Slide - Processos de Condicionamento de Ar - 2024-1

Processos de Condicionamento de Ar Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não há atividade semanal. • Sobre a atividade APré2 (20/06) e a AConc2 (25/06). 2 Bibliografia Material Complementar: • ÇENGEL, Y.A.; BOLES, M.A. Termodinâmica. 7ª Ed. Editora Mcgraw-hill Interamericana, 2013. Capítulo 14 Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 12 3 Conceitos fundamentais Ao final desta aula você deverá estar apto a... ➢ Aplicar os princípios da conservação de massa e energia aos diversos processos de condicionamento de ar. 4 Introdução 5 Psicrometria É o estudo do ar, objetivando a medição das suas condições e propriedades. Figura: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição ω = 𝑚𝑣 𝑚𝑎 ϕ = 𝑚𝑣 𝑚𝑣,𝑠𝑎𝑡 Umidade absoluta Umidade relativa Introdução 6 Condicionamento de ar O propósito desta aula é estudar processos típicos de condicionamento de ar utilizando os princípios da psicrometria desenvolvidos anteriormente. ❑ Aquecimento ❑ Resfriamento ❑ Umidificação ❑ Desumidificação Figura: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição Condicionamento de ar 7 Análise de processos de condicionamento Sistemas que realizam processos de condicionamento de ar são normalmente analisados por meio de volumes de controle. Ar úmido (Ar seco+vapor) é admitido em 1 Ar úmido é descarregado em 2 Água pode ser admitida em 3 (Líquido ou vapor) Pode ocorrer ou não transferência de calor entre o volume de controle e a vizinhança. Figura: Moran e Shapiro, 8ª Edição Condicionamento de ar 8 Análise de processos de condicionamento Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎, obtém-se: ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑎(ω2 − ω1) Balanço de massa ሶ𝑚𝑎1 = ሶ𝑚𝑎2 = ሶ𝑚𝑎 (ar seco) ሶ𝑚𝑣1 + ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑣2 (vapor d’água) Acrescenta-se a contribuição da água/vapor adicionado, se houver Figura: Moran e Shapiro, 8ª Edição 9 Balanço de energia volume de controle (1 entrada e 1 saída) ⅆ𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 𝑄 − 𝑊 + 𝑚𝑒 ℎ𝑒 + 𝑉𝑒2 2 + 𝑔𝑧𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑉𝑠2 2 + 𝑔𝑧𝑠 Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) I e III: Taxa de transferência de energia dos fluxos de entrada e saída. Para um volume de controle com uma entrada e uma saída e escoamento unidimensional: I II III II I III II: Taxa líquida de transferência de energia por calor e por trabalho através da fronteira do volume de controle no instante t. Lembre-se: ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣 (𝑝𝑣 é o trabalho de fluxo); 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 = 1 2 𝑚𝑣2; 𝐸𝑝𝑜𝑡. 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡. = 𝑚𝑔𝑧 (𝑧 é altura); Relembrando... Condicionamento de ar Condicionamento de ar 10 Análise de processos de condicionamento Balanço de energia ➢ Idealmente não há realização/recebimento de trabalho ➢ Componente energética referente ao potencial gravitacional e cinético é desprezível ➢ Regime permanente: ሶ𝐸𝑒𝑛𝑡 = ሶ𝐸𝑠𝑎𝑖 𝑑𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 𝑄 − 𝑊 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 + ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 Entrada Saída Ar úmido Ar úmido Água 0 0 Figura: Moran e Shapiro, 8ª Edição Condicionamento de ar 11 Análise de processos de condicionamento Balanço de energia 𝑄 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 + ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 ℎ𝑣1 ≈ ℎ𝑔1 ℎ𝑣2 ≈ ℎ𝑔2 ℎ𝑣: Entalpia do vapor d’água superaquecido ℎ𝑔: Entalpia do vapor saturado Válido para baixas pressões de vapor Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎, obtém-se: ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑎(ω2 − ω1) 𝑄 + ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎1 − ℎ𝑎2 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑤 − ω2ℎ𝑔2 = 0 Tabela A22 ou ℎ𝑎1 + ℎ𝑎2 = 𝑐𝑝(𝑎𝑟)(𝑇1 − 𝑇2) Condicionamento de ar 12 Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Os sistemas de condicionamento de ar de edifícios frequentemente aquecem ou resfriam um fluxo de ar úmido sem variação na quantidade de vapor d’água presente. Nesses casos, a umidade absoluta (ω = Τ 𝑚𝑣 𝑚𝑎 ) permanece constante, enquanto a umidade relativa e outros parâmetros do ar úmido variam. Balanço de energia 𝑄 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 13 Exemplo de aplicação Ar úmido entra em um duto a 10°C, 80% de umidade relativa e com uma vazão volumétrica de 150 m3/min. A mistura é aquecida à medida que esta escoa através do duto e sai a 30°C. Nenhuma umidade é adicionada ou retirada, e a pressão da mistura permanece aproximadamente constante em 1 bar (105 Pa). Para operação em regime permanente, determine: (a) a taxa de transferência de calor, em kJ/min; (b) a umidade relativa na saída. Variações nas energias cinética e potencial podem ser desconsideradas. Condicionamento de ar Condicionamento de ar 14 Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Exemplo: Aquecimento de Ar Úmido em um Duto Figura: Moran e Shapiro, 8ª Edição 15 𝑇𝑏𝑠1 = 10°𝐶 Pontos de interesse Condicionamento de ar ϕ1 = 80% 𝑇𝑏𝑠2 = 30°𝐶 ϕ2 = ? 𝑄 = ? ω = 0,00615 1 2 16 Condicionamento de ar ω = 0,00615 Umidade relativa em 2 1 2 Na linha de Tbu de 16,3°C, interpole entre as linhas de umidade relativa acima e abaixo do ponto. Interpolação com Referência em Tbs 𝑻𝒃𝒖 = 𝟏𝟔, 𝟑°𝑪 ϕ (%) 𝑻𝒃𝒔 °C 30 27,8 ϕ 30 20 31,1 ϕ2 = 23,3% 𝑇𝑏𝑠 = 32,1 °𝐶 𝑇𝑏𝑠 = 27,8 °𝐶 ϕ2 = 23,3% 17 Condicionamento de ar Calor adicionado 𝑄 = ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 𝑄 = ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑣2 − ℎ𝑎1 + ω1ℎ𝑣1 Entalpia específica da mistura ar-vapor no Estado 2 Entalpia específica da mistura ar-vapor no Estado 1 Inspeção da carta psicrométrica ሶ𝑚𝑎 = 𝐴𝑉 υ 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 υ: volume específico obtido via carta psicrométrica 18 Volume específico Condicionamento de ar ω = 0,00615 1 2 υ = 0,81 𝑚3 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 19 Condicionamento de ar Calor adicionado (Calculando a vazão mássica) No enunciado é definido que a mistura entra no duto escoando a uma vazão volumétrica de 150 m3/min. Determinar a vazão mássica: Volume específico na termodinâmica: o volume específico é o volume ocupado por unidade de massa de uma substância (geralmente medido em m³/kg). ሶ𝑚𝑎 = 𝐴𝑉 υ 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 ሶ𝑚𝑎 = 150 Τ 𝑚3 𝑚𝑖𝑛 Τ 0,81 𝑚3 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝒆𝒏𝒕 ሶ𝑚𝑎 = 185,2 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑚𝑖𝑛 Inspeção da carta psicrométrica 20 Condicionamento de ar ω = 0,00615 Entalpia da mistura 1 2 ℎ2 = 45,9 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 ℎ1 = 25,7 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 21 Condicionamento de ar Calor adicionado 𝑄 = ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 𝑄 = ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑣2 − ℎ𝑎1 + ω1ℎ𝑣1 𝑄 = 185,2 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑚𝑖𝑛 45,9 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 − 25,7 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑄 = 3741,0 𝑘𝐽 𝑚𝑖𝑛 22 Exemplo de aplicação Ar úmido entra em um duto a 10°C, 80% de umidade relativa e com uma vazão volumétrica de 150 m3/min. A mistura é aquecida à medida que esta escoa através do duto e sai a 30°C. Nenhuma umidade é adicionada ou retirada, e a pressão da mistura permanece aproximadamente constante em 1 bar (105Pa). Para operação em regime permanente, determine: (a) a taxa de transferência de calor, em kJ/min; (b) a umidade relativa na saída. Variações nas energias cinética e potencial podem ser desconsideradas. Condicionamento de ar E sem a carta psicrométrica? 23 Condicionamento de ar 𝑄 = ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎2 − ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣(ℎ𝑣2 − ℎ𝑣1) 𝑄 + ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Exemplo: Aquecimento de Ar Úmido em um Duto Sabendo que ሶ𝑚𝑣 = ω ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎1 = 283,1 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ℎ𝑎2 = 303,2 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Entalpia do ar seco Tabela A-22 ℎ𝑔1 = 2519,8 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ℎ𝑔2 = 2556,3 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Entalpia do vapor saturado Tabela A-2 𝑄 = ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎2 − ℎ𝑎1 + ω(ℎ𝑣2 − ℎ𝑣1) 24 Condicionamento de ar Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Determinar a vazão mássica, pois o exercício fornece somente vazão volumétrica na entrada. 𝑣𝑎1 = Τ ത𝑅 𝑀𝑎 𝑇1 𝑃𝑎1 ሶ𝑚𝑎 = 𝐴𝑉 υ𝑎1 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑣𝑎1 é o volume específico do ar seco estimado a 𝑇1 e 𝑃𝑎1. Lei dos gases ideias: Determinando 𝑃𝑎1: 𝑝𝑔1 = 0,01228 𝑏𝑎𝑟 a 10 °C (Tabela A-2) 𝑝𝑣1 = 𝑝𝑔1ϕ1 𝜙1 = 0,8 (fornecido no exercício) 𝑝𝑣1 = 0,0098 𝑏𝑎𝑟 𝒑𝒂𝟏 = 𝑝 − 𝑝𝑣1 = ൗ 8,314 𝑘𝐽 𝐾𝑘𝑚𝑜𝑙 28,97 𝑘𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙 283𝐾 99020 𝑃𝑎 = 0,82 𝑚3 𝑘𝑔 1J = 1Nm 1Pa = 1N/m2 Para análise dimensional ሶ𝑚𝑎 = 150 Τ 𝑚3 𝑚𝑖𝑛 Τ 0,82 𝑚3 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝒆𝒏𝒕 ሶ𝑚𝑎 = 182,92 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑚𝑖𝑛 = 1 𝑏𝑎𝑟 − 0,0098 = 0,9902 𝑏𝑎𝑟 = 99020 Pa 25 Condicionamento de ar Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Exemplo: Aquecimento de Ar Úmido em um Duto ℎ𝑎1 = 283,1 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ℎ𝑎2 = 303,2 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ℎ𝑔1 = 2519,8 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ℎ𝑔2 = 2556,3 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑄 = ሶ𝑚𝑎 ℎ𝑎2 − ℎ𝑎1 + ω(ℎ𝑣2 − ℎ𝑣1) 𝑄 = 182,92 303,2 − 283,1 + 0,00616(2556,3 − 2519,8) ሶ𝑚𝑎 = 182,92 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑚𝑖𝑛 ω = 0,622 𝑝𝑣 (𝑝 − 𝑝𝑣) = 0,622 0,0098 (1 − 0,0098) = 0,00616 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑄 = 3717,82 𝑘𝐽 𝑚𝑖𝑛 26 Condicionamento de ar Análise de processos Condicionamento de ar úmido a composição constante Exemplo: Aquecimento de Ar Úmido em um Duto (b) A umidade relativa na saída (𝛟𝟐) 𝑝𝑔2 = 0,04246 𝑏𝑎𝑟 a 30 °C (Tabela A-2) 𝛟𝟐 = 𝑝𝑣 𝑝𝑔2 = 0,0098 𝑏𝑎𝑟 0,04246 𝑏𝑎𝑟 = 0,231 𝑜𝑢 𝟐𝟑, 𝟏% A composição do ar úmido e a pressão da mistura permanecem constantes 1 ֜ 2. Logo: 𝑝𝑣2 = 𝑝𝑣1 = 0,0098 𝑏𝑎𝑟 (980 𝑃𝑎) 27 Psicrometria Guia de estudo Exercícios 12.75 a 12.104 Moran e Shapiro, 8ª Edição • Estudo de Utilizações de Condicionamento de Ar (Ênfase em processos a composição constante) Condicionamento de ar What’s next? • Condicionamento de ar – Parte 2 28