítico (pentóxido fosforoso)37
Higrômetros Espectroscópicos38
Medidores de Umidade por Mudança de Cor38
5. SELEÇÃO DE UM TIPO DE HIGRÔMETRO38
6. CALIBRAÇÃO DE HIGRÔMETROS39
7. REFERÊNCIAS39
EQUAÇÕES PSICROMÉTRICAS39
Notação Utilizada39
ASAE40
A – Linha de Saturação, PVS em função de T40
B – Linha de Saturação, T em função de PVS40
C – Calor Latente de Sublimação na Saturação40
D – Calor Latente de Vaporização na Saturação40
E – Linha de Bulbo Úmido41
F – Razão de Umidade41
G - Volume Específico41
H – Entalpia41
I – Umidade Relativa41
ALBRIGHT41
A – Pressão de Saturação do Vapor41
B – Umidade Relativa43
C – Razão de Umidade43
D – Volume Específico43
E – Entalpia43
F – Temperatura de Orvalho43
G – Temperatura de Bulbo Úmido43

Psicrometria

O estudo detalhado da mistura ar seco – vapor d’água é de tal importância que constitui uma ciência à parte, a Psicrometria, dotada de todo um vocabulário próprio.

A Psicrometria é definida como “o ramo da física relacionado com a medida ou determinação das condições do ar atmosférico, particularmente com respeito à mistura ar seco – vapor d’água”, ou ainda, “aquela parte da ciência que está de certa forma intimamente preocupada com as propriedades termodinâmicas do ar úmido, dando atenção especial às necessidades ambientais, humanas e tecnológicas.

O conhecimento das condições de umidade e temperatura do ar é de grande importância. Além do conforto térmico, que depende mais da quantidade de vapor presente no ar do que propriamente da temperatura, também em muitos outros ramos da atividade humana. A conservação de produtos como frutas, hortaliças, ovos e carnes, em câmaras frigoríficas depende da manutenção da umidade relativa adequada no ambiente. Por exemplo, a perda de peso depende da umidade do ar na câmara de estocagem, se a umidade é baixa, a perda de peso é elevada e vice-versa.

Pelas suas dimensões e pelos processos físico-químicos e biológicos que se desenvolveram, o planeta Terra possui, hoje, uma camada gasosa que o envolve (ar atmosférico). Essa massa gasosa constitui a atmosfera da Terra e é essencial às formas de vida que nela se encontram.

O ar atmosférico é constituído de uma mistura de gases, assim como de vapor d’água, e uma mistura de contaminantes (fumaça, poeira e outros poluentes gasosos ou não) presentes normalmente em locais distantes de fontes poluidoras.

Ar seco

Por definição, ar seco (dry air) é a mistura dos gases que constituem o ar atmosférico com exclusão do vapor d’água, i.e., quando todo o vapor d’água e os contaminantes são removidos do ar atmosférico. Extensivas medições têm mostrado que a composição do ar seco é relativamente constante, tendo pequenas variações na quantidade dos componentes com o tempo, localização geográfica e altitude. A composição percentual, em volume ou número de moles por 100 moles do ar seco, é dada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição do ar seco ao nível do mar:

ComponenteFórmula% em volumeMassa molecular

(kg/kg-mol)

Hélio He 0,000524 4,0026

Metano CH4 0,00015 16,03188 Dióxido de EnxofreSO20 a 0,000164,064

Xenônio Xe 0,0002 131,3 Fonte: ASHRAE Fundamentals, 1997, pág. 6.1

A massa molecular aparente do ar seco é 28,9645 kg/kg-mol e a do vapor d’água é de 18,01528 kg/kg-mol, ambas na escala do carbono 12, ASHRAE (1997). A constante dos gases para o ar seco, baseada na escala do carbono 12 é:

Kkg

A mistura ar seco – vapor d’água é denominada de ar úmido (moist air) ou de mistura binária (binary mixture) de ar seco e vapor d’água. A quantidade de vapor d’água presente na mistura pode variar de zero até um valor correspondente à condição de saturação. Isso corresponde à quantidade máxima de vapor d’água que o ar pode suportar em determinada condição de temperatura.

Definindo:

AR SATURADO é uma mistura de ar seco e de vapor d’água saturado. Mais precisamente é o vapor d’água que é saturado e não o ar.

AR NÃO SATURADO é uma mistura de ar seco e vapor d’água superaquecido.

Lei de Dalton

“A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma das pressões parciais de cada componente na mesma temperatura da mistura”.

Define-se pressão parcial de cada componente como a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho o volume da mistura, na temperatura da mistura.

Ilustração da Lei de Dalton

PA, PB, PC são respectivamente as pressões parciais dos gases A, B e C. Para o caso do ar úmido, teremos:

P = pressão atmosférica

P = PA + PVPA = pressão parcial do ar seco PV = pressão parcial do vapor d’água

Propriedades Termodinâmicas do Ar Úmido

Diversas propriedades termodinâmicas fundamentais estão associadas com as propriedades do ar úmido de maneiras diferentes.

Três propriedades estão associadas com a temperatura:

a) Temperatura do bulbo seco (tBS);

VA P t
VBP t

VC P t b) Temperatura termodinâmica do bulbo úmido (tBU); c) Temperatura do ponto de orvalho (t0).

Algumas propriedades termodinâmicas caracterizam a quantidade de vapor d’água presente no ar úmido:

d) Pressão de vapor (PV); e) Razão de umidade (x); f) Umidade relativa (j); g) Grau de saturação (m).

Outras propriedades de fundamental importância, relacionadas com o volume ocupado pelo ar e com a energia do ar, respectivamente, são:

h) O volume específico (v) e i) A entalpia (h).

A entalpia e o volume específico são propriedades da mistura ar seco – vapor d’água, mas, por conveniência, são expressas com base em uma unidade de massa de ar seco.

Apresenta-se, a seguir, uma breve descrição de cada propriedade.

Temperatura de Bulbo Seco (tBS)

É a temperatura indicada por um termômetro comum, não exposto a radiação. É a verdadeira temperatura do ar úmido. É freqüentemente denominada apenas temperatura do ar.

Temperatura de Bulbo Úmido (tBU)

É a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo foi previamente envolto por algodão úmido, tão logo seja atingido o equilíbrio térmico. Nesse tipo de termômetro, a mistura ar seco - vapor d’água sofre um processo de resfriamento adiabático, pela evaporação da água do algodão no ar, mantendose a pressão constante.

Para se fazer a leitura desse tipo de temperatura, se faz necessário um psicrômetro, Figura 1. O psicrômetro consta de dois termômetros, um deles envolto por um tecido constantemente umedecido (termômetro de bulbo úmido) e outro, ao lado, simplesmente em equilíbrio térmico com o ar úmido (termômetro de bulbo seco). O termômetro de bulbo úmido recebe sobre si um fluxo de ar constante com uma velocidade de aproximadamente 3 (m/s), por meio de um sistema de ventilação. Assim, a umidade é evaporada retirando energia do bulbo úmido e, conseqüentemente, baixando a temperatura até um estado de equilíbrio.

Figura 1 – Psicrômetro de Aspiração

Entende-se por estado de equilíbrio a situação em que o fluxo de energia do ar para o bulbo do termômetro é igual à energia necessária para a evaporação da umidade.

É a temperatura no qual o vapor se condensa ou solidifica quando é resfriado a pressão constante e conteúdo de umidade constante. O diagrama T-S para o vapor d’água ilustra esta definição, Figura 2.

Figura 2 – Diagrama T-S para o ar

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