Slide - Processos de Condicionamento de Ar Parte 2 - 2024-1

Processos de Condicionamento de Ar – Parte 2 Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não esqueça de entregar a ASem19. 2 Sobre o material de consulta: i) Tabelas impressas: alunos propõem e sem rasuras; ii) Documento para consulta em folha A4 frente e verso escrito à mão. O documento pode conter fórmulas, relações de interesse, diagramas com nomes e variações energéticas entre processos. iii) Não é necessário imprimir cartas psicrométricas. Importante: A produção deste material tem como objetivo estimular os discentes a realizarem uma síntese do conteúdo trabalhado e se prepararem para a resolução de exercícios relacionados à temática. • Diretrizes sobre Avaliação conceitual 2: Em duplas; material de consulta. 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 que envolvem variação da composição. ❑ Aquecimento ❑ Resfriamento ❑ Umidificação ❑ Desumidificação Simples (composição cte) Variação da composição 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 ou removida 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 Condicionamento de ar 9 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 10 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) ℎ𝑤 depende do estado da água adicionada ou removida. Normalmente ℎ𝑓 ou ℎ𝑔. Condicionamento de ar 11 Análise de processos Condicionamento de ar úmido com composição variável Quando um fluxo de ar úmido é resfriado a pressão de mistura constante para uma temperatura abaixo da temperatura de ponto de orvalho, pode ocorrer condensação do vapor d’água inicialmente presente. Tomemos o caso da desumidificação Condicionamento de ar 12 Análise de processos - Desumidificação Ar úmido entra em um estado 1 e escoa através de uma serpentina de resfriamento no interior da qual escoa refrigerante ou água resfriada. Figura adaptada: Moran e Shapiro, 8ª Edição Figura adaptada: Çengel, 7ª Edição Condicionamento de ar 13 Análise de processos - Desumidificação Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 Balanço de massa ሶ𝑚𝑎1 = ሶ𝑚𝑎2 = ሶ𝑚𝑎 (ar seco) ሶ𝑚𝑣1 = ሶ𝑚𝑤 + ሶ𝑚𝑣2 (vapor d’água) Contribuição da água (cond.) removida da mistura Figura: Moran e Shapiro, 8ª Edição ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑣1 − ሶ𝑚𝑣2 ሶ𝑚𝑤 ሶ𝑚𝑎 = ω1 − ω2 = ω1 ሶ𝑚𝑎 − ω2 ሶ𝑚𝑎 Vazão mássica do condensado Condicionamento de ar 14 Análise de processos - Desumidificação Balanço de energia 𝑸 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 − ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 Saída Ar úmido Ar úmido Água Entrada 𝑸 = ሶ𝑚𝑟(ℎ𝑖 − ℎ𝑒) • ሶ𝑚𝑟 é vazão mássica do fluido refrigerante através da serpentina de resfriamento • ℎ𝑖 e ℎ𝑒 indicam os valores de entalpia específica, respectivamente, do fluido refrigerante na entrada e na saída da seção de desumidificação Resfriamento – Serpentina Condicionamento de ar 15 Análise de processos - Desumidificação Balanço de energia 𝑸 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 − ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 Saída Ar úmido Ar úmido Água Entrada ሶ𝑚𝑟(ℎ𝑖 − ℎ𝑒) + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 − ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 • Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎, ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑎(ω1 − ω2) ሶ𝑚𝑟 ℎ𝑖 − ℎ𝑒 + ሶ𝑚𝑎 (ℎ𝑎1−ℎ𝑎2) + 𝜔1ℎ𝑔1 − 𝜔2ℎ𝑔2 − (𝜔1 − 𝜔2)ℎ𝑓2 • Resolvendo para a vazão mássica de refrigerante por unidade de massa de ar seco escoando através do equipamento: ሶ𝑚𝑟 ሶ𝑚𝑎 = (ℎ𝑎1−ℎ𝑎2) + 𝜔1ℎ𝑔1 − 𝜔2ℎ𝑔2 − (𝜔1 − 𝜔2)ℎ𝑓2 ℎ𝑖 − ℎ𝑒 𝑇2 = ? Condicionamento de ar 16 Análise de processos - Umidificação Condicionamento de ar úmido com composição variável A priori, utilizada para aumentar a umidade do ar que circula em ambientes ocupados. Para isso utiliza-se injeção de vapor d’água ou injeção de água líquida. Figura adaptada: Moran e Shapiro, 8ª Edição a) Na injeção de vapor d’água, a umidade e a temperatura do ar úmido aumentam. a) ω1 > ω2 𝑇1 > 𝑇2 b) b) Na injeção de água líquida, a umidade do ar úmido aumenta mas a temp. do ar úmido pode diminuir. ω1 > ω2 𝑇1 < 𝑇2 Condicionamento de ar 17 Análise de processos - Umidificação Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 Balanço de massa - Borrifador de Vapor ሶ𝑚𝑎1 = ሶ𝑚𝑎2 = ሶ𝑚𝑎 (ar seco) ሶ𝑚𝑣1 + ሶ𝑚𝑠𝑡 = ሶ𝑚𝑣2 (vapor d’água) Massa de vapor d’água saturado/superaquecido adicionado à mistura ሶ𝑚𝑠𝑡 ሶ𝑚𝑎 = ω2 − ω1 Vazão mássica de vapor d’água adicionada ሶ𝑚𝑠𝑡 = ሶ𝑚𝑎 ω2 − ω1 Condicionamento de ar 18 Análise de processos - Umidificação Balanço de energia - Borrifador de Vapor • ℎ𝑤 = ℎ𝑔3: entalpia de vapor saturado injetado no ar úmido. • Não há troca de calor ֜ 𝑄 = 0 ℎ𝑎1 − ℎ𝑎2 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑔3 − ω2ℎ𝑔2 = 0 Assim: ou: ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑔2 = ℎ𝑎1 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑔3 𝑸 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 + ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 Saída Ar úmido Ar úmido Vap. d’água Entrada • Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 , ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑠𝑡 = ሶ𝑚𝑎 ω2 − ω1 19 Exemplo de aplicação – Borrifador de vapor Ar úmido com temperatura de 22°C e temperatura de bulbo úmido de 9°C entra em um umidificador com borrifador de vapor. A vazão mássica do ar seco é de 90 kg/min. Vapor de água saturado a 110°C é injetado na mistura à taxa de 52 kg/h. Não há transferência de calor para a vizinhança, e a pressão mantém-se constante em 1 bar (105 Pa). Utilizando a carta psicrométrica, determine: (a) a razão de mistura na saída (ω2) (b) a temperatura de saída da mistura (𝑇2), em °C. Condicionamento de ar 20 𝑇𝑏𝑠1 = 22°𝐶 Pontos de interesse Condicionamento de ar 𝑇𝑏𝑢1 = 9°𝐶 ω = 0,002 1 ω1 = 0,002 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 Condicionamento de ar 21 Balanço de massa ሶ𝑚𝑠𝑡 ሶ𝑚𝑎 = ω2 − ω1 ω2 = ω1 + ሶ𝑚𝑠𝑡 ሶ𝑚𝑎 ሶ𝑚𝑠𝑡 = 52𝑘𝑔 ℎ = 52𝑘𝑔 60𝑚𝑖𝑛 Dados Fornecidos ሶ𝑚𝑎 = 90𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 ω1 = 0,002 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 Inspeção carta ω2 = 0,002 + 52 60 𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 90 𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 ω2 = 0,01163 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 Exemplo de aplicação – Borrifador de vapor Condicionamento de ar 22 Balanço de energia ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑔2 = ℎ𝑎1 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑔3 Entalpia específica da mistura ar-vapor no Estado 2 Entalpia específica da mistura ar-vapor no Estado 1 Inspeção da carta psicrométrica Exemplo de aplicação – Borrifador de vapor Determinar para encontrar T2 ℎ𝑔3 = 2691,5 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Entalpia do vapor saturado a 110 °C (Tabela A-2) ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑔2 = 27,2 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 + 0,0116 − 0,002 2691,5 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 ℎ1 = 27,2 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 = 53,03 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 23 𝑇𝑏𝑠1 = 22°𝐶 Temperatura em 2 Condicionamento de ar 𝑇𝑏𝑢1 = 9,0°𝐶 ω1 = 0,002 1 ℎ1 = 27,2 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 ω2 = 0,0116 2 ℎ2 = 53,0 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑇𝑏𝑠2 = 23,6°𝐶 Condicionamento de ar 24 Análise de processos - Umidificação Resfriamento evaporativo Figura adaptada: Moran e Shapiro, 8ª Edição • Utilizado em regiões de clima quente e baixa umidade. • Isto envolve borrifar água líquida no ar ou forçar ar através de uma almofada encharcada que é mantida reabastecida com água. Por causa da pouca umidade do ar úmido que entra no Estado 1, uma parcela da água injetada ou da almofada evapora. A energia para a evaporação é fornecida pelo fluxo de ar, o qual tem a temperatura reduzida e sai no estado 2. Condicionamento de ar 25 Análise de processos - Umidificação Balanço de massa – Resfriamento evaporativo Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 ሶ𝑚𝑎1 = ሶ𝑚𝑎2 = ሶ𝑚𝑎 (ar seco) ሶ𝑚𝑣1 + ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑣2 (vapor d’água) vazão mássica da água para a almofada encharcada que é adicionada à mistura ሶ𝑚𝑤 ሶ𝑚𝑎 = ω2 − ω1 Vazão mássica de água adicionada ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑎 ω2 − ω1 Condicionamento de ar 26 Análise de processos - Umidificação Balanço de energia – Resfriamento evaporativo • Não há troca de calor ֜ 𝑄 = 0 𝑸 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎1 + ሶ𝑚𝑣1ℎ𝑣1 + ሶ𝑚𝑤ℎ𝑤 − ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎2 + ሶ𝑚𝑣2ℎ𝑣2 = 0 Saída Ar úmido Ar úmido Água Entrada • Sabendo que ሶ𝑚𝑣1 = ω1 ሶ𝑚𝑎 , ሶ𝑚𝑣2 = ω2 ሶ𝑚𝑎 e ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑎 ω2 − ω1 • ℎ𝑤 = ℎ𝑓: entalpia de líquido saturado injetado no ar úmido. ℎ𝑎1 − ℎ𝑎2 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑓 − ω2ℎ𝑔2 = 0 Assim: ou: ℎ𝑎2 + ω2ℎ𝑔2 = ℎ𝑎1 + ω1ℎ𝑔1 + ω2 − ω1 ℎ𝑓 27 Psicrometria Guia de estudo Exercícios 12.75 a 12.102 Moran e Shapiro, 8ª Edição • Estudo de Utilizações de Condicionamento de Ar Condicionamento de ar EXEMPLO 12.13 Moran e Shapiro, 8ª Edição • Resfriador Evaporativo Atividade Semanal Atividade Semanal 20: Data da entrega: 20/06/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Avaliação de desempenho de um desumidificador Ar úmido a 30 °C e 50% de umidade relativa entra em um desumidificador operando em regime permanente com uma vazão volumétrica de 280 m3/min. O ar úmido passa por entre uma serpentina de resfriamento e o vapor d’água se condensa. O condensado sai do desumidificador saturado a 10°C. O ar úmido saturado sai em um fluxo separado à mesma temperatura. Não há perdas significativas de energia por transferência de calor para a vizinhança e a pressão mantém-se constante em 1,013 bar (1,013x105 Pa). Determine: a) A vazão mássica do ar seco, em kg/min; b) A taxa à qual a água é condensada, em kg por kg de ar seco que escoa por meio do volume de controle; c) A capacidade de refrigeração necessária, em toneladas de refrigeração. 28