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REFRIGERAÇÃO E AR-CONDICIONADO��Módulo 6�TORRES DE RESFRIAMENTO �AR SECO E AR ATMOSFÉRICO�UMIDADE ESPECÍFICA E RELATIVA DO AR

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Engenharia Mecânica

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TORRES DE RESFRIAMENTO

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Introdução

  • Em muitos sistemas de refrigeração, ar condicionado e processos industriais, gera-se calor que deve ser extraído e dissipado. Geralmente utiliza-se água como elemento de resfriamento.
  • Uma torre de resfriamento permite através da evaporação de uma pequena quantidade de água, transmitir calor para o ar de forma que água possa ser empregada novamente para resfriamento, devendo-se repor ao circuito apenas a parte de água perdida por evaporação. Assim, uma torre de resfriamento é uma instalação para resfriamento de água através do contato com o ar atmosférico, como mostra a Figura .

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  • Os métodos para expor a água à corrente de ar são numerosos, tendo cada um suas vantagens específicas que devem ser consideradas de acordo com a aplicação e o rendimento requeridos em cada caso. Uma primeira classificação pode ser feita em função da forma com que a água é distribuída para se obter um bom contato com o ar ascendente. Existem dois métodos básicos: estender a água em finas camadas sobre superfícies ou produzir gotas através do choque da água em sua queda como mostra a Figura 2

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Fluxo em contra-corrente e fluxo cruzado

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Torres atmosféricas

  • Nesse tipo de torre a água cai em fluxo cruzado em relação ao movimento horizontal do ar, produzindo certo efeito de contracorrente devido as correntes de convecção produzidas pela água quente. O movimento do ar depende principalmente do vento.
  • Principais características: Alto tempo de vida com baixo os custos de manutenção; Não se produz recirculação do ar utilizado; A torre precisa ser localizada num espaço amplo; Devido a sua altura é preciso uma ancoragem segura contra o vento; A torre deve ser orientada na direção dos ventos dominantes; A temperatura da água varia com a direção e a velocidade do vento.
  • Estão ultrapassadas e constituem uma mínima parte das torres existentes

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Torres de tiragem mecânica

  • A utilização de ventiladores para mover o ar através da torre proporciona um controle total da entrada de ar. Podem ser de tiragem mecânica ou Induzida. As suas principais características são:
  • Compactas, necessitam de pouca superfície; Controle fino da temperatura da água fria; Menor altura de bombeamento; A orientação da torre não é determinada pelos ventos dominantes; As falhas mecânicas reduzem bastante a confiabilidade; A potência de ventilação pode ser importante, aumentando os gastos de operação; A recirculação do ar usado deve ser evitada, pois a eficiência é afetada;
  • Os custos de operação e manutenção são maiores que os das torres de tiragem natural; Os ruídos e vibrações produzidos pelos ventiladores podem constituir um problema, dependendo da localização.

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  • Uma torre de arrefecimento recebe uma corrente de água de 1.000 m³/h a 40 °C, que deve ser resfriada até 30 °C antes de retornar ao processo. Considere que a perda de calor da água ocorre unicamente pela evaporação. Despreze perdas adicionais (arraste, purga, radiação etc.). Determinar a quantidade de calor removido por evaporação

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  • Com temperaturas abaixo da temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância é chamada de vapor.
  • O termo vapor implica em um estado gasoso que está próximo da região de saturação da substância, elevando a possibilidade de condensação durante o processo.

MISTURA DE GÁS E VAPOR

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  • Quando lidamos com uma mistura de gás e vapor, o vapor pode se condensar durante o processo, formando uma mistura de duas fases e isso pode complicar consideravelmente a análise. Portanto, uma mistura de gás e vapor precisa ser tratada de modo diferente de uma mistura comum de gases.
  • A mistura de ar, água e vapor é a mistura de gás e vapor mais encontrada na prática. Essa mistura é amplamente utilizada no condicionamento de ar.

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MISTURA DE GÁS E VAPOR

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  • O ar é uma mistura de nitrogênio, oxigênio e pequenas quantidades de outros gases. Na atmosfera, o ar normalmente contém um pouco de vapor d’água (ou umidade) e é chamado de ar atmosférico.
  • O ar seco não contém vapor d’água.

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AR SECO E AR ATMOSFÉRICO

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  • É conveniente tratar o ar como uma mistura de vapor d’água e ar seco.
  • A composição do ar seco permanece relativamente constante, mas a quantidade de vapor d’água muda como resultado da condensação e evaporação dos oceanos, lagos, rios e etc.

AR SECO E AR ATMOSFÉRICO

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  • Embora a quantidade de vapor d’água no ar seja pequena, ele tem um papel importante para o conforto humano.
  • Assim, essa é uma consideração importante nas aplicações de condicionamento de ar.

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AR SECO E AR ATMOSFÉRICO

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  • A temperatura do ar nas aplicações de condicionamento de ar varia de –10 ºC a 50 ºC
  • A tabela a seguir mostra a variação do cp do ar seco na faixa de utilização dos sistemas de condicionamento de ar.

AR SECO

TEMPERATURA (ºC)

Cp kJ/(kg.ºC)

-10

1,0038

0

1,0041

10

1,0045

20

1,0049

30

1,0054

40

1,0059

50

1,0065

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  • Percebe-se que a variação é muito pequena (abaixo de 0,2%). O ar seco pode ser tratado como um gás ideal com cp constante igual a 1,005 kJ/(kg.ºC) ou 0,240 Btu/(lbm.R).

TEMPERATURA (ºC)

Cp kJ/(kg.ºC)

-10

1,0038

0

1,0041

10

1,0045

20

1,0049

30

1,0054

40

1,0059

50

1,0065

AR SECO

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  • A entalpia e a variação da entalpia do ar seco podem ser determinadas por:

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AR SECO

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  • A 50 ºC, a pressão de saturação da água é de 12,3 kPa. Nas pressões abaixo de 12,3 kPa o vapor d’água pode ser tratado como um gás ideal com erro desprezível (abaixo de 0,2%) mesmo quando ele é vapor saturado. Portanto, o vapor d’água do ar se comporta como se existisse sozinho e obedece à relação de gás ideal PV = RT.

VAPOR D’ÁGUA DO AR

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  • O ar atmosférico pode ser tratado como uma mistura de gases ideais, cuja pressão é a soma da pressão parcial do ar seco Pa e da pressão do vapor d’água Pv:

 

VAPOR D’ÁGUA DO AR

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  • A pressão parcial de vapor d’água geralmente é chamada de pressão de vapor. É a pressão que o vapor d’água exerceria sozinho, à temperatura e volume do ar atmosférico.
  • Como o vapor d’água é um gás ideal, a entalpia do vapor d’água é função apenas da temperatura, ou seja, h = h(T).

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VAPOR D’ÁGUA DO AR

PV = RT

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  • Percebe-se que as linhas de entalpia constante coincidem com as linhas de temperatura constante abaixo de 50 ºC.
  • Assim, a entalpia do vapor d’água no ar pode ser considerada igual à entalpia do vapor saturado à mesma temperatura.

 

VAPOR D’ÁGUA DO AR

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  • A entalpia do vapor d’água a 0 ºC é 2500,9 kJ/kg.
  • O valor médio do cp do vapor d’água no intervalo de temperaturas -10 ºC a 50 ºC pode ser assumido como 1,82 kJ/(kg. ºC).

VAPOR D’ÁGUA DO AR

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  • Assim, a entalpia do vapor d’água pode ser determinada aproximadamente por:

 

 

VAPOR D’ÁGUA DO AR

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  • A quantidade de vapor d’água no ar pode ser especificada de diversas maneiras.
  • O modo mais lógico de especificar diretamente a massa de vapor d’água presente em uma unidade de ar seco, chamada de umidade absoluta ou específica (relação de umidade), é indicada por ω (omega).

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UMIDADE ESPECÍFICA E RELATIVA DO AR

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UMIDADE ESPECÍFICA

 

 

 

Onde P é a pressão total

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  • Considere 1 kg de ar seco. Por definição, o ar seco não contém vapor d’água e, portanto, sua umidade específica é zero. Se adicionar vapor d’água a esse ar seco, a umidade específica aumentará. Sendo assim, à medida que mais vapor d’água ou umidade são adicionados, a umidade específica continuará aumentando até que o ar não absorva mais umidade, atingindo-se o ponto onde o ar está saturado de umidade e é conhecido como ar saturado.

UMIDADE ESPECÍFICA

 

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  • Toda umidade introduzida no ar saturado se condensará.
  • A quantidade de vapor d’água no ar saturado a uma pressão e temperatura especificadas pode ser determinada por:

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Onde Pg é a pressão de saturação da água (pressão do vapor saturado) àquela temperatura

UMIDADE ESPECÍFICA

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  • Ar seco
  • 25 ºC e 100 kPa

Psat,H2O @ 25ºC = 3,1698

Pv = 0 → Ar Seco

Pv < 3,1698 → Ar Não Saturado

Pv = 3,1698 → Ar Saturado

UMIDADE ESPECÍFICA

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  • A quantidade de umidade do ar tem um efeito definitivo sobre o conforto que sentimos em um ambiente. Entretanto, o nível de conforto depende mais da quantidade de umidade que o ar contém (mv) com relação à quantidade máxima de umidade que o ar pode conter à mesma temperatura (mg). A relação entre essas duas quantidades é chamada de umidade relativa φ (phi).

UMIDADE RELATIVA

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  • Ar atmosférico
  • 25 ºC, 1 atm
  • ma = 1kg
  • mv = 0,01kg
  • mv,máx = 0,02kg

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UMIDADE RELATIVA

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  • Combinando-se as equações, têm-se:

UMIDADE RELATIVA E ESPECÍFICA

 

 

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  • A umidade específica é a quantidade real de vapor d’água em 1 kg de ar seco.

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  • A umidade relativa é a relação entre a quantidade real de umidade no ar a uma determinada temperatura e a quantidade máxima de umidade que o ar pode conter à mesma temperatura.

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UMIDADE RELATIVA E ESPECÍFICA

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  • A umidade relativa varia de 0 para ar seco até 1 para ar saturado. Portanto, a quantidade de umidade que o ar pode conter depende da sua temperatura. Sendo assim, a umidade relativa do ar muda com a temperatura mesmo quando sua umidade específica permanece constante.

UMIDADE RELATIVA E ESPECÍFICA

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  • O ar atmosférico é uma mistura de ar seco e vapor d’água e, portanto, a entalpia do ar é expressa em termos de entalpias do ar seco e do vapor d’água. Na maioria das aplicações práticas, a quantidade de ar seco da mistura (ar + vapor d’água) permanece constante. Entretanto, a quantidade de vapor d’água varia. Sendo assim, a entalpia do ar atmosférico é expressa por unidade de massa de ar seco e não por unidade de massa de mistura de ar e vapor d’água.

ENTALPIA DO AR ATMOSFÉRICO

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  • A entalpia total (uma propriedade extensiva) do ar atmosférico é a soma das entalpias do ar e do vapor d’água.

 

 

 

 

ENTALPIA DO AR ATMOSFÉRICO

Importante: a temperatura comum do ar atmosférico com frequência é chamada de temperatura de bulbo seco para diferenciá-la das outras formas de temperaturas.

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  • A sala de 5 m x 5 m x 3 m contém ar a 25 ºC e 100 kPa a uma umidade relativa de 75%. Detemine:
  • a) A pressão parcial do ar seco;
  • b) A umidade específica
  • c) A entalpia por unidade de massa do ar seco e
  • d) As massas do ar seco e do vapor d’água na sala.

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EXERCÍCIO 1

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  • Dados:

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- O calor específico a pressão constante do ar à temperatura ambiente é cp = 1,005 kJ/(kg.K)

- Para a água a 25 ºC → Psat = 3,1698 kPa e hg = 2546,5 kJ/kg

EXERCÍCIO 1

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  • a) A pressão parcial do ar seco;

 

 

 

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  • b) A umidade específica

 

EXERCÍCIO 1

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  • c) A entalpia por unidade de massa do ar seco

 

 

 

A entalpia do vapor d’água (2546,5 kJ/kg) também pode se determinada com a aproximação dada por:

 

EXERCÍCIO 1

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  • d) As massas do ar seco e do vapor d’água na sala.
  • O ar seco e o vapor d’água preenchem completamente a sala. Portanto, o volume de cada gás é igual ao volume da sala.

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EXERCÍCIO 1

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  • A massa do vapor d’água no ar também pode ser determinada por:

 

EXERCÍCIO 1

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Obrigado a todos!

Até a próxima.

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