PROPRIEDADES DO AR ÚMIDO

Prévia do material em texto

SISTEMAS TÉRMICOS E
ENERGÉTICOS
AULA 2
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Ana Carolina Tedeschi Gomes Abrantes
CONVERSA INICIAL
Bem-vindos ao mundo da Psicrometria! Nesta rota abordaremos a fundamentação dos processos de
(des)umidificação, nos quais ocorrem as transferências de massa e de calor. Trabalharemos com dois
fluidos – o ar atmosférico e a água – que serão considerados como substâncias puras em nossa análise.
O principal termo citado será “umidade do ar”, o qual utilizamos corriqueiramente, porém sem pensar
nos princípios físicos envolvidos. Vocês sabem por que encontramos orvalho pela manhã? E qual a razão
de os alimentos se desidratarem quando abertos na geladeira? Após este estudo vocês serão capazes de
responder a essas questões e muitas outras aplicadas ao ambiente industrial. Bons estudos!
CONTEXTUALIZANDO
Psicrometria é a ciência que estuda as misturas de ar e vapor d´água, ou seja, a umidade do ar.
Expandindo-a para outros processos: estuda as misturas binárias nas quais um dos componentes é um
vapor condensável. Sua denominação vem do grego psychro, que significa frio.
O ar atmosférico é uma mistura de gases (N2, O2, CO2, Ar, etc.) com vapor de água e contaminantes
diversos, como particulados. Quando estes dois últimos são removidos, denominados o ar como ar seco,
o qual possui composição praticamente constante: 78%v de N2, 21%v de O2, 0,9%v de Ar e 0,1%v de
outros gases. Podemos considerá-lo como um gás perfeito por ser uma mistura homogênea. A partir da
sua composição é possível calcular a massa molecular (Mar) e a constante do gás (Rar) para o ar seco,
sendo 28,966 kg/kmol e 287,035 J/kgK, respectivamente.
No caso do vapor d’água, também podemos considerá-lo como um gás perfeito por se tratar de um
composto químico. A massa molecular (MH2O) e a constante do gás (RH2O) para o vapor d’água já são
conhecidas: 18,02 kg/kmol e 461,52 J/kgK, respectivamente.
Conhecer as condições de umidade do ar se faz importante em diversas áreas, como no
armazenamento e na conservação de alimentos, por refrigeração ou por secagem, no condicionamento
de ar para conforto térmico e no tratamento de ar de instrumento industrial, por exemplo. Nesses
processos há não somente transferência de calor, mas também de massa, que dependem da temperatura
e da umidade do fluido gasoso e da temperatura do líquido que entra em contato.
TEMA 1 - PROPRIEDADES DO AR ÚMIDO
As propriedades do ar úmido estão associadas à temperatura (de bulbo seco, de bulbo úmido e do
ponto de orvalho), à quantidade de vapor d’água (pressão de vapor, razão de mistura, umidades
específica, absoluta e relativa, e grau de saturação), ao volume ocupado (volume específico) e à energia
nele contida (entalpia).
Temperatura de bulbo seco (TBS): é a temperatura indicada por um termômetro comum.
Temperatura de bulbo úmido (TBU): é a temperatura indicada por um termômetro que possui seu
bulbo envolto por uma manta absorvente molhada, como tecido ou algodão, por exemplo. A evaporação
da água acarreta a diminuição da temperatura medida. Essa medição deve ser realizada em ambiente
ventilado, com o ar que se quer medir a uma velocidade mínima entre 2 e 5 m/s.
Observe na Figura 2, a seguir, que a TBU é menor do que a TBS, a não ser quando o ar estiver
saturado. Conhecendo seus valores é possível obter a umidade relativa do ar, seja por cálculos, por
tabelas ou gráficos específicos.
Figura 2: Medição de temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido.
Fonte: <http://ocw.upm.es/produccion-animal/produccion-avicola/contenidos/TEMA_3/3-2-condiciones-ambientales-ta-y-
hr/view>.
Temperatura de ponto de orvalho (TPO): é a temperatura na qual o vapor d’água contido no ar
começa a se condensar devido à saturação do ar úmido. Basicamente, essa condição é alcançada por
resfriamento, mantendo a razão de mistura e a pressão constantes.
Pressão de vapor (pv): todo componente gasoso em uma mistura exerce uma pressão em todas as
direções, pressão essa que depende da sua concentração. Enquanto o meio não se torna saturado deste
componente, chama-se essa pressão de pressão parcial de vapor (pv). No caso de saturação, tal pressão
é máxima e denominada pressão de saturação (pvs).
Razão de mistura (w): é a razão entre a massa de vapor d’água e a massa de ar seco de uma amostra
da mistura.
Umidade absoluta (UA): é a quantidade mássica de vapor d’água da mistura em um determinado
volume de ar úmido.
Umidade relativa (UR): é a razão da pressão parcial do vapor d’água e a pressão de saturação, na
mesma temperatura, normalmente expressa em porcentagem.
Umidade específica (UE): é a relação entre as massas de vapor d’água e de ar úmido.
Grau de saturação: é a relação entre as razões da mistura atual e da mistura saturada, na mesma
temperatura e pressão.
Volume especifico (v): é o volume por unidade de massa de ar seco (m3/kgar seco).
Entalpia específica (h): é a energia contida no ar úmido por unidade de massa de ar seco (kJ/kgar
seco).
TEMA 2 - MEDIÇÃO DA UMIDADE DO AR
A umidade do ar é medida por instrumentos chamados higrômetros, que podem se basear em
princípios de funcionamento diferentes, conforme tabela abaixo.
Tipos de Higrômetros e seus princípios de funcionamento
Condensação: Inventado por Daniell, determina o ponto de orvalho por condensação do fluido interno as esferas, devido ao
resfriamento causado pelo molhamento do tecido que envolve uma delas.
Absorção: Absorção da umidade por um material higroscópico, medindo-se a variação de massa desse material. Pode-se
também ter uma referência qualitativa pela mudança de cor do material.
Elétricos: Pode medir a variação da resistência elétrica de um condutor contendo sal higroscópico, em função da umidade, ou a
capacitância elétrica de um capacitor.
Ótico: Mede a espessura de um filme higroscópico utilizando a intensidade da luz refletida em função da umidade.
Psicrômetro: Medição da temperatura com um termômetro de bulbo seco e outro de bulbo úmido. A diferença de valores é
proporcional à umidade.
Fio de cabelo: O cabelo humano (sem gordura) é capaz de ter seu tamanho aumentado ao absorver umidade e de contrair
quando a perde, essa variação de comprimento é ampliada e transmitida a um indicador.
É de grande importância a escolha de um instrumento adequado ao processo que se deseja
controlar, uma vez que um resultado confiável nos possibilita trabalhar no aumento da eficiência desse
processo. Atualmente, os instrumentos mais utilizados são o psicrômetro e o digital, este com base em
princípios elétricos.
Figura 3: (a) Relógio digital com medição de temperatura e umidade. (b) Medidor digital de temperatura
e umidade de aplicação comercial e industrial.
Fonte: <www.highmed.com.br>.
TEMA 3 - UMIDADE RELATIVA
A umidade relativa (UR) nos informa quão perto da saturação o ar úmido se encontra, sendo o valor
de 0% a ausência de vapor d’água e 100% a saturação deste ar, em uma determinada temperatura e
pressão. É a umidade que costumamos trabalhar no nosso dia a dia quando avaliamos as condições
meteorológicas (Figura 4), por exemplo.
Figura 4: Exemplo de previsão do tempo com destaque para a umidade informada
Fonte: <http://www.climatempo.com.br/>.
Analiticamente, a umidade relativa pode ser calculada conhecendo-se previamente a temperatura de
ponto de orvalho (TPO) e a temperatura ambiente, também nomeada como bulbo seco (TBS), pela
fórmula:
Na prática, a determinação da temperatura do ponto de orvalho não é muito usual, sendo mais
adequado obter a umidade relativa a partir dos dados fornecidos por um psicrômetro (TBS e TBU, em
°C). Nesse caso, a umidade relativa é obtida por:
Para esse cálculo, a constante psicrométrica A, a ser utilizada, depende da movimentação do ar, a
qual interfere na medição da TBU. Para ambientes ventilados, essa constante vale 0,00067 °C-1, enquanto
que se deve utilizar o valor de 0,0008 °C-1 para ambientes sem ventilação. P representa a pressão
atmosférica local, em mmHg, e pvs e pvsm àspressões máximas de vapor (mmHg) para a TBS e a TBU,
respectivamente. As pressões máximas podem ser calculadas com as equações abaixo, em mbar:
Para conversão das unidades de pressão considere 760 mHg = 1013,25 mbar.
TEMA 4 - TABELAS E GRÁFICOS PSICROMÉTRICOS
As tabelas e os gráficos psicrométricos foram criados com o objetivo de facilitar a obtenção das
propriedades do ar, principalmente na avaliação da eficiência de um equipamento e nas tomadas rápidas
de decisão. É importante ressaltar que os dados levantados por tabelas e gráficos são aproximados,
sendo necessário utilizar as equações na elaboração de um projeto.
Em uma tabela psicrométrica, como a da figura que veremos a seguir, é possível obter a umidade
relativa (%) correlacionando a temperatura medida com bulbo seco (°C), com a diferença (ΔT) entre as
temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido (°C). Tabelas desse tipo são construídas normalmente para a
pressão atmosférica.
Exemplo: Às 14h de um determinado dia, um termômetro de rua instalado no centro de Curitiba
indica a temperatura de 26°C. Ao medir a temperatura de bulbo úmido nesse mesmo local e momento,
obteve-se o valor de 20°C. Qual a umidade relativa nesse instante?
Para se resolver esse tipo de problema, utilizando a tabela psicrométrica, é necessário inicialmente
obter a diferença entre a TBS e a TBU. Nesse caso, a diferença é de 6°C. Deve-se então cruzar a coluna
referente a este ΔT com a linha da TBS de 26°C. Os destaques em vermelho mostram que a umidade
relativa no centro de Curitiba no momento descrito é de 58%.
Tabela 1: Tabela Psicrométrica
Fonte: <www.feiradeciencias.com.br>.
Os gráficos psicrométricos, também conhecidos como cartas, são construídos para uma
determinada pressão, como a ambiente, e disponibilizam mais informações se comparados às tabelas.
Na figura a seguir é possível verificar um esquema da carta psicrométrica com as principais propriedades
do ar.
Figura 5: Carta Psicrométrica
Fonte: Adaptado de Goribar (2009).
No eixo das abcissas são representadas as temperaturas de bulbo seco e no das ordenadas, do lado
direito, encontram-se as razões de mistura. As curvas localizadas entre os eixos correspondem às linhas
de umidade relativa, sendo a linha localizada mais à esquerda a de saturação (100%). Esta curva é
graduada para leitura da temperatura de bulbo úmido (linha inclinada) e da temperatura do ponto de
orvalho (traçando-se uma linha paralela à abcissa).
Os desenhos abaixo facilitam a compreensão da representação das propriedades do ar na carta
psicrométrica. Além das propriedades já abordadas, é possível também fazer a leitura do volume
específico do ar seco, a partir de linha inclinadas a 65º, e da entalpia referente à quantidade de calor
envolvida na mudança de estado, nos segmentos de reta mais à esquerda da curva de saturação.
Figura 6: Linhas de leitura das propriedades do ar na carta psicrométrica.
Fonte: <http://www.fao.org/docrep/x5057s/x5057S0U.GIF>.
Ao estarem reunidas em um único gráfico, as linhas de leituras das propriedades do ar podem
apresentar um pouco de dificuldade na leitura. Por isso, é muito importante que se tenha atenção em
relação a leitura das propriedades que se deseja trabalhar.
Exemplo: Às 14h de um determinado dia, um termômetro de rua instalado no centro de Curitiba
indica a temperatura de 26°C. Ao medir a temperatura de bulbo úmido neste mesmo local e momento,
obteve-se o valor de 20°C. Qual a umidade relativa neste instante?
Em uma carta psicrométrica é importante termos duas propriedades definidas para determinarmos
um ponto de estado. A partir desse ponto podemos obter o valor das outras propriedades. No nosso
exemplo, foram definidas a TBS e a TBU. Para a determinação do ponto de estado (veja na carta
psicrométrica a seguir), deve-se encontrar a TBS na abcissa e puxar uma linha horizontal para cima (em
azul). Em seguida, identifica-se o valor da TBU na curva de saturação (UR=100%), prolongando a linha
inclinada a 45º (em azul). O ponto onde as linhas se cruzam é o ponto de estado. Este ponto está um
pouco abaixo da curva de UR=60%, confirmando o valor encontrado anteriormente com a tabela
psicrométrica.
Outras propriedades podem ser obtidas a partir do ponto encontrado, como a razão de mistura (≈
0,013 kgvapor/kgar seco, em amarelo), o volume específico (≈ 0,863 m3/kgar seco, em vermelho) e a
entalpia, prolongando a linha da TBU para a esquerda (≈ 57,5 kJ/kgar seco, em verde).
Figura 7: Carta psicrométrica para pressão atmosférica
Fonte: <www.fao.org/docrep/x5057s/x5057S0S.GIF>
TEMA 5 - OPERAÇÕES QUE MODIFICAM O AR
Muitas operações unitárias utilizam a modificação das propriedades do ar úmido como princípio de
funcionamento. Entre os processos existentes, pode-se citar:
Resfriamento simples: Nesse processo, a temperatura é reduzida, mantendo-se a razão de mistura,
sem condensação de água. A umidade relativa é aumentada, pois quanto menor a temperatura, menor
será a capacidade de absorção de vapor d’água pelo ar seco. Ex.: serpentina de resfriamento.
Resfriamento adiabático: Não havendo transferência de calor (entalpia constante), o resfriamento é
ocasionado pela evaporação de água, aumentando a razão de mistura e a umidade relativa. Ex.: lavador
de ar.
Resfriamento e desumidificação: A redução da temperatura com transferência de calor é
acompanhada pela condensação de água, diminuindo a razão de mistura. Ex.: serpentina com
condensação.
Aquecimento simples: Operação contrária ao resfriamento simples, há o aquecimento do ar
mantendo a razão de mistura constante. Por consequência, há a redução da umidade relativa. Ex.:
aquecimento com resistência elétrica.
Umidificação simples: Aumento da razão de mistura com adição de vapor d’água, mas sem mudança
da TBS. Há aumento da umidade relativa e da TBU. Ex.: injetor de vapor.
Desumidificação e aquecimento: O aquecimento do ar é provocado pela redução da razão da
mistura devido à retirada de vapor d’água por elementos desumidificantes.
Umidificação e resfriamento não adiabático: A umidificação causa redução da temperatura, devido à
evaporação da água, além do aumento da razão de mistura e da umidade relativa. Ex.: umidificador de ar
ambiente.
TROCANDO IDEIAS
Após ter estudado esse conteúdo, tenho certeza que você poderá correlacioná-lo com alguma
situação do seu dia a dia. Divida sua experiência conosco no nosso fórum! Aproveite para nos contar a
respeito de sua conclusão em relação às questões levantadas na conversa inicial!
NA PRÁTICA
Torres de Resfriamento: uma aplicação das Psicrometria
Torres de resfriamento são equipamentos utilizados para resfriar a água utilizada nos processos
industriais, como fluido refrigerante. No início da era industrial, a água era coletada de rios próximos aos
locais de aplicação, passava pelos equipamentos de troca térmica e era despejada no mesmo rio sem
tratamento prévio. Esse tipo de operação é conhecido como circuito aberto. Ainda hoje é possível
encontrar alguma indústria que opere desse modo, porém as legislações ambientais estão bastante
rígidas em relação a isso, já que há a possibilidade de afetar a fauna e flora do meio aquático com a
elevada temperatura e os possíveis contaminantes. Inclusive, já se discute a possibilidade de cobrança do
efluente despejado, assim como é feito para a água coletada de rios e represas para aplicação industrial
em algumas regiões. Com essas restrições, a utilização do circuito aberto deixa de ser viável na maior
parte dos casos, aplicando-se então os circuitos semiaberto e fechado.
O circuito semiaberto é utilizado quando se necessitam de elevadas vazões de água de resfriamento,
sendo o sistema mais aplicado industrialmente. É caracterizado pelo reaproveitamento de toda água de
resfriamento circulante, a qual tem sua temperatura reduzida na torre de resfriamento pelo processo de
evaporação. A adição de água bruta é realizada continuamente para repor a massa de água evaporada
na torre, além de possíveisvazamentos. Embora o circuito semiaberto apresente vantagem na economia
de consumo de água, esse processo de evaporação ocasiona a concentração de sólidos e de sais
dissolvidos na água, os quais provocam depósitos e corrosão nos equipamentos de troca térmica. Por
isso, um tratamento da água se faz necessário com dispersantes, anti-incrustantes, anticorrosivos,
reguladores de pH, entre outros produtos químicos.
Basicamente, o resfriamento da água ocorre pelo seu contato direto com o ar atmosférico,
provocando a vaporização da água. A energia necessária para a mudança de fase é fornecida pela
própria água, que tem sua temperatura reduzida. Paralelamente, o ar se torna saturado em vapor d’água.
Conhecendo-se as propriedades do ar, verifica-se que a eficiência deste processo depende da umidade
relativa do ar de entrada, uma vez que esta propriedade está correlacionada à capacidade de o ar reter
mais ou menos vapor d’água. Em dias quentes e “secos”, facilitam a evaporação da água, resultando em
uma água de resfriamento mais fria. Em contrapartida, dias frios e chuvosos prejudicam o funcionamento
da torre de resfriamento, produzindo uma pequena redução na temperatura da água. Não são raras as
situações em que a temperatura final da água de resfriamento não é baixa o suficiente para manter a
eficiência dos trocadores de calor, prejudicando a produção industrial.
A figura abaixo representa uma torre de resfriamento de circuito semiaberto.
Figura 8: Torre de resfriamento de circuito semiaberto
Fonte: <http://www.termoparts.com.br/tp/informacao-24/biblioteca-tecnica-50/agua-de-resfriamento-porque-mante-la-limpa-
163.html>
A água a ser resfriada, após passar pelo processo industrial, é bombeada para o topo da torre de
resfriamento, sendo distribuída por bicos aspersores sobre o enchimento interno, também chamado de
recheio ou colmeia. O objetivo desse enchimento é aumentar a área de contato entre a água e o ar,
facilitando a transferência de calor entre eles. Por isso, é constituído por diversas placas, assemelhando-
se a uma colmeia de abelha. Exemplos de recheios estão representados nas fotos a seguir.
Figura 9: Exemplos de enchimento de torres de resfriamento
Fonte: <http://www.termoparts.com.br/tp/pecas-22/?osCsid="e76bb83db4263dcb70cf8903c1eb4de7">.
A água, após passar pelos recheios, é coletada em uma bacia na parte mais baixa da torre, onde é
tratada e recalcada para o processo industrial novamente. O ar atmosférico é adicionado à torre de
resfriamento com o auxílio de ventiladores (Figura 10) instalados na base (tiragem forçada) ou de
exaustores localizados no topo do equipamento (tiragem induzida). Sua entrada pode ser pela lateral dos
recheios (fluxo cruzado) ou pelo fundo da torre (fluxo contra corrente).
Aprenda mais sobre a influência da configuração do fluxo no funcionamento de uma torre em: <htt
p://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzad
a.pdf>.
Após trocar calor com a água nos recheios, esse ar úmido, praticamente saturado, é descartado pela
parte superior da torre de resfriamento.
Figura 10: Tipos de torre de resfriamento
http://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzada.pdf
http://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzada.pdf
http://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzada.pdf
http://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzada.pdf
http://www.alpinaequipamentos.com.br/pdf/torres-de-resfriamento-contracorrente-versus-corrente-cruzada.pdf
Fonte: <www.alpinaequipamentos.com.br>.
As torres de resfriamento são divididas em células, que correspondem a um ventilador/exaustor
cada. Para baixas vazões de água costuma-se utilizar as torres modulares de material plástico, que
podem ser aumentadas se houver necessidade. O projeto industrial de uma planta que necessita de alta
vazão de água de resfriamento já considera uma torre de resfriamento em concreto com maior número
de células.
Por último, é preciso abordar as torres de resfriamento utilizadas nos circuitos fechados. Esse
equipamento é utilizado quando a água de resfriamento não pode entrar em contato com o ar
atmosférico para não sofrer contaminação, como na indústria farmacêutica. Nesse caso, a torre de
resfriamento possui uma serpentina interna por onde passa a água a ser resfriada. Tal serpentina é
resfriada pelo fluxo de ar e/ou por sprays de água, que inclusive pode ser proveniente de um segundo
circuito de água de resfriamento independente.
Figura 11: Torre de resfriamento de circuito fechado combinado com circuito semiaberto
Fonte: <http://www.coolingtechpt.com/1-4-combined-wet-dry-cooling-tower/178467>.
Avaliando o funcionamento de uma torre de resfriamento
A atuação do engenheiro em uma indústria requer uma constante avaliação do funcionamento dos
equipamentos, visando à resolução de problemas existentes e à otimização do processo. Tendo isso em
vista, quando se trata de uma torre de resfriamento, é importante que o engenheiro conheça, ao menos,
sua operação básica para que tenha subsídio nas tomadas de decisão. Vamos resolver um exemplo
prático!
Exemplo: Um condensador de uma usina nuclear gera água de resfriamento a 35 °C, a qual precisa
ser resfriada em uma torre de resfriamento. Para isso, é utilizado ar atmosférico a 20 °C e 60% de
umidade relativa. Qual a temperatura final do ar saturado sabendo-se que foram adicionados 0,010
kgvapor/kgar seco?
Primeiramente precisamos saber qual a quantidade de vapor d’água contida no ar na sua condição
inicial utilizando a carta psicrométrica (em verde). Para isso, deve-se encontrar o valor de 20 °C na abcissa
(TBS) e traçar uma reta vertical até encontrar a curva referente a UR = 60%, definindo o ponto de estado.
A partir deste ponto, prolonga-se uma segunda reta horizontal para o lado direito até encontrar a
ordenada (w). Na ordenada verifica-se que o ar possui aproximadamente 0,0098 kgvapor/kgar seco na sua
condição inicial.
O problema especifica que sobre este valor foram adicionados 0,010 kgvapor/kgar seco, resultando,
portanto, em 0,0198 kgvapor/kgar seco. Voltando à carta psicrométrica (em vermelho), traça-se uma reta
horizontal para o lado esquerdo até encontrar a curva de saturação (UR = 100%). Nessa curva temos a
leitura da temperatura de saída do ar, TBU = TBS ≈ 24,5°C.
Figura 12: Carta psicométrica
SÍNTESE
Nesta rota aprendemos a respeito das propriedades do ar úmido, como elas são medidas e como
obtê-las em tabelas e gráficos. Verificamos o comportamento de alguns processos na carta
psicrométrica. Agora temos as ferramentas necessárias para compreendermos operações industriais
importantes, como refrigeração, condicionamento de ar, secagem e reaproveitamento de água de
resfriamento. Vemo-nos em breve!
REFERÊNCIAS
GORIBAR, R. H. Fundamentos de aire acondicionado y refrigeración. México, Limusa, 2009.
MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N. Fundamentals of Enginering Thermodynamics. 5. ed. USA, Wiley,
2006.