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Ante-Projeto de Inovação Tenológica - OBTENÇÃO DE ÁGUA A PARTIR DA CONDESAÇÃO DA UMIDADE DO AR

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OBTENÇÃO DE ÁGUA A PARTIR DA
CONDESAÇÃO DA UMIDADE DO AR
Camilly Dreissig Stoll*
Dieison Nunes Dutra**
RESUMO
	A água é um recurso natural que possibilita as mais variadas formas de vida, seja no mundo animal, vegetal ou para o ser humano. É cada vez mais latente a importância de cuidar de um bem que a cada dia se torna mais escasso ou fica submetido a situações que o torna impróprio para o consumo.	
	Um dos fatores de difícil controle é o crescimento demográfico que incide diretamente no consumo de água. O aumento da massa populacional também fomenta as indústrias e o agronegócio, que registra um alto consumo hídrico em seu processo produtivo. E para nos deixar ainda mais alertas, os ciclos de chuvas se tornam inconstantes em muitos lugares, fazendo com que ocorra falhas nos sistemas de abastecimento, levando ao racionamento e até a escassez.
	Pela observação dos aspectos analisados, o presente estudo tem por objetivo analisar um sistema de obtenção de água a partir do vapor presente no ar atmosférico, que visa um meio alternativo de água líquida e potável em locais áridos. 
Palavras-chaves: vapor d’água, umidade do ar, obtenção de água.
1 INTRODUÇÃO
A escassez de água é um dos problemas mais urgentes que a humanidade enfrenta hoje e é agravada em virtude da desigualdade social, urbanização, crescimento populacional, mudanças climáticas e da falta de manejo e usos sustentáveis dos recursos naturais. A água potável é um elemento essencial para todas as formas de vida do planeta, entretanto mais de 600 milhões de pessoas no mundo tem dificuldade no acesso à água potável.
Desde que foi considerada um símbolo de riqueza, por ter sido transformada em uma mercadoria, a água passou também a ser sinônimo de conflito. O mau uso, o desperdício, sua distribuição, bem como sua ocorrência são responsáveis por criar conflitos em diversas regiões do mundo. A preocupação com a disponibilidade de água é pauta frequente nas discussões ambientais e geopolíticas.
Cada vez se torna mais latente a importância de cuidar de um bem que a cada dia se torna mais escasso ou fica submetido a situações que o torna impróprio para o consumo. Com isso, surgem as fontes alternativas de água, tanto como medidas para fugir da escassez quanto para preservação hídrica. 
2 A ÁGUA
A água é fundamental para o planeta. Nela surgiram as primeiras formas de vida, e a partir disso, se originaram as formas terrestres, que conseguiram sobreviver somente na medida em que puderam desenvolver mecanismos fisiológicos que lhes permitiram retirar água do meio e retê-la em seus próprios organismos. Ou seja, a evolução dos seres vivos sempre foi dependente da água.
Sendo o mais crítico e importante elemento para a vida humana, a água compõe de 60% a 70% do nosso peso corporal, regula nossa temperatura interna e é essencial para todas as funções orgânicas. Em média, nosso organismo precisa de 3 litros de água por dia. 
Apesar de ser abundante no mundo, ocupando aproximadamente 71% da superfície da terra, apenas 2,5% é encontrada de forma doce e 0,007% é apropriada para consumo humano. Segundo a Unicef (Fundo das Nações Unidas para a Infância), menos da metade da população mundial tem acesso à água potável. A irrigação corresponde a 73% do consumo de água, 21% vai para a indústria e apenas 6% destina-se ao consumo doméstico.
Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/geografia/agua.htm
2.1 ESCASSEZ DE ÁGUA
	Antes a água era considerada um recurso inesgotável. Hoje já se sabe que, devido a diversos fatores, como o desperdício, a poluição, o crescimento populacional, as mudanças climáticas, a urbanização e a industrialização, os recursos hídricos estão ficando cada vez mais escassos, gerando conflitos em diversas regiões do mundo.
	Segundo o secretário geral da Organização das Nações Unidas, António Guterres, mais de 2 bilhões de pessoas no mundo não tem acesso à água própria para o consumo. O secretário afirmou também que, até 2050, pelo menos uma a cada quatro pessoas viverá em um país que enfrentará a falta de água potável. 
	De acordo com informações divulgadas pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (Cetesb), enquanto em países da África, que já sofrem com a escassez de recursos hídricos, uma pessoa usa por dia entre dez a quinze litros de água, em Nova York uma pessoa pode chegar a utilizar por dia dois mil litros de água. Dados da Unesco revelam que a Cidade do Cabo, na África do Sul, pode ser a primeira a vivenciar a total falta de água potável.
	Além de problemas para o consumo humano, esse cenário, caso se confirme, colocará em xeque as safras agrícolas e a produção industrial, uma vez que a água e o crescimento econômico caminham juntos.	
2.2 VAPOR D’ÁGUA
Em seu ciclo biogeoquímico, a água (H20) passa pelos três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. Ao atingir o estado gasoso, essa substância forma o vapor d’água, um dos principais componentes do ar atmosférico, invisível, de forma e volume variáveis.
A quantidade de vapor d’água presente no ar atmosférico influi diretamente nas condições de saúde humana. A umidade relativa do ar, fator que varia conforme a presença de vapor d’água na atmosfera, atua diretamente na hidratação do aparelho respiratório e dos olhos, logo, baixos valores dessa substância pode causar alergias, ressecamento da pele e mucosas, epistaxe, crises de bronquite, asma, entre outras complicações.
Em contrapartida, quantidades muito elevadas de vapor d’água no ar podem causar mal-estar em seres humanos. Isso ocorre porque, o organismo, para regular a sua temperatura, realiza a transpiração, que é um processo de perda de água para a atmosfera. Em dias de altos valores de vapor d’água na atmosfera, o suor produzido pela transpiração não evapora (pois o ar já está saturado), não havendo perda de calor para o ambiente.
Industrialmente, o vapor d’água é muito utilizado como meio de geração de energia. Isso porque, além de ser uma substância abundante e de baixo custo, a água em forma de vapor apresenta um elevado valor de energia por unidade de massa. Estão entre as principais aplicações do vapor d’água: reatores químicos, ferros de passar roupa, trocadores de calor, saunas, secadores industriais, etc
Os primeiros cinco quilômetros da atmosfera contêm aproximadamente 90% da massa total de vapor d’água. Este percentual representa apenas 0,001% de toda a massa de água existente no planeta Terra, ou dez vezes o volume de águas contidas nos rios. Se todo este vapor d’água fosse condensado e distribuído uniformemente sobre toda a superfície da Terra, formaria uma lâmina de água de aproximadamente 25mm de altura (Garcez & Alvarez, 1988). 
3 PSICROMETRIA
A psicrometria é o ramo da ciência dedicado à análise das propriedades físicas e termodinâmicas das misturas entre gases e vapor e suas aplicações práticas. Ou seja, é a parte da termodinâmica que trata da quantificação do vapor de água presente na atmosfera. O ar é constituído por uma mistura de gases (nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, etc.), vapor de água e uma série de contaminantes, como partículas sólidas em suspensão e outros gases. A quantidade de vapor de água presente no ar ambiente varia de quase zero a aproximadamente 4% em volume. O ar seco existe quando, do ar natural, removem-se todo o vapor de água e os contaminantes. A composição do ar seco é relativamente constante, apesar das pequenas variações em função da localização geográfica e altitude. 
3.1 PROPRIEDADES DO AR ÚMIDO 
As propriedades do ar úmido estão relacionadas à temperatura, quantidade de vapor de água, volume ocupado pelo ar e energia nele contida.
Propriedades relacionadas à temperatura:
· Temperatura do bulbo seco;
· Temperatura do bulbo molhado;
· Temperatura do ponto de orvalho.
Propriedades relacionadas à umidade (massa de vapor d’água):
· Pressão do vapor;
· Razão da mistura;
· Umidade específica;
· Umidade absoluta;
· Umidade relativa;
· Grau de saturação.
Propriedades relacionadas ao volume ocupado e à energia:
· Volume específico;
· Entalpia. 
3.1.2 TEMPERATIRASDE BULBO SECO (t) E DE BULBO MOLHADO (tm)
A temperatura do bulbo seco (t) do ar é a temperatura medida com um termômetro comum. Para obter a temperatura de bulbo molhado (tm), cobre-se o bulbo de um termômetro comum, cujas características devem ser semelhantes às do termômetro de bulbo seco, com um tecido de algodão embebido em água destilada. O bulbo molhado deve ser ventilado, com o ar que se quer conhecer, a uma velocidade mínima de 5 m.s-1. 
Uma observação deve ser feita em relação às temperaturas psicrométrica e termodinâmica de bulbo molhado: a temperatura psicrométrica de bulbo molhado (tm) é a temperatura do ar indicada pelo termômetro de bulbo molhado, como descrito anteriormente; já a temperatura termodinâmica de bulbo molhado é aquela de equilíbrio, alcançada quando o ar úmido sofre um processo de resfriamento adiabático, devido à evaporação da água no ar, até atingir a temperatura da água, mantendo-se a pressão constante. Na prática, estas temperaturas são consideradas iguais.
O conhecimento das temperaturas de bulbo seco e de bulbo molhado (t e tm), expressas em graus Celsius (oC) e determinadas por meio de psicrômetros, permite, com o uso de tabelas, gráficos ou equações, a determinação rápida da umidade relativa do ar. 
3.1.3 PRESSÃO PARCIAL DE VAPOR (pv) E PRESSÃO DE SATURAÇÃO (pvs)
	O vapor de água, como os gases componentes da atmosfera, exerce pressão em todas as direções, pressão que depende da concentração do vapor. 
A quantidade de vapor que pode existir em determinada atmosfera é limitada para cada valor de temperatura. Temperaturas mais elevadas permitem a existência de maior quantidade de vapor do que em um ambiente com temperaturas mais baixas. Quando o ar contém o máximo de vapor de água permissível para determinada temperatura, diz-se que o ar se encontra saturado e a pressão de vapor nessa circunstância é dita máxima ou de saturação. Se a quantidade de vapor não é suficiente para saturar o ar, sua pressão é chamada de pressão parcial de vapor.
3.1.4 RAZÃO DA MISTURA
É definida como a razão entre a massa de vapor de água e a massa do ar seco (kg. kg-1) em dado volume da mistura. Seu cálculo depende da pressão de vapor e da pressão atmosférica (pv e P).
3.1.5 UMIDADE RELATIVA (UR)
A umidade relativa do ar é a razão entre a pressão parcial de vapor exercida pelas moléculas de água presentes no ar e a pressão de saturação, na mesma temperatura, sendo normalmente expressa em porcentagem.
3.1.6 UMIDADE ABSOLUTA (Ua)
É a relação entre a massa de vapor de água e o volume ocupado pelo ar úmido (g. m-3). 
3.1.7 UMIDADE ESPECÍFICA (Ue)
É a relação entre a massa de vapor de água e a massa do ar úmido (g g-1)
3.1.8 GRAU DE SATURAÇÃO (Gs)
Expressa em porcentagem, esta propriedade relaciona a razão de mistura atual e a razão de mistura do ar em condição de saturação, à mesma temperatura e pressão.
3.1.9 TEMPERATURA DO PONTO DE ORVALHO (tpo)
É a temperatura em que o ar úmido se torna saturado, ou seja, quando o vapor de água começa a condensar-se, por um processo de resfriamento, mantendo 
constantes a pressão e a razão de mistura. 
3.1.10 VOLUME ESPECÍFICO (Ve)
É definido como o volume por unidade de massa de ar seco e expresso em m3 kg-1.
3.1. 11 ENTALPIA 
A entalpia (h) de uma mistura ar seco e vapor de água é a energia contida no ar úmido, por unidade de massa de ar seco, para temperaturas superiores a uma determinada temperatura de referência (0oC). Como somente a diferença de entalpia representa interesse prático em processamento de produtos agrícolas, o valor escolhido para a temperatura de referência torna-se irrelevante. A entalpia, que é expressa em kcal ou kJ por kg de ar seco, é muito importante para o dimensionamento de aquecedores e sistema de secagem e composição do custo operacional dos diferentes sistemas.
3.2 MEDIÇÃO DA UMIDADE DO AR
	
A umidade do ar é determinada indiretamente por meio da pressão parcial exercida pelo vapor de água na atmosfera. Os instrumentos usados para esta finalidade são denominados hidrômetros. Os mais comuns são:
· Higrômetros de condensação: baseiam-se na determinação do ponto de orvalho.
· Higrômetros de absorção: usados em laboratório. A determinação é feita passando-se, através de uma substância higroscópica, um volume conhecido do ar cujas propriedades se deseja determinar. O resultado é obtido pela variação do peso devido à umidade absorvida.
· Higrômetros elétricos: baseiam-se na variação da resistência elétrica de um fino filme de um condutor eletrolítico contendo um sal higroscópico, em função da umidade. 
· Higrômetro ótico: por meio da intensidade de luz refletida, mede a espessura de um filme higroscópico, a qual varia com a umidade.
· Higrômetros de difusão: constam de uma câmara fechada, tendo uma placa porosa numa das paredes. O ar no interior da câmara é continuamente submetido à ação de um agente dessecador ou umedecedor. A difusão do ar através da placa porosa produz mudança na pressão interna da câmara, que é medida por um manômetro. No ponto de equilíbrio, o valor da mudança de pressão depende da pressão de vapor do ar exterior e da temperatura da câmara.
· Psicrômetro: consta de dois termômetros semelhantes, um dos quais tem o bulbo recoberto por tecido de algodão umedecido em água destilada. A evaporação da água sobre o bulbo umedecido causa abaixamento na sua temperatura, sendo dependente do estado higrométrico do ar. O termômetro de bulbo seco indica a temperatura do ar. A diferença de temperatura entre os dois termômetros indica a umidade, bem como outras propriedades do ar, bastando utilizar os dados obtidos para dar entradas em tabelas, gráficos ou fórmulas. Os psicrômetros podem ser de ventilação natural (psicrômetros comuns) ou de ventilação forçada. O mais comum é o psicrômetro giratório.
· Higrômetros de fio de cabelo: o cabelo humano livre de gorduras tem a propriedade de aumentar em comprimento ao absorver umidade e de diminuir em comprimento quando a perde. Essa variação é ampliada e transmitida a um ponteiro, sobre um mostrador, que indicará diretamente a umidade relativa do ar. Trocando-se o ponteiro por uma pena contendo reservatório de tinta e o mostrador por um cilindro rotativo movido por um mecanismo de relojoaria, tem-se o higrômetro registrador ou higrógrafo.
3.3 CARTA PSICROMÉTRICA
A Carta Psicrométrica é um método gráfico desenvolvido pelo engenheiro alemão Richard Mollier no início do século XX. Esse método serve para demonstrar as propriedades das diversas misturas entre ar e vapor d’agua, ou seja, serve para que possamos saber o que irá ocorrer com a temperatura e a umidade do ar no ambiente controlado.
Esquema de uma carta psicrométrica tipíca.
Disponível em: https://pt.slideshare.net/ReginaldoDantas2/aula-06-confortotermico
1. Temperatura de bulbo seco indicada na carta por linhas retas verticais - grau (C°).
2. Umidade absoluta representada por linhas horizontais – (kgv/kga).
3. Escala da umidade absoluta.
4. Temperatura de bulbo úmido. A escala está localizada na linha de saturação na extremidade esquerda da carta – grau (C°).
5. Volume específico – m³/kga.
6. Entalpia específica – Kj/kga.
7. Temperatura do ponto de orvalho – grau (C°).
8. Umidade relativa – expressa em porcentagem.
9. Escala referente ao Fator de calor sensível.
3. REFRIGERAÇÃO
	
A Segunda Lei da Termodinâmica trata de transferências de energia térmica. Ou seja, limita que processos espontâneos de transferência de calor ocorra entre um reservatório térmico quente e um reservatório térmico frio, onde uma máquina opera em um ciclo termodinâmico no qual suas únicas interações com o ambiente sejam receber calor de uma fonte mais fria e rejeitar calor para uma fonte mais quente. Para que o fluxo ocorra no sentido oposto (o reservatório frio perdendo calor e o reservatório quente recebendo calor) é necessário que seja aplicado trabalho nesse ciclo. São chamadas de refrigeradores as máquinas que utilizam trabalho para gerar um fluxo de energia via interação calor de um ambiente frio para um ambiente quente.Desenho esquemático do uso de um sistema de refrigeração. 
Disponível em: http://www.repositorio.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10026170.pdf
	
Onde QL é o calor removido do ambiente a ser refrigerado, QH é o calor rejeitado para o ambiente quente e Wlíq,in é o trabalho líquido fornecido ao refrigerador.
	O ciclo de refrigeração utilizado para modelar sistemas de refrigeração é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal. É composto de 4 elementos: o compressor, o condensador, a válvula de expansão e o evaporador.
Desenho esquemático de um sistema de refrigeração por compressão de vapor. 
Disponível em: http://www.repositorio.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10026170.pdf
Para explicar o funcionamento do equipamento existe 4 etapas:
1. Compressão de vapor: o refrigerante a baixa pressão entra no compressor e eleva sua pressão em uma compressão politrópica. O objetivo é que o fluído atinja uma pressão cuja temperatura de saturação seja maior que a temperatura do ambiente quente, de modo que possa ser rejeitado calor e o vapor condense.
2. Condensação: o vapor a alta pressão entra no condensador e rejeita calor para o ambiente que está a uma temperatura mais baixa do que a do fluído, a pressão constante. Ao fim desse processo, deseja-se que o fluído esteja no estado de líquido saturado.
3. Expansão: o líquido a alta pressão passa por uma válvula de expansão que reduz a pressão do fluído isentalpicamente, a partir da perda de carga envolvida. Ao fim desse processo, o fluído se torna uma mistura saturada com baixo título a baixa pressão, de modo que a temperatura de saturação seja menor que a temperatura do ambiente a ser resfriado para que ele possa se manter removendo calor da fonte fria.
4. Evaporação: a mistura fria e a baixa pressão entram no evaporador e remove calor do ambiente a ser resfriado a uma pressão constante. Ao fim do processo o refrigerante deve estar totalmente vaporizado para finalizar o ciclo e entrar novamente no compressor.
O resultado desse ciclo é uma máquina que se utiliza do trabalho mecânico de um compressor para conseguir remover calor de um ambiente frio e ceder calor para um ambiente mais quente.
5 PROPOSTA DE PROJETO
Para obtermos água através do ar atmosférico através da condensação podemos utilizar uma pastilha termoelétrica também conhecida como Peltier, que é um dispositivo que quando submetido a uma corrente elétrica esquenta uma de suas extremidades enquanto a outra esfria.
Pastilha Peltier
Disponível em: https://au.rs-online.com/web/p/peltier-modules/4901339/
3.1 EFEITO PELTIER-SEEBECK
O efeito peltier foi descoberto por Jean Charles Athanase Peltier em 1821 em um experimento no qual ele induziu pequenas correntes elétricas externas num termopar de bismuto/antimónio, seus experimentos demonstraram que quando a corrente elétrica atravessa junção de dois metais diferentes a junção esfria absorvendo calor do ambiente ao seu redor e quando o sentido da corrente é invertido a junção esquenta irradiando calor para o ambiente.
O efeito Peltier é o oposto do efeito Seebeck, no qual consiste na obtenção de uma diferença de potencial elétrico devido a diferença de temperatura, por serem considerados dois efeitos que manifestam o mesmo fenômeno físico também podem ser considerados como um só, por isso a denominação efeito Peltier-Seebeck.
3.2 PROTÓTIPO
	
O protótipo consiste em dois dissipadores de metal na parte superior e inferior para dissipar a temperatura proveniente da pastilha Peltier, entre os dissipadores se encontra a pastilha Peltier, o dissipador superior é responsável pela dissipação do calor gerado pela pastilha, enquanto o dissipador inferior é responsável por coletar o calor ambiente. Sendo assim, esse dissipador fica mais frio que o ambiente ao seu redor e como consequência a umidade do ambiente condensa no dissipador, formando gelo. Então uma ventoinha será responsável por criar um fluxo de ar fazendo com que o gelo derreta e obtenha-se água liquida em um menor intervalo de tempo. 
Após o processo de extração da água do ambiente através da condensação, a água liquida obtida deve passar por um filtro de carvão ativado para remover as impurezas presentes e em seguida ser exposta a luz ultravioleta para ser esterilizada sem a necessidade da adição de agentes químicos e o ultimo processo é a adição de sais minerais para que a água esteja própria para o consumo humano.
6 CONCLUSÃO
Conclui-se que a água é um bem de extrema importância e valor para a humanidade, portanto devemos utiliza-la da forma mais responsável possível, pois é um recurso finito e todos os seres vivos dependem da água para sobreviver e sua escassez provocaria uma crise generalizada.
REFERÊNCIAS
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* Discente – Discente do curso de Engenharia Elétrica Campus Alegrete – Universidade Federal do Pampa. E-mail: camillystoll.aluno@unipampa.edu.br 
**Discente – Discente do curso de Engenharia Elétrica Campus Alegrete – Universidade Federal do Pampa. E-mail: dieisondutra.aluno@unipampa.edu.br 
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