Refrigeração e Ar Condicionado
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- Luiza Carreiro Olivares
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1 Refrigeração e Ar Condicionado Psicrometria Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/30
2 Introdução 2/30
3 Introdução A psicrometria é o estudo das misturas de ar e de vapor de água; Nos sistemas de refrigeração e ar condicionado o ar não pode ser considerado seco, mas sim como uma mistura de ar e de vapor d água; Em alguns processos a água é removida do ar, enquanto em outros é adicionada. 2/30
4 Definições Fundamentais 3/30
5 Pressão Parcial (Lei de Dalton) A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma das pressões parciais de cada um dos componentes da mistura; A pressão parcial de cada componente da mistura é a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho um volume igual ao da mistura, na mesma temperatura; 3/30
6 Pressão Parcial (Lei de Dalton) Quando considerado o ar úmido, isto é, a mistura de ar seco e vapor de água, tem-se que a pressão atmosférica local (P atm ), que corresponde à pressão total, é igual a soma da pressão parcial do ar seco (P a r) com a do vapor de água (P v ); P atm = P ar + P v (1) 4/30
7 Ar seco É a mistura dos gases que constituem o ar atmosférico, com exceção do vapor de água. 5/30
8 Ar Não Saturado e Ar Saturado Ar não saturado é a mistura de ar seco e vapor de água superaquecido; Ar saturado é a mistura de ar seco e de vapor de água saturado Mais precisamente é o vapor de água que está saturado e não o ar; Abaixo é mostrado o esquema de uma carta psicrométrica, tendo como eixo das abscissas a temperatura e como eixo das ordenadas a umidade absoluta onde somente aparece a linha de saturação. 6/30
9 Umidade Absoluta (W) A umidade absoluta é definida como a razão entre a massa de vapor (m v ) e a massa de ar seco (m ar ); W = m v m ar (2) Nas aplicações usuais de refrigeração e ar condicionado, tanto o ar quanto o vapor de água podem ser admitidos como gases perfeitos; Assim, a determinação da umidade absoluta (W ), pode ser efetuada pela utilização da equação dos gases perfeitos; W = P v V R v T P ar V R ar T = R ar R v P v P ar (3) 7/30
10 Umidade Absoluta (W) Substituindo os valores de R ar e R v, e utilizando também P tot = P v + P ar, obtém-se: P v W = 0, 622 (4) P tot P v 8/30
11 Umidade Relativa (φ) A umidade relativa é definida como a relação ente a pressão parcial do vapor de água na mistura e a pressão de saturação correspondente à temperatura da mistura; φ = P v P s (5) Indica a relação entre a quantidade de vapor existente no ar (umidade absoluta) e a quantidade máxima que poderia haver na mesma temperatura (ponto de saturação). 9/30
12 Umidade Relativa (φ) 10/30
13 Umidade Relativa (φ) Pode-se utilizar a definição de umidade relativa para encontrar a umidade absoluta, φp s W = 0, 622 (6) P tot φp s 11/30
14 Entalpia Específica do Ar Úmido A entalpia de uma mistura de gases é igual a soma das entalpias dos componentes da mistura; Assim, para o ar úmido, a entalpia (H) é igual à soma das entalpias do ar seco (H ar ) e do vapor de água (H v ); H = H ar + H v = m ar h ar + m v h v (7) Dividindo-se a equação 7 pela massa de ar seco, obtém-se a entalpia específica do ar úmido (h): h = h ar + m v m ar h v = h ar + Wh v [kj/kg de ar seco] (8) 12/30
15 Entalpia Específica do Ar Úmido Pode-se reescrever a equação 8 como, h ar = c p,ar T (9) h v = h lv + c p,v T (10) Tomando como referência a entalpia do ar úmido, h = 0, para a temperatura de 0 C. Assim, tem-se: h ar = c p,ar T + W (h lv + c p,v T ) (11) h ar = c p,ar T + Wh v (12) Onde, c p,ar é o calor específico médio à pressão constante do ar seco; c p,v é o calor específico médio à pressão constante do vapor superaquecido; hlv é o calor latente de vaporização da água; hv é a entalpia total de vapor. 13/30
16 Entalpia Específica do Ar Úmido O calor específico à pressão constante do ar seco varia com a temperatura, mas pode ser tomado como um valor médio constante sem incorrer em erros significativos; O mesmo acontecendo para o calor específico do vapor superaquecido. c p,ar = 1, 004kJ/kg C c p,v = 1, 805kJ/kg C h lv = 2502kJ/kg h = 1, 004T + W ( , 805T ) [kj/kg] (13) 14/30
17 Volume Específico do Ar Úmido Volume específico do ar úmido (v) é definido como a razão entre o volume da mistura em m 3 e a massa de ar seco em kg: v = V m ar = R art P ar = R art P tot P v (14) Utilizando a definição de umidade absoluta, pode-se escrever, v = (1 + 1, 6078W ) R art P tot (15) 15/30
18 Temperatura de Bulbo Seco A temperatura de bulbo seco (TBS) é a temperatura que indica por um termômetro comum, não exposto à radiação. 16/30
19 Temperatura de Orvalho A temperatura de orvalho (T orv ) é a temperatura na qual o vapor de água se condensa, ou solidifica, quando resfriado a pressão e umidade absoluta constante; O ponto 1 representa um estado do ar úmido tal que o vapor de água presente na mistura se encontra superaquecido; Quando resfriado à pressão constante, o vapor passa pelo ponto 2, que corresponde ao ponto de orvalho, e onde tem início a condensação do vapor. 17/30
20 Exemplos Exemplo 1 - Considere 100m 3 de mistura ar-vapor a pressão atmosférica, 35 C e 70% de umidade relativa. Calcule a umidade absoluta, ponto de orvalho, massa de ar e massa de vapor. 18/30
21 Exemplos Exemplo 2 - Calcule a massa de vapor d água que condensa se a mistura do exemplo anterior for resfriada a 5 C em um processo a pressão constante. 19/30
22 Processo de Saturação Adiabática 20/30
23 Processo de Saturação Adiabática O processo de saturação adiabática é um importante processo da mistura água-ar; Uma massa de mistura a uma certa umidade relativa entra em contato com um corpo d água,sendo o sistema está isolado termicamente; Se a umidade relativa da mistura na entradafor menor que 100 %, uma certa massa de água do reservatório irá evaporar e a temperatura da mistura irá diminuir; A temperatura da mistura na saída é chamada de temperatura de saturação adiabática; 20/30
24 Continuidade ṁ ar,1 = ṁ ar,2 = ṁ ar (16) Processo de Saturação Adiabática Quando atingido o regime permanente, é preciso que água seja reposta a temperatura de saturação no reservatório; A aplicação da 1 a lei da termodinâmica e a equação da continuidade resulta em: ṁ v,1 + ṁ H2 O = ṁ v,2 W 1 ṁ ar,1 + ṁ H2 O = W 2 ṁ ar,2 (17) ṁ H2 O = ṁ ar (W 2 W 1 ) (18) 21/30
25 Processo de Saturação Adiabática 1 a lei da termodinâmica ṁ ar,1 h 1 + ṁ H2 Oh H2 O = ṁ ar,2 h 2 (19) ṁ ar,1 h 1 + ṁ ar (W 2 W 1 )h H2 O = ṁ ar,2 h 2 (20) Utilizando a equação 12 no resultado acima e reconhecendo que ṁ ar = cte, tem-se: c p,ar T 1 + W 1 h v,1 + (W 2 W 1 )h H2 O = c p,ar T 2 + W 2 h v,2 (21) Dessa forma, tem-se, W 1 = W 2(h v,2 h H2 O) c p,ar (T 1 T 2 ) h v,1 h H2 O (22) 22/30
26 Processo de Saturação Adiabática O saturador adiabático é útil pois a temperatura de saturação adiabática é função da umidade relativa, pressão e temperatura da mistura na entrada e da pressão da mistura de saída; Assim, a umidade relativa e absoluta da mistura de entrada pode ser avaliada medindo a pressão e temperatura na entrada e saída. 23/30
27 Temperatura de Bulbo Úmido O saturador adiabático não é um equipamento conveniente para medidas frequentes; Se o bulbo de um termômetro for coberto com uma mecha de algodão saturado com água, a sua temperatura descerá, primeiro rapidamente e depois lentamente até atingir um ponto estacionário; A leitura neste ponto é chamada de temperatura de bulbo úmido (TBU) do ar, sendo que esta temperatura é aproximadamente a que seria indicada pelo saturador adiabático; A temperatura de bulbo úmido é a temperatura mais baixa que pode ser alcançada apenas pela evaporação da água; 24/30
28 Temperatura de Bulbo Úmido 25/30
29 Carta Psicrométrica 26/30
30 A Carta Psicrométrica O uso das cartas psicrométricas permite a análise gráfica dos processos que envolvem o ar úmido; Essas cartas contêm todas as propriedades do ar úmido discutidas anteriormente. 26/30
31 A Carta Psicrométrica 27/30
32 A Carta Psicrométrica 28/30
33 Exemplos 29/30
34 Exemplos Exemplo 4 - Calcule a transferência de calor por kg de ar seco da unidade de ar condicionado abaixo, negligenciando variação na energia cinética e potencial. 29/30
35 Exemplos 30/30
ANEXO VI. Gráficos Gerais das Temperaturas e das Umidades Relativas
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