Psicrometria: Conceitos e Aplicações na Refrigeração e Ar Condicionado

DISCIPLINA REFRIGERAÇÃO E ARCONDICIONADO DEM1023 UNIDADE 02 PSICROMETRIA 21 Conceitos básicos 22 Propriedades do ar úmido 23 Carta Psicrométrica 24 Processos psicrométricos Professor Thompson D M Lanzanova lanzanovamecanicaufsmbr UNIDADE 2 PSICOMETRIA 21 Conceitos básicos 22 Propriedades do ar úmido 23 Carta Psicrométrica 24 Processos psicrométricos 21 Conceitos básicos A Psicrometria Psychro fazer frio meter medir Ramo da termodinâmica que estuda as propriedades do ar úmido Alguns campos de aplicação da Psicrometria são indústria alimentícia a indústria de papel processos industriais de secagem pintura e armazenamento refrigeração ventilação ar condicionado e meteorologia Lei de Dalton A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma das pressões parciais de cada componente na mesma temperatura da mistura Definese a pressão parcial de cada componente como a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho o volume da mistura na temperatura da mistura 𝑃𝑎𝑡 𝑃𝑎 𝑃𝑣 Pat Pressão atmosférica Pa Pressão parcial do ar seco Pv Pressão parcial do vapor de água 21 Conceitos básicos Duas fases α líquido e β gás de um sistema fechado constituído de uma substância pura encontramse em equilíbrio a temperatura e pressão constantes o potencial químico da substância tem o mesmo valor em ambas as fases 𝜇𝛼 𝑝 𝑇 𝜇𝑏 𝑝 𝑇 Se há mudança de pressão ou temperatura e continua havendo equilíbrio de fases após certo tempo 𝑑𝜇𝛼 𝑑𝜇𝑏 𝑑𝜇 𝑆𝑑𝑇 𝑉 𝑑𝑃 A equação de Clapeyron é exata e aplicase a qualquer curva de equilíbrio de duas fases de uma substancia pura uma vez que a Uma vez que 21 Conceitos básicos Há duas condições para evaporação da água líquida 1 Energia térmica deve ser fornecida à água 2 A pressão de vapor do líquido deve ser maior do que a do vapor da água no ambiente A água em um ambiente gasoso que não é vapor dágua puro mas uma mistura de ar seco e vapor de água se comporta de maneira análoga e para a maioria dos objetivos práticos a relação entre temperatura de saturação e a pressão de saturação é a mesma para a água líquida em contato apenas com seu vapor Concluise portanto um fato muito importante A pressão de vapor de saturação depende somente da temperatura 22 Propriedades do ar úmido O conhecimento das propriedades do ar é importante no estudo da psicrometria Densidade do ar 120 kgm³ para o ar seco a pressão de 101325 kPa ou kNm2 e T20C Densidade da água 1000kgm³ a 4C e 99823 kgm³ a 20C Pressão barométrica 101325 N m² O valor adotado para a aceleração da gravidade é 9807ms² Para a água Rw46152 kJkmolK e Mw18015 kgkmol Para o ar seco Ra287035 kJkmolK e Ma289645 kgkmol RaRMa Constante universal dos gases ideais R83144 kJkmolK Massa molar do ar atmosférico seco é de 28966 kgkMol 23 Carta psicométrica As cartas psicrométricas são representações gráficas das propriedades do ar A utilização das cartas facilita a análise dos processos psicrométricos envolvidos na climatização 1 Temperatura de bulbo seco TBS indicada na carta por linhas retas verticais C 2 Umidade absoluta w representada por linhas horizontais kgvkga 3 Escala da umidade absoluta 4 Temperatura de bulbo úmido TBU A escala de TBU está localizada na linha de saturação na extremidade esquerda da carta A sua unidade é C 5 Volume específico v A sua unidade é m3kga Principais propriedades representadas na carta psicrométrica 6 Entalpia específica h A sua unidade é kJkg de ar seco e seu símbolo é h 7 Temperatura do ponto de orvalho Torv na linha de saturação A sua unidade é C 8 Umidade relativa f expressa em porcentagem 9 Escala referente ao Fator de Calor Sensível FCS 23 Carta psicométrica 22 Propriedades do ar úmido Conforme observado na carta psicrométrica as principais propriedades do ar são temperatura de orvalho umidade relativa umidade absoluta temperatura de bulbo seco temperatura de bulbo úmido entalpia e pressão de saturação A seguir vamos apresentar algumas dessas propriedades A temperatura na qual o vapor de água da atmosfera fica saturado é conhecida como temperatura de orvalho do ar Esta propriedade é muito importante pois a partir dela é possível calcular as espessuras de isolamento adequadas para dutos câmaras frigoríficas e refrigeradores domésticos Ou seja se o isolamento é ruim haverá uma temperatura superficial externa da parede da câmara muito baixa e dessa forma haverá condensação do vapor dágua presente no ar sobre esta superfície Como exemplo é possível analisar se haverá condensação sobre um duto de aço galvanizado sem isolamento térmico por onde passa internamente um fluxo de ar a 15C através de um ambiente que está a TBS de 32C e TBU de 23C Para resolver este tipo de questão basta utilizar a carta psicrométrica conforme ilustrado na Figura Na carta devese marcar o ponto referente às condições do ar externo ponto 1 Deve se traçar uma linha horizontal da direita para a esquerda e verificar o ponto em que há cruzamento com a linha de saturação Neste ponto situase a temperatura de orvalho do ar externo Ou seja se a temperatura do ar é resfriada abaixo desse valor haverá condensação Obtenção da temperatura de orvalho em uma carta psicrométrica Nesse exemplo a temperatura de orvalho é de 192C e a temperatura da face externa do duto não isolado é praticamente de 15C o que faz com que a condensação da umidade seja inevitável A solução deste problema geralmente é conseguida através do isolamento térmico do duto 22 Propriedades do ar úmido A umidade absoluta UA é a relação entre a massa de vapor de água presente no ar e a massa de ar seco ou de maneira mais simples umidade absoluta é a quantidade de vapor dágua dissolvida em 1 kg de ar seco Usualmente é expressa em g de vapor de água por kg de ar seco Na figura temse o processo de obtenção da umidade relativa do ar na condição TBS 25oC e UR 50 que é de 10 gramas de vapor dágua dissolvidos para cada 1 kg de ar seco Analiticamente podese calcular a umidade absoluta presente no ar através da expressão Obtenção da umidade absoluta presente no ar 𝑈𝐴 0622 𝑃𝑣 𝑃𝑎𝑡 𝑃𝑣 22 Propriedades do ar úmido A umidade relativa UR ou f representa a relação entre a pressão parcial de vapor dágua presente no ar Pv e a pressão de saturação do mesmo a uma mesma temperatura Psat Na Figura ilustrase a linha correspondente à umidade relativa de 40 em uma carta psicrométrica Uma dada condição do ar pode ser identificada por duas de suas propriedades Nesse caso o ponto 1 marcado na carta significa que o ar está na condição TBS 30 C e umidade relativa UR de 40 A pressão de saturação ocorre quando se tem o máximo possível de vapor dágua dissolvido no ar a uma dada temperatura T Neste caso dizse que o ar está saturado e adotase esta condição para o cálculo da umidade relativa do mesmo Linha representativa da umidade relativa de 40 na carta psicrométrica 𝑈𝑅 𝑃𝑣 𝑃𝑠𝑎𝑡 𝑇 100 22 Propriedades do ar úmido Tomandose o ar a uma dada temperatura Ta e certa pressão de vapor Pv e adicionandose o máximo de vapor dágua fisicamente possível obtémse o ar saturado na temperatura Ta e com pressão de saturação PsatTa A pressão parcial de vapor dágua contido no ar é obtida a partir da relação com a pressão de saturação do ar que é obtida por meio de tabelas de propriedades Como exemplo podese determinar qual é a umidade absoluta do ar que tem 40 de umidade relativa e uma temperatura de 30 C para uma pressão atmosférica padrão conforme apresentado a seguir 𝑃𝑣 𝑈𝑅 𝑃𝑠𝑎𝑡 04 424 169 𝑘𝑃𝑎 Sabese que a pressão parcial de vapor é o produto da umidade relativa pela pressão de saturação Dessa forma calculamos a pressão parcial de vapor Resumo da relação entre a temperatura e a pressão de saturação do ar 22 Propriedades do ar úmido A Temperatura de Bulbo Seco do ar TBS é a temperatura medida por um termômetro comum com proteção contra a radiação Se dois termômetros precisos forem colocados numa corrente de ar em movimento rápido ambos registrarão a mesma temperatura Porém se o bulbo de um dos termômetros for coberto com uma mecha molhada a sua temperatura descerá primeiro rapidamente e depois lentamente até atingir um ponto estacionário A leitura nesse ponto é chamada a Temperatura de Bulbo Úmido do ar Sempre teremos TBU menor que TBS do ar Isso se deve ao fato de a umidade da mecha retirar calor do bulbo para evaporar o que reduz a temperatura do termômetro A quantidade de água que pode evaporar da mecha molhada para o ar depende completamente da quantidade de vapor de água que existe inicialmente no ar que passa pelo bulbo úmido Se o ar já estivesse saturado com umidade não evaporaria nenhuma água do bulbo para o ar e não haveria resfriamento no termômetro de bulbo úmido Nesse caso TBS seria igual à TBU Quanto mais seco for o ar que passa pela mecha do termômetro de bulbo úmido maior será a quantidade que se evaporará para a corrente de ar Quanto maior for a quantidade de umidade evaporada para a corrente de ar mais baixa será a leitura no termômetro de bulbo úmido A diferença entre as leituras nos termômetros de bulbos úmido e seco é chamada depressão de bulbo úmido Na figura ilustrase esse processo Ilustração da obtenção da TBU e TBS 22 Propriedades do ar úmido A entalpia específica h é muito utilizada para indicar o nível de energia de uma substância Em psicrometria utiliza se geralmente a variação de entalpia envolvida nos processos de tratamento do ar Se uma transformação ocorre através da transferência de energia térmica apenas pela Primeira Lei da Termodinâmica podese obter a variação de entalpia como sendo igual à variação do calor adicionado ou removido Para a maioria das aplicações podese adotar uma simplificação observandose que o calor específico do ar varia pouco na faixa de 0 a 50 C Este valor se mantém na faixa de 1006 a 1009 kJkg C O volume específico v pode ser definido como o volume ocupado pela mistura ar seco mais vapor por unidade de massa do ar seco O volume específico também pode ser entendido como o inverso da massa específica e pode ser obtido por meio da Equação dos Gases Ideais ou através da carta psicrométrica ℎ 1007 𝑇𝐵𝑆 𝑈𝐴2501 18 𝑇𝐵𝑆 𝑣 𝑅𝑎 𝑇𝐵𝑆 𝑃𝑎𝑡 𝑃𝑣