CONDENSAÇÃO DA UMIDADE ATMOSFÉRICA: UM APARATO EXPERIMENTAL PARA A PRODUÇÃO DE ORVALHO PELO RESFRIAMENTO DO AR NA REGIÃO DE CAMPINA GRANDE PB

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1 1 CONDENSAÇÃO DA UMIDADE ATMOSFÉRICA: UM APARATO EXPERIMENTAL PARA A PRODUÇÃO DE ORVALHO PELO RESFRIAMENTO DO AR NA REGIÃO DE CAMPINA GRANDE PB 1 Genival da Silva; 2 Roberto Alan Ferreira Araújo; 3 Lindemberg Lucena da Silva RESUMO: O orvalho produzido por resfriamento radiativo do vapor atmosférico em regiões em que as condições meteorológicas e climatológicas são favoráveis pode ser usado para a produção de água em pequenas quantidades. Experimentos realizados em Campina Grande PB demonstram certa viabilidade da produção de água potável a partir da formação do orvalho. Os resultados experimentais aqui apresentados mostram que o resfriamento do ar pode produzir água em quantidade suficiente para minimizar as conseqüências causadas pela sua escassez. O objetivo deste trabalho é o de produzir água potável a partir do resfriamento do ar. Esse resfriamento foi efetuado com o auxílio de garrafas PET contendo gelo. A produção de orvalho obtida no experimento supracitado foi 0,28mm/h, quantidade bastante significativa tendo em vista a simplicidade do aparato experimental utilizado. Este experimento foi o primeiro de uma série que será realizado em futuro próximo. Palavras-chaves: Orvalho, vapor atmosférico, resfriamento radiativo. ABSTRACT: Dew condensed by atmospheric vapor radioactive cooling, in sites where the meteorological and climatologic conditions are favorable, can be used to small water quantity production. Research carried out at Campina Grande - PB has been shown the viability of the drinking water production by dew condensation. The experimental results presented in this paper show that the water produced by the air refrigeration can reach sufficient quantities to minimize the consequences caused by the drinking water scarcity on Brazilian Northeastern semiarid region. Air cooling was obtained by ice into PET bottles. The yield dew, about 0,28mm/h, it is very significant, considering the experimental apparatus used. This experiment was the first one of a series that will be carried through in next future. Keywords: Dew, atmospheric vapor, radioactive cooling. INTRODUÇÃO A água doce é uma das substâncias mais importantes para a existência da vida na Terra. Cerca de 70% da superfície terrestre é coberta por água. Desse total, apenas 3% é de água potável. Os primeiros cinco quilômetros de altura da atmosfera terrestre contêm 90% da massa total de vapor d água presente na mesma. A massa de vapor d água presente na atmosfera representa aproximadamente 0,001% de toda a massa de água existente em nosso planeta. Se todo o vapor d água fosse condensado na superfície, ocuparia um volume de 12,75x10 9 m 3. Caso esse volume fosse distribuído uniformemente sobre toda a superfície da Terra, formaria uma lâmina de água com cerca de 25 mm de altura (Garcez e Alvarez, 1988). O resfriamento radiativo dos corpos em noites de céu claro e com ventos fracos pode fazer com que a superfície de alguns materiais atinja temperaturas entre 8 e 9 C abaixo da temperatura do ar ambiente.

2 2 Constituintes atmosféricos, em particular o vapor d água, absorvem radiações de ondas longas (na faixa do infravermelho) e reenviam em todas as direções, reduzindo o resfriamento por efeito radiativo (García et al, 2002). Os objetivos deste estudo são de comparar o volume de orvalho produzido através do resfriamento do ar utilizado sistema de refrigeração em Campina Grande PB com a produção obtida pelo mesmo processo em São João do Cariri PB, e de correlacionar os resultados obtidos às respectivas variáveis meteorológicas e climatológicas tais como:umidade relativa; Temperatura do ar; Precipitação; Direção e velocidade do vento. MATERIAIS E METODOS A quantidade de vapor d água presente na atmosfera é determinada a partir da pressão real do vapor (e) e da pressão atmosférica (p). A massa de vapor d água por unidade de massa de ar úmido, a umidade específica (q), é calculada por: q = devem ser expressas nas mesmas unidades de pressão. 622e,em que q é expressa em p 0,378e g/ kg, A quantidade máxima de vapor d água presente na atmosfera é função da temperatura do ar. Ao atingir esse valor máximo, para uma dada temperatura, a pressão real de vapor (e) atinge seu valor máximo (e s ) e o ar torna-se saturado. O valor de e s para a temperatura do ar T pode ser calculado a partir da equação de Tetens (Vianello e Alves, 2004), como segue: e e p e s 7,5T 237,3+ T = 6,1078x10, em que es o é dada em mb e T em C. Supondo que uma massa de ar, sob uma temperatura T e cuja pressão real seja e tenha sua temperatura reduzida, sem que haja acréscimo ou retirada de vapor, até que a mesma fique saturada (e s = e). A essa nova temperatura dá-se o nome de temperatura do ponto de orvalho (T d ), visto que para temperaturas inferiores a T d ocorre formação de orvalho. O valor de T d pode ser obtido a partir da equação (4), fazendo T = T d e e s = e (Vianello e Alves, 2004): T d 186, ,3log e =, em log e 8, 2859 que o Td é expressa em C e e em mb. A estimativa da massa de orvalho condensada (em g/m 3 ) quando o ar é resfriado é de uma 1000 temperatura T até Ts, é calculada por (Iribarne, 1985): Δ m=. Δ es. Sendo R v a constante RT específica do vapor (461,5J.kg -1.K -1 ), T a temperatura do ar (em Kelvin) e e s a diferença das pressões de vapor a saturação (em J.m -3 ) nas temperaturas T e T s. v

3 3 O aparato experimental foi projetado de forma que o custo fosse o menor possível, sem prejuízo experimental, ou seja, que com ele se obtivesse resultados satisfatórios a fim de que a viabilidade de futuras pesquisas sobre o tema produção de água pelo resfriamento do ar fosse mantida. Na figura 1 podem ser vistos os instrumentos usados para efetuar as medições da temperatura do ar, umidade relativa do ar, pressão atmosférica, massa de orvalho produzida e temperatura da superfície de condensação. Essa última foi feita utilizando termistores do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) acoplados a um multímetro digital. Como superfícies condensadoras de vapor foram utilizadas garrafas confeccionadas a base de Polietileno Tereftalato (PET) com capacidade de 2 litros (0,1m 2 de área lateral). O suporte onde foram fixadas as garrafas PET, que também servem de duto para o escoamento da água produzida, foi confeccionado com tubos PVC. A medição da massa de água produzida foi efetuada por uma balança digital com resolução de 1 grama. FIGURA 1: Aparato experimental utilizado para a produção de orvalho. Os experimentos in door e out door foram realizados na cidade de Campina Grande-PB (lat S, long W, alt. 520m). Esse estudo terá continuidade, em breve, através de experimentos em cidades próximas de Campina Grande e que apresentam climas semelhantes. A Tabela 1 resume os dados climáticos dessas cidades paraibanas: Campina Grande, Monteiro, São João do Cariri e Soledade. Pode ser notado que as médias anuais dos valores de umidade relativa e de temperatura do ar são bastante semelhantes. O que se afasta da semelhança são os valores das precipitações médias anuais. São João do Cariri e Soledade apresentam valores bastante inferiores aos demais municípios relacionados. Considerando homogeneidade climatológica dos municípios mencionados e a não disponibilidade dos dados de umidade relativa para o município de São João do Cariri, estes foram estimados a partir das médias anuis das umidades relativas dos demais municípios.

4 4 O resfriamento das garrafas PET foi efetuado através do congelamento da massa de água contida nas mesmas. À medida que o ar entra em contato com a superfície mais fria das garrafas PET, o vapor atmosférico é condensado. O intervalo de tempo usado entre duas medidas consecutivas do orvalho formado foi de uma hora. A massa de orvalho formada é medida através de uma balança digital com precisão de um grama. Tabela 1 Dados climatológicos (médias anuais) dos municípios de Campina Grande, Monteiro, São João do Cariri e Soledade. Fonte Município Temperatura (ºC) Umidade Relativa (%) Máx. Mín. Média 12:00 18:00 24:00 Precipitação (mm) C. Grande 29,0 19,1 22,7 84,3 57,4 87,2 765,5 Monteiro 30,5 19,0 23,3 72,5 57,6 84,1 717,1 S. João do Cariri 30,8 19,5 24,0 78,8 57,5 84,7 384,8 Soledade 29,3 18,9 24,2 79,5 57,6 82,9 400,9 A Figura 2 mostra em destaque a posição geográfica dos municípios paraibanos mencionados. Nessas cidades serão realizados futuros experimentos para produzir orvalho. Todos eles estão localizados sobre o Planalto da Borborema, na microrregião do Cariri Paraibano. Figura 2: Posição geográfica dos municípios paraibanos mencionados. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5 5 A Figura 3 exibe a variação média horária da diferença entre as umidades específicas q(t) e q(ts) e do volume de orvalho produzido ( h) entre 18 e 24 H do dia 21/05/2006 em experimento out door realizado na cidade de Campina Grande. Pode ser visto que, quando se mantém as temperaturas das garrafas PET em torno de 10 C, com a temperatura do ar em torno de 25 C e umidade relativa do ar em cerca de 80%, é possível atingir uma produção diária de 6,7 litros de água por metro quadrado de superfície refrigerada. Neste trabalho não foram efetuadas medidas da energia elétrica consumida pelo sistema de refrigeração do experimento. Fig. 3 Variação média horária da temperatura da superfície fria (T s ), da diferença entre as umidades específicas q(t) e q(ts) e do volume de orvalho produzido ( h) entre 18 e 24 H do dia 21/05/2006, na cidade de Campina Grande, out door. Os resultados preliminares obtidos pelo experimento entre 18 e 19 H em 21/05/2006, cerca de 0,28 mm são bastantes significativos tendo em vista a simplicidade do aparato experimental utilizado. O uso de superfícies planas confeccionadas com materiais diversos em experimentos futuros será adotado com o objetivo de se produzir maiores volumes de água, quando comparados aos obtidos nesta experiência. Em experimentos nessa linha de pesquisa realizados em Bahrain (Analser, 2000), foram utilizadas placas de alumínio, vidro e polietileno. Na oportunidade verificou-se que as de alumínio produziram mais orvalho do que as de vidro e as de polietileno. Outra meta que será perseguida e analisada em futuros experimentos será a utilização do ar frio, após a condensação do vapor d água, a fim reduzir a temperatura do ar úmido a ser resfriado e, conseqüentemente, o consumo de energia. A utilização desse processo de produção de água, desde que maximizado e dentro de padrões de viabilidade econômica, poderá ser bastante útil para minimizar a escassez de água doce na região semi-árida do Nordeste do Brasil. BIBLIOGRAFIA

6 ALNASER, W. E., BARAKAT, A. Use of condensed water vapour from the atmosphere for irrigation in Bahrain. Applied energy. n. 65, p. 3-18, abr GARCEZ, L. N., ALVAREZ, G. A. Hidrologia. 2. ed. rev. atualizada. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, p. 8. GARCÍA, J. J. A., FIGUEROA, I. P., GUERRERO, H., JUÁREZ, E. M. Enfriamento radiativo Nocturno. Taller Siestemas de Enfriamento Aplicados a la Vivienda. Guadalajara, Jalisco, México, jul IRIBARNE, J. V. Atmospheric Thermodynamics. 2. ed. rev. Dordrecht: D. Reidel Publishing Company, p. 77 e 122. UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS UNIDADE ACADÊMICA DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS. Dados Climatológicos da Paraíba. Disponível em: < dadospb.html>. Acesso em: 24 mai VIANELLO, R. L., ALVES, A. R. Meteorologia Básica e Aplicações. 1. ed. Viçosa: UFV, p. 58 e 72.