Chapter 1 INTRODUCTION AND BASIC CONCEPTS · • Um ambiente a 10ºC com ventos de 48 km/h é tão...
27
Psicrometria
Transcript of Chapter 1 INTRODUCTION AND BASIC CONCEPTS · • Um ambiente a 10ºC com ventos de 48 km/h é tão...
Psicrometria
2
Objetivos
• Estabelecer a diferença entre ar seco e ar atmosférico;
• Definir e calcular a umidade absoluta e relativa do ar
atmosférico;
• Calcular o ponto de orvalho do ar atmosférico.
• Aplicar os princípios de conservação de massa e energia
para processos psicrométricos
3
Ar seco e ar atmosférico
Ar atmosférico: ar na atmosfera que contém vapor de água.
Ar seco: ar atmosférico que não contém vapor de água.
O vapor de água no ar se comporta como se existisse sozinho e obedecesse à
relação gás ideal Pv = RT . Então o ar atmosférico pode ser tratado como uma
mistura gases ideiais:
Pa: pressão parcial do ar
Pv pressão parcial do vapor
a vP P P= +
O vapor de água no ar desempenha um papel importante no conforto humano.
Portanto, é uma consideração importante em aplicações de ar condicionado.
4
Umidade Absoluta e Relativa do Ar
Umidade Absoluta: a massa de água presente no ar atmosférico por unidade de
ar seco.
v
ar
m
m= (kg de vapor/ kg de ar seco)
v v v v v
ar ar ar ar ar
P V / R T P / R P0,622
P V / R T P / R P= = =
v
v
0,622P
P P=
−(kg de vapor/ kg de ar seco)
5
Umidade Absoluta e Relativa do Ar
Umidade relativa: a razão entre a quantidade de umidade que o ar retém (mv)
e a quantidade máxima de umidade que o ar pode reter na mesma temperatura
(mg)
Ar Saturado: ar com umidade relativa de 100%.
v v v
g g g
m P V / RT P
m P V / RT P = = =
Pv: (pressão parcial do vapor na mistura)
Pg: (pressão de saturação do vapor na temperatura da mistura)
1 =
6
Umidade Absoluta e Relativa do Ar
( ) g
P
0,622 P
=
+
Relações entre umidade absoluta () e relativa ()
g
g
0,622 P
P P
=
−
7
Temperatura do ponto de orvalho
Resfriamento a pressão e umidade absoluta
constante e a temperatura do ponto de
orvalho.
Temperatura do ponto de orvalho Tdp: é a temperatura no qual a condensação
do vapor de água começa quando o ar atmosférico é resfriado a pressão e
umidade absoluta constante.
8
Condicionamento de ar e conforto humano
Atualmente, os modernos sistemas de condicionamento de ar podem aquecer, umidificar ,
limpar e até desodorizar o ar, em outras palavras “condicionar” o ar aos desejos das pessoas.
A taxa de geração de calor pelo corpo humano depende do nível de atividade. Em média um
homem adulto gera 87W de calor quando dorme e 115 W quando descansa e até 440W quando
executa esforço físico pesado.
Ao realizar trabalhos leve ou andar caminhar devagar, cerca de metade do calor corporal é
rejeitado pela transpiração como calor latente e a outra metade é dissipada por convecção e
radiação como calor sensível
9
Condicionamento de ar e conforto humano
De fato não podemos mudar o clima, mas
podemos condicionar um ambiente interno de
acordo com as melhores condições de conforto
Um corpo se sente confortável quando pode
dissipar livremente seu calor residual e não mais.
10
.
• Um ambiente a 10ºC com ventos de 48 km/h é tão “frio” quanto um ambiente a - 7ºC e
ventos de 3 km/h, este efeito é chamado de fator de resfriamento do vento.
• O conforto do corpo humano depende primariamente de três fatores: temperatura,
umidade relativa e movimento do ar.
• A umidade relativa afeta a quantidade de calor que um corpo pode dissipar por
evaporação. A maioria das pessoas prefere uma umidade relativa entre 40 e 60%
• Um fator importante que afeta o conforto humano é a transferência de calor por radiação
entre o corpo e as superfícies circundantes como paredes e janela.
• Outros fatores que afetam o conforto são a limpeza do ar, ruídos e odores.
Condicionamento de ar e conforto humano
11
Processos de condicionamento de ar
• Para manter uma habitação ou uma unidade industrial na temperatura e umidade
desejadas, alguns processos psicrométricos são necessários, também são chamados de
processos de condicionamento de ar.
• Tais processos incluem: aquecimento simples (elevando a temperatura); resfriamento
simples (diminuindo a temperatura); umidificação (adição de umidade) e
desumidificação (remoção de umidade)
• Muitas vezes é necessária a combinação de dois ou mais processos até atingir-se os
niveis de temperatura e umidade desejados.
• Normalmente aquece-se e umidifica-se o ar no inverno e resfria-se e desumidifica-se o
ar no verão.
12
Processos de condicionamento de ar
A maioria dos processos de condicionamento de ar pode ser modelado
como escoamento em regime permanente.
As variações de energia cinética e potencial são desprezadas;
Balanço de massa:n n
e sI 1 I 1
m m 0= =
− =
Balanço de energia:
n n
i i e e s sI 1 I 1
Q W m h m h 0= =
− + − =
13
Os balanços de massa são separados para o ar seco e para o vapor:
Balanço de massa:
Processos de condicionamento de ar
n n
e sI 1 I 1
mar mar 0= =
− =
Balanço de energia:
( ) ( )n n
i i ar ar v v ar ar v ve sI 1 I 1
Q W m h m h m h m h 0= =
− + + − + =
n n
e sI 1 I 1
mv mv 0= =
− =
ar seco
vapor
14
Aquecimento ou resfriamento simples ( constante)
Muitos sistemas de aquecimento residencial consistem em um fogão, uma bomba de
calor ou um aquecedor elétrico. O ar nesses sistemas é aquecido circulando-o através de
um duto que contém a tubulação para gases quentes ou fios de resistência elétrica.
O resfriamento pode ser realizado passando o ar sobre algumas bobinas através das quais
flui um refrigerante ou água gelada.
Durante um resfriamento simples, a umidade absoluta permanece constante, mas
a umidade relativa aumenta.
Durante um aquecimento simples, a umidade absoluta permanece constante, mas
a umidade relativa diminui.
15
Aquecimento ou resfriamento simples ( constante)
1 2 1 2mar mar 0 mar mar mar− = → = =
( ) ( )ii ar ar1 ar2 v v1 v2Q m h h m h h 0+ − + − =
1 2 1 2mv mv 0 mv mv mv− = → = =1 2 =
( ) ( )ar1 ar2 ar 1 2h h cp T T− = − ar seco como gás ideal
v1h Entalpia do vapor saturado a T1 v2h Entalpia do vapor saturado a T2
Balanço de energia
Balanço de massa (vapor)
Balanço de massa (ar seco)
16
Aquecimento e umidificação
Problemas com a baixa umidade relativa resultante de um simples aquecimento podem
ser eliminados pela umidificação do ar aquecido. Isso é feito passando o ar primeiro
através de uma seção de aquecimento e depois através de uma seção de umidificação.
17
Aquecimento e umidificação
Seção 1-2 1 2 1 2mar mar 0 mar mar− = → =
1 2 1 2mv mv 0 mv mv− = → = Balanço de massa (vapor)
Balanço de massa (ar seco)
1 2 =
( ) ( )ii ar ar1 ar2 v v1 v2Q m h h m h h 0+ − + − = Balanço de energia
18
Aquecimento e umidificação
Seção 2-3 2 3 2 3 armar mar 0 mar mar m− = → = =
2 ag 3mv m mv 0+ − = Balanço de massa (vapor)
Balanço de massa (ar seco)
3 2
( )ar ar 2 3 v2 v2 ag ag v3 v3m cp T T m h m h m h 0− + + − = Balanço de energia
agh Entalpia do líquido saturado a T2
19
Resfriamento e desumidificação
A umidade absoluta do ar permanece constante durante um processo simples de
resfriamento, mas sua umidade relativa aumenta. Se a umidade relativa atingir
níveis indesejavelmente altos, pode ser necessário remover parte da umidade do
ar, ou seja, para desumidificá-la. Isso requer o resfriamento do ar abaixo da
temperatura do ponto de orvalho.
20
Resfriamento e desumidificação
1 2 1 2 armar mar 0 mar mar m− = → = =
1 2 2mv mag mv 0− − = Balanço de massa (vapor)
Balanço de massa (ar seco)
2 1
( )ii ar ar1 ar2 1 v1 2 2 2 v2Q m h h mv h mag hag mv h 0+ − + − − = Balanço de energia
21
Mistura adiabática de correntes de ar
Muitas aplicações A-C requerem a mistura de duas correntes de ar. Isso é particularmente
verdadeiro em edifícios grandes, na maioria das plantas de produção e processo e
hospitais, que exigem que o ar condicionado seja misturado com uma certa fração do ar
externo fresco antes de ser direcionado para o espaço de convivência.
22
Mistura adiabática de correntes de ar
1 2 3mar mar mar 0+ − =
1 2 3mv mv mv 0+ − = Balanço de massa (vapor)
Balanço de massa (ar seco)
11
1
mv
mar =
1 ar 1 2 ar 2 3 ar 3 1 1 2 2 3 3mar cp T mar cp T mar cp T mv hv mv hv mv hv 0+ − + + − =
Balanço de energia
22
2
mv
mar =
33
3
mv
mar =
23
Torres de Resfriamento
Usinas elétricas, grandes sistemas de ar condicionado e algumas indústrias geram
grandes quantidades de calor residual que geralmente são rejeitadas pela água de
resfriamento de lagos ou rios próximos.
Em alguns casos, no entanto, o suprimento de água de resfriamento é limitado ou a
poluição térmica é uma preocupação séria.
Nesses casos, o calor residual deve ser rejeitado para a atmosfera, com a água de
resfriamento recirculando e servindo como meio de transporte para a transferência de
calor entre a fonte e a pia (a atmosfera).
Uma maneira de conseguir isso é através do uso de torres de resfriamento úmidas.
Uma torre de resfriamento úmida é essencialmente um resfriador evaporativo semi-
fechado.
24
Torres de Resfriamento
Uma torre de resfriamento de contrafluxo de corrente induzida
25
Torre de resfriamento com ventilação natural: parece uma chaminé grande e funciona como
uma chaminé comum. O ar na torre possui um alto teor de vapor de água e, portanto, é mais
leve que o ar externo. Consequentemente, o ar leve na torre aumenta e o ar externo mais
pesado preenche o espaço vago, criando um fluxo de ar da parte inferior da torre para o topo.
Lagoa de pulverização: a água quente é pulverizada no ar e é resfriada pelo ar quando cai na
lagoa,
Lagoa de resfriamento: despejar o calor residual em uma lagoa parada, que é basicamente um
grande lago artificial aberto para a atmosfera.
Torres de Resfriamento
26
Torres de Resfriamento
27
Todas as figuras utilizadas são de:
Cengel, Y.A., Boles, M.A., Thermodynamics – An Engineering Approach, 8th edition,
McGraw-Hill Science, New York, 1024p., 2014
referências
