Slide - Saturação Adiabática e Psicrometria - 2024-1

Saturação adiabática e Psicrometria Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não esqueça de entregar a Atividade Semanal 18 ou participação na primeira fase do SIMULA+ (04/06). 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... ➢ Relacionar a temperatura de saturação adiabática e as temperaturas de bulbo úmido do ar atmosférico. 4 Revisão 5 Umidade absoluta e umidade relativa = 𝑝𝑣(18,02) (𝑝 − 𝑝𝑣)(28,97) ω = 𝑚𝑣 𝑚𝑎 = 0,622 𝑝𝑣 (𝑝 − 𝑝𝑣) ϕ = 𝑚𝑣 𝑚𝑣,𝑠𝑎𝑡 = 𝑚𝑣 𝑚𝑔 = 𝑝𝑣 𝑝𝑔 = 𝑦𝑣 𝑦𝑔 𝑻, 𝒑 Umidade absoluta ou específica: Umidade relativa: ϕ ≤ 1 Revisão 6 Estimativa de H para misturas Os valores de H para ar úmido modelado como uma mistura de gases ideais podem ser obtidos através da soma das contribuições de cada componente na condição na qual o componente existe na mistura. Por exemplo, a entalpia da mistura, H, de uma dada amostra de ar úmido é: 𝐻 = 𝐻𝑎 + 𝐻𝑣 = 𝑚𝑎ℎ𝑎 + 𝑚𝑣ℎ𝑣 Dividindo a equação acima por 𝒎𝒂 obtemos a entalpia da mistura por unidade de massa de ar seco: ar seco vapor 𝐻 𝑚𝑎 = 𝑚𝑎ℎ𝑎 𝑚𝑎 + 𝑚𝑣ℎ𝑣 𝑚𝑎 𝐻 𝑚𝑎 = ℎ𝑎 + 𝜔ℎ𝑣 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝒉 à Temp. da mist. Revisão 7 Estimativa de H para misturas A entalpia do vapor d’água superaquecido a baixas pressões de vapor é muito próxima dos valores correspondentes de vapor saturado a uma dada temperatura (diagrama de Mollier): 𝐻 𝑚𝑎 = ℎ𝑎 + 𝜔ℎ𝑔 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝒉𝒈 é a entalpia específica de vapor de água saturado à temperatura T da mistura. ℎ𝑣 ≈ ℎ𝑔 Logo: Introdução 8 Como determinar a umidade absoluta e /ou relativa do ar? Psicrometria e Cartas Psicrométricas 9 A temperatura de saturação adiabática (𝑻𝒂𝒔) é a temperatura do ar úmido ao atingir ϕ = 1 (saturação) em um processo de resfriamento adiabático com adição de vapor d’água ao ar. Processo de saturação adiabática 𝑻 ϕ = 𝑝𝑣 𝑝𝑔 = 1 Isolamento Psicrometria e Cartas Psicrométricas 10 Figura adaptada: Moran e Shapiro, 8ª Edição ሶ𝒎𝒂 ሶ𝒎𝒗 𝑻𝒂𝒔, 𝒑, 𝝎′ ሶ𝒎𝒂 ሶ𝒎′𝒗 𝑻𝟏, 𝒑, 𝝎 Ar úmido Mistura saturada Água Água de reposição Líquido saturado à 𝑻𝒂𝒔 Saturador adiabático é um equipamento com duas entradas e uma saída no qual escoa ar úmido. O dispositivo opera em regime permanente e não há troca de calor com a vizinhança. Processo de saturação adiabática ϕ = 1 ሶ𝑚𝑎 𝑒 = ሶ𝑚𝑎 𝑠 = ሶ𝑚𝑎 ሶ𝑚𝑣 𝑒 + ሶ𝑚𝑤 = ሶ𝑚𝑣′ 𝑠 Balanço de massa Psicrometria e Cartas Psicrométricas 11 Processo de saturação adiabática Passo a passo: • Ar úmido de umidade absoluta (ω) desconhecida é admitido com p e T conhecidos. • À medida que atravessa o equipamento, a mistura entra em contato com água líquida a 𝑇𝑠𝑎𝑡. • Como o ar úmido não se encontra saturado (ϕ < 1) uma parcela da água líquida se evapora. • O processo de evaporação da água ocorre devido à absorção de calor do ar. • Consequentemente, esse processo reduz a temperatura do ar, pois a energia térmica do ar é transferida para a água para sustentar a evaporação. • À medida que o ar continua a perder calor para a água, sua temperatura diminui até que ele se sature. • A saturação ocorre quando o ar atinge um ponto em que não pode mais reter vapor de água adicional, alcançando um equilíbrio de temperatura e umidade. Psicrometria e Cartas Psicrométricas 12 Figura adaptada: Moran e Shapiro, 8ª Edição Processo de saturação adiabática Psicrometria e Cartas Psicrométricas 13 A umidade absoluta 𝝎 de uma mistura de ar seco e vapor d’água pode ser determinada a partir dos balanços de massa e de energia e do conhecimento dos valores de três propriedades da mistura: A pressão 𝒑, temperatura 𝑻𝟏 e a 𝑻𝒂𝒔. Determinação da umidade absoluta Processo de saturação adiabática Psicrometria e Cartas Psicrométricas 14 Balanço de energia: Determinação da umidade absoluta Processo de saturação adiabática ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎 + ሶ𝑚𝑣ℎ𝑣 + ሶ𝑚𝑣′ − ሶ𝑚𝑣 ℎ𝑤 = ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎 + ሶ𝑚𝑣′ ℎ𝑣 Ar úmido entrando Agua de reposição Ar úmido saindo Dividindo por ሶ𝑚𝑎 e considerando que ω = Τ 𝑚𝑣 𝑚𝑎 e ω′ = Τ 𝑚𝑣′ 𝑚𝑎: ℎ𝑎 + ωℎ𝑔 𝑇𝑒𝑛𝑡 + 𝜔′ − ω ℎ𝑓 𝑇𝑎𝑠 = (ℎ𝑎 + ω′ℎ𝑔)𝑇𝑎𝑠 ℎ𝑣 ≈ ℎ𝑔 (𝑇𝑥) Entalp. Vap. saturado a 𝑇𝑥 ℎ𝑤 = ℎ𝑓 (𝑇𝑎𝑠) Entalp. Liq. saturado a 𝑇𝑎𝑠 Resolvendo para a umidade absoluta: 𝜔 = ℎ𝑎 𝑇𝑎𝑠 − ℎ𝑎 𝑇𝑒𝑛𝑡 + 𝜔′ ℎ𝑔 𝑇𝑎𝑠 − ℎ𝑓 (𝑇𝑎𝑠) ℎ𝑔 𝑇𝑒𝑛𝑡 − ℎ𝑓 (𝑇𝑎𝑠) Desenhar sistema e TS Determinar: ω′ = 0,622 𝑝𝑔 (𝑇𝑎𝑠) 𝑝 − 𝑝𝑔 (𝑇𝑎𝑠) Psicrometria e Cartas Psicrométricas 15 Determinação da umidade absoluta Processo de saturação adiabática 𝜔 = 𝑐𝑝 (𝑎𝑟) 𝑇𝑎𝑠 − 𝑇𝑒𝑛𝑡 + 𝜔′ ℎ𝑔 𝑇𝑎𝑠 − ℎ𝑓 (𝑇𝑎𝑠) ℎ𝑔 𝑇𝑒𝑛𝑡 − ℎ𝑓 (𝑇𝑎𝑠) A entalpia do ar seco para um determinado estado pode ser determinada por: ℎ𝑎(𝑇𝑥) = 𝑐𝑝𝑇𝑥 ∆ℎ𝑎= 𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇1) Importante: Note que ℎ𝑥(𝑇𝑦) é o valor de entalpia no estado 𝒙 a uma determinada temperatura 𝒚 consultado em tabelas de referência. Por outro lado, 𝒄𝒑 𝑻𝒂𝒔 − 𝑻𝒆𝒏𝒕 é o cálculo de ∆𝒉𝒂 a partir dos valores de temperatura e 𝒄𝒑. Procedimento semelhante ao que utilizamos no estudo de ciclos de potência e refrigeração. Psicrometria e Cartas Psicrométricas 16 A umidade de uma mistura de ar úmido é usualmente medida com um dispositivo denominado psicrômetro. Determinação da umidade absoluta Psicrômetro Nesse equipamento, a mistura gasosa escoa ao redor de termômetros de bulbo úmido e de bulbo seco. Figura: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição Temperatura de bulbo úmido (𝑻𝑩𝑼): é obtida a partir de um termômetro de vidro contendo líquido cujo bulbo é colocado em uma mecha de tecido úmida (medição da umidade relativa do ar). Temperatura de bulbo seco (𝑻𝑩𝑺): temperatura que seria medida por um termômetro colocado na mistura (temperatura do ar ambiente). (𝑻𝑩𝑺) (𝑻𝑩𝑼) Psicrometria e Cartas Psicrométricas 17 A temperatura de bulbo úmido é a temperatura mais baixa que pode atingir o ar úmido quando é resfriado apenas devido à evaporação de água. Determinação da umidade absoluta Psicrômetro Será geralmente inferior à temperatura do termômetro de bulbo seco, exceto quando o ar está saturado; neste caso as duas temperaturas são iguais. Para misturas de vapor d’água na faixa de pressões e temperaturas do ar atmosférico, a temperatura de saturação adiabática é aproximadamente igual à temperatura de bulbo úmido. Dessa forma, 𝑻𝒃𝒖 ≈ 𝑻𝒂𝒔 e a umidade de tais misturas pode ser calculada como: 𝜔 = ℎ𝑎 𝑇𝑏𝑢 − ℎ𝑎 𝑇𝑏𝑠 + 𝜔′ ℎ𝑔 𝑇𝑏𝑢 − ℎ𝑓 (𝑇𝑏𝑢) ℎ𝑔 𝑇𝑠𝑒𝑐 − ℎ𝑓 (𝑇𝑏𝑢) Psicrometria e Cartas Psicrométricas 18 As temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar atmosférico a 1 atm, medidas com um psicrômetro, foram 25ºC e 15ºC, respectivamente. Determine: a) A umidade absoluta (Resp: ω1 = 0,0065 Τ 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜) b) A umidade relativa (Resp: ϕ1 = 33,2% ) c) A entalpia do ar não-saturado (Resposta: ℎ1 = 316,1 Τ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜). Considere a pressão de saturação da água de 1,7057 kPa a 15 °C e 3,1698 kPa a 25 °C. O calor específico a pressão constante do ar à temperatura ambiente é 𝑐𝑝 = 1,005 Τ 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾. Determinação da umidade absoluta Psicrômetro Psicrometria e Cartas Psicrométricas 19 Psicrometria Guia de estudo Exercícios 12.45 a 12.74 Moran e Shapiro, 8ª Edição • Explorando os Princípios Psicrométricos Exercícios 14-21 a 14-35 Çengel e Boles, 7ª Edição • Temperaturas de ponto de orvalho, saturação adiabática e bulbo úmido What’s next? • Cartas psicrométricas. 20