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 CONSTRUÇÃO DE UM RESFRIADOR EVAPORATIVO por Gabriel Paiva Alves Gustavo Eduardo Schreiber Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, julho de 2013.

2 RESUMO Neste trabalho foi construído um resfriador evaporativo. Seu objetivo é diminuir a temperatura de uma dada corrente de ar úmido única e exclusivamente de maneira evaporativa somente com a adição de água. Também é de suma importância que haja a mínima perda de carga possível, ou seja, tentar manter a máxima vazão atuando no sistema. Além disso, o cálculo de erros e incertezas de medição se fazem presentes. Foram estudadas duas condições iniciais diferentes. Primeiro utilizando condições ambientes, onde essa variação foi a máxima possível, 3,66 C, visto que a umidade relativa chegou a seu limite. E por ultimo, com temperatura inicial de 40 C e umidade relativa inicial de 37,43%, a variação foi muito maior, alcançando o valor de 16,95 C. Entretanto esse resultado não é o melhor possível, visto que a umidade relativa alcançou 95,20%. Ambos os casos tiveram resultados satisfatórios e com erros e incertezas dentro do esperado. 2

3 ABSTRACT In this work, an evaporative cooler was built. Its objective is to lower the temperature of a certain wet air flow in an exclusively evaporative way, only with water addition. It is also highly important to have the lowest pressure drop as possible, in other words, to try to keep the maximum active flow on the system. Furthermore, the faults and uncertainties calculation is present. Two different initial conditions were studied. First, using ambient conditions, where the temperature drop was the highest possible, 3.66 o C, since the relative humidity reached its limit. And second, using a 40 o C temperature and a relative humidity of 37.43% as initial conditions, the temperature drop was way higher, reaching o C. However, the second results are not the best possible, since the relative humidity reached 95.20%. Both cases had plausible results, with faults and uncertainties within the expected. 3

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO Processo de Resfriamento Evaporativo Temperatura de Bulbo Seco e Bulbo Úmido PT Umidade Relativa Psicrometria Vazão Pressão Manométrica Incerteza de medição TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Resfriador Evaporativo Medições Temperaturas e Umidade Perda de Carga e Vazão VALIDAÇÃO RESULTADOS Resultados Obtidos para Temperatura Ambiente Resultados Obtidos para Temperatura Controlada Perda de Carga CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 LISTA DE SÍMBOLOS A área do duto onde foi feita a medição m² g gravidade 9,81m/s² H diferença de altura lida no manômetro m número de moles de ar seco moles número de moles de vapor d água moles p pressão estática ou termodinâmica Pa pressão parcial de ar seco Pa pressão parcial do vapor d água Pa R constante universal dos gases 8314,472 J/(kmol.K) incerteza associada à quantidade --- incerteza associada à quantidade y --- tbs temperatura de bulbo seco C tbu temperatura de bulbo úmido C UR umidade relativa --- v velocidade do fluido m/s V volume total da mistura m³ vazão m³/s fração molar do ar seco --- fração molar do vapor d água --- variação de pressão entre os pontos medidos Pa ρ massa específica kg/m³ 5

6 1 INTRODUÇÃO Na grande maioria dos processos industriais há a necessidade de resfriamento de equipamentos e maquinaria em geral que geram uma certa quantidade de calor durante sua operação. Tendo isso em vista, esse trabalho visa mostrar com é possível construir um resfriador com simples materiais e de forma muito eficaz. Onde através de simples cálculos, métodos e testes é possível obter consideráveis reduções de temperaturas. O principal objetivo é criar um resfriador que obtenha uma grande redução da temperatura através da evaporação da água. Contudo, também é necessário controlar as perdas de carga geradas pelo resfriador, onde se cria o desafio de obter uma máxima eficiência na redução da temperatura tendo em vista a menor perda de carga que se possa criar. Juntamente com resfriadores é necessária a importância de medidas de controles de suas variáveis, assim como também a confiabilidade dessas medidas, como exatidão e precisão, para assim poder se ter um controle do que se cria ou se deseja sobre o determinado processo. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O resfriamento evaporativo opera utilizando fenômenos naturais através de processos induzidos nos quais a água e o ar são os fluidos de trabalho. Consiste na utilização da evaporação de água através da passagem de um fluxo de ar, provocando uma redução na temperatura do ar. (Camargo, 2004). Macintyre (1990) explica que em sistemas de resfriamento evaporativo tipo painel o resfriamento do ar é obtido através da passagem do ar através de uma manta umedecida onde o calor de vaporização da água é retirado do ar. Assim, em um Resfriador Evaporativo Direto, a água é vaporizada dentro da corrente de ar e o calor e massa transferidos entre o ar e a água reduzem a temperatura de bulbo seco do ar e aumentam sua umidade, mantendo constante a entalpia (resfriamento adiabático). No Resfriador Evaporativo Direto, não há redução na entalpia e a mínima temperatura que se pode atingir é a de bulbo úmido do ar que entra no sistema. É possível, no entanto, obter menores temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido na saída, mas, para isso, a água recirculada que supre o equipamento deve antes ser resfriada (CARDOSO et al., 1999). 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1. Processo de Resfriamento Evaporativo Resfriamento evaporativo é um processo de condicionamento de ar no qual a evaporação de água líquida resfria o ar direta ou indiretamente. A energia associada com a mudança de fase é o calor latente de vaporização do líquido. A evaporação ocorre quando as moléculas do líquido próximas da superfície sofrem colisões que aumentam sua energia acima da necessária para superar a energia de ligação da superfície. A energia necessária para manter a evaporação vem da energia interna do líqudio, que sofre então uma redução na temperatura (efeito de resfriamento). [Hattori, 1999]. 6

7 Nesse processo água liquida é pulverizada no ar úmido para aumentar sua umidade. Se o ar não estiver saturado esta água ou parte dela irá evaporar. Esse processo adiabático é mostrado pela figura a seguir. Figura 1 Umidificação do ar úmido com água esguichada. (ASHRAE, 2001) Na Figura 1, foi chamada a condição de entrada de 1, a saída de 4, a saturação de s, a temperatura de bulbo úmido tbu e a temperatura de bulbo seco tbs. Pela figura é possível perceber que a temperatura de bulbo úmido permanece constante ao longo do processo. Além disso, é evidente que a menor temperatura possível será quando a mistura estiver saturada, ou seja, umidade relativa igual a 100% Temperatura de Bulbo Seco e Bulbo Úmido A temperatura de bulbo seco nada mais é do que a verdadeira temperatura do ar úmido, quando medido por um termômetro comum, não exposto a radiação. Por outro lado, a temperatura de bulbo úmido é a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo é coberto por um tecido umedecido com água. Quando o bulbo úmido é colocado em uma corrente de ar, a água evapora do tecido, existindo essa temperatura de equilíbrio PT100 O PT100 é um termômetro de resistência que se baseia na variação da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura. Os valores já calibrados seguem a seguinte equação: Ω para = 0 ºC α = 0,00392 Ω/K (1) 7

8 3.4. Umidade Relativa Quando o ar úmido é considerado uma mistura de gases perfeitos independentes, ar seco e vapor d água, cada um deles é considerado obedecendo a equação de estados dos gases perfeitos como segue: (2) onde é a pressão parcial de ar seco (Pa), pressão parcial do vapor d água (Pa), V é o volume total da mistura (m³), o número de moles de ar seco, o número de moles de vapor d água e R a constante universal dos gases (8314,472 J/(kmol.K)). A mistura também obedece a equação de gás perfeito: onde n pe o número total de moles da mistura. A equação acima pode ser transformada em: (3) Das equações 1 e 3, as frações molares do ar seco e vapor d água são, respectivamente: (4) (5) onde é a fração molar do ar seco e é a fração molar do vapor d água. Sabendo que a umidade relativa UR é definida por: (6) onde é a fração molar do ar saturado na mesma pressão p e temperatura t. A umidade relativa UR, pelas equações 4 e 5, esta última para e, fica: (7) Dessa forma pode-se calcular a umidade relativa. Entretanto, todos os valores calculados podem ser facilmente encontrados utilizando-se uma carta psicrométrica, encontrada em anexo Psicrometria Psicrometria é o ramo da ciência dedicado à análise das propriedades físicas e termodinâmicas das misturas entre gases e vapor e suas aplicações práticas. 8

9 Tendo isso em vista, foi criada a Carta Psicrométrica (Anexo I), que nada mais é do que um diagrama que simplifica o estudo das propriedades do ar. No caso específico desse trabalho, onde foram medidas as temperaturas de bulbo úmido e de bulbo seco, a umidade relativa pode ser facilmente encontrada através da carta psicrométrica Vazão Para medição de vazão foi utilizado um Tubo de Pitot, o qual mede a diferença entre pressão de estagnação e pressão estática. Figura 2 - Medição da velocidade do escoamento de um fluido no interior de um duto A lei de conservação de energia para escoamentos permanentes é dada pela equação de Bernoulli: onde p é a pressão estática ou termodinâmica (Pa), ρ a massa específica (kg/m³), g a gravidade (9,81m/s²), h a altura de medição, v a velocidade do fluido. Fazendo algumas considerações, podemos reduzir a equação de Bernoulli. Primeiro, o fluido é incompressível, ou seja, = = ρ. Segundo, as medições são feitas com a mesma altura h. Além disso, a velocidade no ponto 2, ponto de estagnação, tenderá a zero. Com isso, sobra a seguinte equação simplificada: Isolando a velocidade, chega-se na equação: (8) (9) (10) Sabe-se também que a vazão é definida por: 9

10 = (11) onde A é a área do duto onde foi feita a medição (m²). Por fim, aplicando-se a equação 9 na equação 10 encontra-se a vazão do escoamento Pressão Manométrica Utilizou-se um manômetro para se obter a diferença de pressão entre entrada e saída do experimento. O manômetro lê a pressão na forma de mm.c.a. (milímetros de coluna de água), e para isso é necessária uma conversão a fim de chegarmos a unidade de Pascal. Para isso utilizou-se a seguinte equação: onde é a variação de pressão entre os pontos medidos (Pa), a massa específica do líquido utilizado (kg/m³), g a gravidade no local (9,81m/s²) e h é a diferença de altura lida no manômetro (m) Incerteza de medição A análise das incertezas de medição envolvidas é de fundamental importância ao trabalhar com experimentação. Visto que, é necessário saber quão preciso está sendo a medição a fim de se obter uma resposta relativamente adequada. Para o cálculo das incertezas foi usada a seguinte equação: (12) (13) onde, é a incerteza associada à quantidade y e é a incerteza associada à quantidade. 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Foi construído um resfriador evaporativo para ser testado no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos. Também foram utilizados dois sensores de temperatura (PT100) para definir as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco na entrada e saída do resfriador, bem como a variação de umidade relativa. Além disso, foi confeccionado um tubo de Pitot para medir a perda de carga do experimento, bem como, sua vazão. 4.1 Resfriador Evaporativo O resfriador evaporativo construído para esse trabalho foi projetado dentro de um cano PVC de 10 centímetros de diâmetro e 95 centímetros de comprimento. 10

11 Figura 3 Experimento realizado com cano de PVC É possível reparar na Figura 3, que existem dois furos em cada lado do cano, que foram utilizados para as medições de temperatura, umidade, vazão e perda de carga, com instrumentos como Tubo de Pitot, PT100 e manômetro. Além disso, foi fixada uma mangueira na parte superior interna do cano, ao longo do mesmo, como pode ser visto na Figura 4. Essa mangueira foi furada várias vezes, e, juntamente com a pressão dada pela torneira, produziram finos jatos de água. Isso facilita a evaporação da água visto que as partículas de mesma eram muito pequenas. A seguir a Figura 4 mostra um corte transversal do cano com a mangueira na parte superior, e esguichos de água saindo de seus respectivos furos. Figura 4 - Corte transversal do cano PVC, com mangueira e esguichos. Além disso, para reduzir ao máximo a temperatura, foi utilizada uma gaze dentro do cano, de maneira que a gaze retenha as gotículas de água. Como pode ser vista na Figura 5. 11

12 Figura 5 Visão frontal do experimento Observa-se a gaze foi posicionada horizontalmente, e abaixo da mangueira, de forma que toda a água não evaporada em um primeiro momento, obrigatoriamente irá passar pela gaze. Isso aumenta as chances de uma gotícula d água evaporar. Pode-se notar na Figura 5 que existem dois furos na parte inferior do tubo. Eles foram usados para diferentes funções. O mais interno foi utilizado para escoamento de água, visto que nem toda água consegue evaporar durante o processo. Além disso, existe outro furo com a mesma função no outro extremo do cano. Já o segundo furo, redondo, visto na Figura 5, foi utilizado como suporte para um copinho que contém água destilada, para medição de temperatura de bulbo úmido. A seguir uma foto do copinho que foi encaixado no furo redondo. Figura 6 - Copinho utilizado como recipiente para água destilada 12

13 4.2. Medições Temperaturas e Umidade Foram realizadas medições de temperatura de bulbo úmido e de bulbo seco nos dois extremos do experimento. Para essa medição, foram utilizados sensores de calor PT100. Esses sensores variam sua resistência de acordo com a temperatura, ou seja, a partir de uma calibração pré-definida uma dada resistência equivale a uma dada temperatura. As medições foram feitas com o auxílio de um multímetro, o qual mede a resistência elétrica do PT100. Sabendo o valor da resistência, utiliza-se a Equação 1 para determinar o valor da temperatura. Além disso, os valores de umidade encontrados vieram da utilização da carta psicrométrica a partir dos valores encontrados anteriormente para as temperaturas Perda de Carga e Vazão Foram realizadas medições de variações de pressão com o auxilio de um manômetro, utilizando a Equação 12. Primeiramente, foi medida a diferença de pressão estática entre entrada e saída, e com isso, obteve-se a perda de carga. Por ultimo, utilizando o Tubo de Pitot, foi realizado um balanço de energia, dado pela equação de Bernoulli. Dessa forma foi possível descobrir a velocidade do escoamento, pela Equação 10, e consequentemente, a vazão pela Equação 11. Figura 7 - Ponteiras para Tubo de Pitot 13

14 5. VALIDAÇÃO Foram realizados alguns testes no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos onde através destes foi possível fazer medições para se obter temperaturas, umidade relativa e vazão. Nesses testes foram realizadas diversas medidas para cada leitura desejada e através dessas leituras foi possível chegar através de cálculos a uma média e um desvio padrão para essas leitura e assim então obter uma incerteza para nossos mensurados. Foram atribuídos também erros as nossas medidas, erros que podem acontecer devido a diversos fatores, como, erro de paralaxe, erro devido aos diferentes pontos de obtenção de cada valor, erros do operador do medidor, erros do próprio instrumento de medição, entre outros. Esses erros causam inexatidão quando comparadas com as medidas feitas por instrumentos de maior exatidão, algumas diferenças chegaram a quase 6%, no caso das medidas para pressão dinâmica. Podem ter ocorrido falhas com o Tubo de Pitot devido a erros de construção ou a obstruções ocasionadas por mau posicionamento durante a medição. Por outro lado, outras medidas apresentaram pequena variação, com diferenças menores que 1%, mostrando boa exatidão. Como foi o caso das medidas de temperatura de bulbo úmido. No geral, os resultados tiveram uma incerteza satisfatória. 6. RESULTADOS Os testes foram realizados para duas temperaturas iniciais distintas. Primeiramente a temperatura ambiente e após a uma temperatura inicial de 40 C e umidade relativa controlada Resultados Obtidos para Temperatura Ambiente A tabela a seguir apresenta a comparação dos resultados obtidos para os seguintes dados de entrada: tbs = 23,18 C, tbu = 19,52 C e UR = 71,15%. Tabela 1 Medidas obtidas para condições iniciais ambientes Medidas do Média dos Medidas Desvio Erro* Laboratório valores lidos no medidor obtidas Padrão tbs saída 19,52 C 107,90 Ω 20,15 C 0,28 C 3,23% tbu saída 19,61 C 107,62 Ω 19,43 C 0,15 C 0,92% UR 101,40 % % --- 4,34% 0,03900m³/s 1,35mmH2O 0,03680m³/s 0,00204m³/s 5,64% *Erro: Diferença percentual das medidas obtidas com as medidas do Laboratório. Como pode ser visto na Tabela 1, as informações encontradas pelo responsável do Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos diferem das dos alunos. É possível que tenha ocorrido algum erro nas medidas dos resultados obtidos pelos PT100 do laboratório, já que a temperatura de bulbo úmido encontrada foi maior que a temperatura de bulbo seco. Por outro lado, as temperaturas encontradas pelos alunos autores, mesmo que possam apresentar algum erro, parecem estar mais coerentes. 14

15 Os objetivos de alcançar a maior redução de temperatura possível foi de grande êxito, onde foi atingido o valor de máximo de umidade relativa. Podemos constatar que a redução de 3,66 C foi o suficiente para alcançar 100% de umidade relativa. A Tabela 1 também evidencia a diferença medida pelos autores quando comparadas as medidas do laboratório, em destaque o erro atribuído a vazão, que apresenta uma diferença considerável em relação a medida do laboratório. Apesar dos erros resultantes acredita-se que os resultados encontrados são aceitáveis Resultados Obtidos para Temperatura Controlada Já os novos dados de entrada para a temperatura controlada são: tbs = 40,36 C, tbu = 27,50 C e UR = 37,43%. Tabela 2 Medidas obtidas para condições iniciais controladas. Medidas do Média dos Medidas Desvio Erro Laboratório valores lidos no medidor obtidas Padrão tbs saída 23,41 C 109,51Ω 24,26 C 0,34 C 3,63% tbu saída 22,00 C 108,39Ω 21,42 C 0,21 C 2,63% UR 95,20% % --- 5,46% 0,03900m³/s 1,35mmH2O 0,03680m³/s 0,00204m³/s 5,64% Analisando a tabela 2, percebe-se uma grande redução na temperatura, 16,95 C, entretanto não foi possível obter a máxima redução. A umidade relativa teve um valor de 95,20%, não alcançando o valor ideal de 100%. Isso deve-se ao fato da pequena umidade relativa inicial, precisando assim de maior efetividade pra reduzir ao máximo Perda de Carga O valor obtido entre a diferença da pressão estática de entrada e saída, ou seja, a perda de carga, foi de 1,5 mmh2o. A partir desse dado, utilizando a Equação 12, foi encontrado o valor equivalente a 14,66 Pa. Essa perda de carga é devida a obstruções causadas pelos componentes do experimento. 7. CONCLUSÕES Acredita-se que o devido trabalho cumpriu seus objetivos. Primeiro, todas as medições foram realizadas com sucesso e dentro de um nível aceitável de incertezas e erros. Segundo, a vazão não foi muito afetada, tendo em vista que o experimento conseguiu evitar uma grande perda de carga. E por fim, as temperaturas alcançadas, para as diferentes condições iniciais, foram muito satisfatórias. No primeiro caso, para condições iniciais ambientes, essa variação foi a máxima possível, 3,66 C, visto que a umidade chegou a seu limite. Já no segundo caso, a variação foi muito maior, 16,95 C, no entanto não foi a máxima possível, visto que a umidade relativa alcançou 95,20%, podendo ainda alcançar uma maior efetividade com devidos ajustes. 15

16 Observa-se também, que uma mudança poderia ser feita nos jatos de água, que poderiam ser mais dispersos, ou seja, fazer com que as partículas de água lançadas fossem de menor tamanho possível, facilitando assim a sua evaporação. Outro problema foi o excesso de água usado, visto que grande parte dessa água era escoada para fora sem evaporar. Seria de grande interesse estudar a eficiência do experimento ao diminuir a quantidade de água utilizada. Caso não fosse eficiente o suficiente, o ideal seria reutilizar essa água perdida. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASHRAE American Society of Heating, Refrigeration and Ar-Conditioning Engineers 2001 Fundamentals Handbook Chapter 6 Psychrometrics. CAMARGO, J. R. Resfriamento Evaporativo: Poupando Energia e Meio Ambiente. Revista Ciências Exatas, Taubaté, v. 9/10, n 1-2, p , 2003/2004. CARDOSO, S., CAMARGO, J. R., TRAVELHO, J. S., Introdução à utilização do resfriamento evaporativo para condicionamento de ar automotivo, XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, COBEM 99, Águas de Lindóia, SP. HATTORI, Marcos Akira, Determinação e análise do perfil anual de redução de temperatura promovido pela central de resfriamento evaporativo da usina hidrelétrica de itaipu, Monografia para Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE Campus de Foz do Iguaçu. MACINTYRE, A. J. Ventilação Industrial e Controle da Poluição. 2.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos,

17 ANEXO I 17

18 A tabela de avaliação abaixo deve acompanhar o trabalho impresso Capacidade de leitura na faixa indicada Perda de carga Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso 18