UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE EQUIPAMENTO DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO DIRETO DO AR por Alter Durand da Costa Marcus Vinícius Simioni Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, julho de 2013

2 RESUMO Este trabalho consiste na produção e avaliação de um equipamento de Resfriador Evaporativo Direto. Foi preparada uma bancada experimental com vazão de 20 l/s a uma temperatura de 40 C e umidade relativa em torno de 30%. O objetivo seria reduzir ao máximo a temperatura de bulbo seco, se valendo apenas dos princípios que regem o Resfriamento Evaporativo, ou seja, transferência de calor e massa simultâneas. Para o experimento foi utilizado um bico aspersor próprio para pulverização e irrigação, tubos de cobre dispostos na forma de tubo de Pitot para medir vazão através da pressão de estagnação e um par de sensores RTD PT100. PALAVRAS-CHAVE: resfriamento evaporativo, atomização, transporte de massa.

3 ABSTRACT This work presents the production and evaluation of a Direct Evaporative Air Cooler equipment. It was prepared a experimental workbench flowing air at rate of 20 l/s, with a temperature of 40 C and relative humidity around 30%. The goal would be to reduce the maximum dry bulb temperature, just taking advantage of the principles governing the Evaporative Cooling, i.e., simultaneous heat and mass transfer. For the experiment, we used a spray nozzle suitable for spraying or irrigation, copper pipes arranged in the form of a Pitot tube for measuring flow through the stagnation pressure and a pair of RTD sensors PT100. KEYWORDS: evaporative cooling, atomization, mass transfer.

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5 LISTA DE SÍMBOLOS ϵ e : Efetividade de Saturação direta [adim.] Tbs e : Temperatura de Bulbo Seco na entrada do equipamento [ K ] Tbs s : Temperatura de Bulbo Seco na saída do equipamento [ K ] Tbu s : Temperatura de Bulbo Úmido na saída do equipamento [ K ] q : Fluxo térmico, [ W m ] 2 k : Condutividade térmica, [ W mk ] T : Gradiente de temperatura, [ K ] J b : Fluxo mássico difusivo, [ kg sm 2 ] ρ : concentração, [ kg m 3 ] ρ b : concentração do vapor de água, [ kg m 3 ] D v : Difusividade mássica, [ m2 s ] p : Pressão absoluta, [ Pa ] T : Temperatura absoluta, [ K ] St : Número de Stanton, [adim.] Pr : Número de Prandtl, [adim.] St m : Número de Stanton mássico, [adim.] Sc : Número de Schmidt, [adim.] W h : Coeficiente Convectivo de Tranferência de Calor, [ m²k ] h m : Coeficiente de Tranferência de Massa, [ m s ]

6 u : Velocidade média do ar na direção x, [ m s ] c p : calor específico a pressão constante, [ J kg K ] μ : viscosidade dinâmica, [ kg m s ] α : difusividade térmica, [ m2 s ] P am : Fator de densidade médio logarítmico, LR : Relação de Lewis, [ K kpa ] W h e : Coeficiente de Tranferência de Calor Evaporativo, [ m 2 kpa ] W h c : Coeficiente de Tranferência de Calor Convectivo, [ m 2 K ]

7 1 INTRODUÇÃO O Resfriamento Evaporativo Direto é um princípio de resfriamento do ar que consiste em utilizar o potencial de saturação da mistura de ar úmido para a redução da temperatura de bulbo seco, através da injeção de spray de água numa corrente de ar não saturada. É uma aplicação de baixo custo, ambientalmente correta, energeticamente eficaz e com ampla faixa de utilização em diversos tipos de clima. Pode ser utilizado em instalações para conforto em residências, no controle de temperatura em alguns ambientes industriais que admitam umidade elevada. Difere do Refriamento Evaporativo Indireto na medida em que este não altera a umidade relativa do ar, sendo que o ar é resfriado sensivelmente em trocador de calor por onde passa contra uma corrente de ar com Refriamento Evaporativo Direto. O presente trabalho consiste em: Construir equipamento de Resfriamento Evaporativo Direto capaz de umidificar o ar até estado próximo à saturação; Construir medidor de vazão em tubo de Pitot, utilizando como mensurando a pressão de estagnação do ar; Medição de temperatura e umidade a partir de um par de sensores RTD PT100.

8 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Segundo a ASHRAE, os equipamentos de Resfriamento Evaportivo se dividem em 3 categorias principais: a) resfriamento evaporativo direto; b) resfriamento evaporativo indireto e c) combinado (direto e indireto). O equipamento de Resfriamento Evaporativo Direto se baseia na evaporação adiabática da água diretamente na corrente de ar úmido, se valendo do potencial de saturação desta para o efeito desejado na redução da temperatura de bulbo seco. Afeta diretamente a umidade relativa. O experimento em questão se vale deste princípio. O processo se dá através de um spray de água em temperatura ambiente sendo injetado diretamente sobre uma corrente de ar com baixa umidade relativa. O equipamento de Resfriamento Evaporativo Indireto se vale uma corrente de ar secundária, cujo resfriamento se dá também pela evaporação adiabática da água, porém esta corrente retira calor de forma sensível da corrente primária, se valendo de um trocador de calor ar-ar. A vantagem deste método é que o ar primário, o ar de consumo, segue com o mesmo conteúdo de umidade após o resfriamento, ou seja, a umidade relativa aumenta muito pouco se comparado com o equipamento de Resfriamento Evaporativo Direto. O equipamento do tipo combinado, como o próprio nome diz, reúne características de ambos os tipos de equipamentos. Sua principal vantagem é reduzir a temperatura de bulso seco na entrada do equipamento, Tbs e, conforme é ilustrado na figura a seguir: Figura 1 Efeito Psicrométrico de Equipamento de Resfriamento Evaporativo Combinado Para os equipamentos de Resfriamento Evaporativo Direto, se define como efetividade de saturação direta, em percentual, o quão próximo o ar que atravessa o equipamento chega da saturação, ou seja, quanto que o equipamento consegue reduzir da sua temperatura de bulbo seco na entrada com relação à sua temperatura de bulbo úmido. Podemos escrever a equação desta forma: ϵ e =100 Tbs e Tbs s Tbs e Tbu s (1)

9 Além dos equipamentos de Refriamento Evaporativo propriamente ditos, há uma infinidade de equipamentos que se encaixam dentre estas categorias citadas acima. Alguns exemplos mais comuns são: as Torres de Refriamento/Arrefecimento; os Lavadores de Ar que, muito embora não tenham como função principal a retirarada de calor, ao se produzir névoas de água acabam reduzindo indiretamente a temperatura do ar a ser filtrado. 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA CONDUÇÃO Transferência de calor é um fenômeno físico no qual um fluxo térmico é transmitido devido à existência de um gradiente de temperatura em um meio. Como qualquer sistema real, segue a 2 a. Lei da Termodinâmica, que diz que a energia flui naturalmente de um estado de maior potencial para outro de menor potencial, vencendo resistências ou produzindo trabalho. De forma análoga, o trânsito de uma espécie química, em um fluxo mássico, é gerado por um gradiente de concentrações de uma espécie química em outra. Pode-se ver este último fenômeno de várias maneiras na natureza, como na sublimação do gelo seco em ar a temperatura ambiente e em misturas de gases. Em suma, em toda situação que houver diferença de concentrações entre espécies distintas e miscíveis esse fenômeno irá se manifestar. Para fins deste trabalho a condução mássica será restrita ao vapor de água na mistura de ar úmido. A Lei de Fourier (Eq. 2) é a descrição matemática do fenômeno de transferência de calor. Já a Lei de Fick (Eq. 3) é a análoga do fenômeno de transferência de massa. q= k T (2) J b = ρd v ρ b ρ (3) O coeficiente de difusão D v é obtido experimentalmente e pode ser encontrado, para o ar úmido, pela correlação de Sherwood e Pigford, 1952: D v = p ( T 2.5 T+ 245) (4) CONVECÇÃO Análogo ao processo de conveção em Transferência de Calor, o mecanismo convectivo de tranferência de massa envolve a condução mássica junto a um processo global de movimento do fluido (advecção) e pelo movimento aleatório e turbilhonar das moléculas do fluido (difusão). Usando as mesmas relações de Transferência de Calor, se pode utilizar, sem incorrer em grandes erros, as mesmas correlações de convecção, no entanto subtituindo os números de Nusselt (Nu) pelo número de Sherwood (Sh) e o número de Prandtl (Pr) pelo número de Schmidt (Sc) TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA SIMULTÂNEOS A analogia de Reynolds para Transferência de Calor também pode ser relacionada à Transferência de Massa pelo equacionamento do fator j de Chilton-Colburn, conforme segue:

10 St Pr n = f 2 =St m Scn Seguindo a definição de St, Pr, St m e Sc : h ρc p u ( c p μ k ) 2/3 = h m u ( μ ρd v ) 2 /3 h = P h m ρc p am( α D v ) 2 /3 1 (5) α A razão D v é conhecida como número de Lewis e denota a razão entre a difusividade térmica e mássica, com magnitude expressando a taxa de propagação de energia e massa dentro de um sistema. A Relação de Lewis (Eq.5) é verdadeira para a mistura de ar e vapor de água a baixos fluxos mássicos e é a relação fundamental para o processo de saturação adiabática do ar úmido. É um valor que pouco varia com a temperatura e também pode ser representada por: LR= h e h c = Tbs Tbu pws pw =16,5[ K kpa ] 4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para a construção do Resfriador Evaporativo, utilizou-se: Tubo de PVC de 100mm de diâmetro e 95cm de comprimento; 02 (dois) sensores de temperatura PT100 (ver Fig.2 abaixo); Pedaço de mangueira; Pedaço de tecido de algodão; 01 (um) Bico atomizador (ver Fig. 3 abaixo); 02 (dois) pedaços de tubulação de cobre; Pedaços de arame para fixação; Resina epóxi. O procedimento de montagem (ver Fig. 4) foi realizada da seguinte forma: Para fins de ilustração, arbitrando-se o fluxo de ar da esquerda para a direita, instalou-se o Bico atomizador na extremidade esquerda, com o furo aspergindo contra o fluxo de ar; Na extremidade direita instalou-se os dois sensores de temperatura PT100; Também na extremidade direita do tubo foram com um tubo de Pitot, a partir dos pedaços de tubo de cobre, arranjado para a medição de pressão dinâmica;

11 Figura 2 PT100 thin film Figura 3 Bico Atomizador Figura 4 Montagem do Sistema, na ilustração: 1. Bico Atomizador, 2. Tubo de Pitot; 3. PT100;

12 O sistema acima foi colocado em linha dentro de bancada constituída por ventilador, aquecedor, umidificador, medidor de vazão, medidor de temperatura e umidade. O ar úmido succionado pelo ventilador a uma vazão de aproximadamente 20 l/s, uma velocidade média de 5 m/s, estabilizado em estado cerca de 40 C e 30% de Umidade Relativa, deve passar pelo sistema proposto e receber um esguicho com gotículas de água. Ao receber tal esguicho o objetivo é maximizar o efeito de evaporação destas gotículas, ocasionando na redução de temperatura. A regulação do esguicho foi feita de forma qualitativa, por ensaio visual, regulando-se a vazão de água e a pressão do ar injetado no Bico Aspersor, de maneira que o esguicho saia na forma de uma névoa homogênea e com o menor tamanho de gota possível. 5 RESULTADOS Como o processo de Resfriamento Evaporativo é regido por leis fenomenológicas, então somente com uma análise mais extensiva, que infelizmente não faz parte do escopo deste trabalho, seria possível proceder por análise do problema inverso, partindo-se dos resultados obtidos, passando pelos parâmetros dos modelos e, assim, avaliando-se os desvios entre modelo e experimento, quais foram os parâmetros deste experimento que poderiam ser otimizados de modo a se melhorar tais resultados. No entanto, seguem os resultados e a ilustração qualitativa da carta psicrométrica. Os valores obtidos nos campos 'Eficiência', referem-se ao equacionamento exposto em Eq. 1. Tabela 1 Dados obtidos a Temperatura Ambiente Temperatura Ambiente, oc # Tbs,e Tbu,e Tbs,s Tbu,s Média Desvio Padrão 1.20E E E E-003 Eficiência,%

13 Tabela 2 Dados obtidos após Aquecimento do Ar Temperatura Após o Aquecimento, oc # Tbs,e Tbu,e Tbs,s Tbu,s Média Desvio Padrão 7.70E E E E-003 Eficiência,% Figura 5 Processo de Resfriamento Evaporativo com Temperatura Inicial ambiente;

14 Figura 6 Processo de Resfriamento Evaporativo com Temperatura Inicial Aquecida.

15 6 CONCLUSÕES O trabalho apresentou valores satisfatórios para a faixa de vazão, temperatura e umidade aplicados, conseguindo superar em eficiência de saturação muitos equipamentos de Resfriamento Evaporativo de uso comercial, que rondam até 90%. Um fator preponderante é a dimensão do tamanho da gota, avaliado aqui apenas de maneira qualitativa, quando da regulagem do bico aspersor. Quanto menor for a gota aspergida, menor será a relação entre tensão superficial do líquido e a pressão de vapor do meio a ser resfriado, o que representará maior taxa de evaporação do líquido, com menor consumo de água. Não estava no escopo do trabalho o controle da vazão mássica da água utilizada, no entanto, caso estivesse, o tamanho da gota seria um dos focos a serem levados em conta.

16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Psychrometrics, 2009 ASHRAE Handbook, Chapter 1, Fundamentals (SI). Mass Transfer, 2009 ASHRAE Handbook, Chapter 6, Fundamentals (SI). Thermal Comfort, 2009 ASHRAE Handbook, Chapter 9, Fundamentals (SI). Evaporative Cooling, ASHRAE Handbook, Chapter 40, HVAC Systems and Equipament. Evaporative Air-Cooling Equipament, ASHRAE, Chapter 40, HVAC Systems and Equipament.