5. Processos de Condicionamento de Ar - Faculdade Pitágoras de Jundiaí

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
*
Faculdade Pitágoras de Jundiaí
Graduação 2º semestre de 2014
Curso: Engenharia Mecânica
Disciplina: Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Prof. Ricardo Boulos Elias
Jundiaí, 23 de setembro de 2014
*
*
*
*
Processos de condicionamento de ar
Aquecimento e Resfriamento Sensíveis
Resfriamento e Desumidificação
Umidificação:
Umidificação com aquecimento: Umidificação por injeção de vapor
Umidificação adiabática: Umidificação por injeção de água
Mistura adiabática de duas correntes de ar úmido
Torres de resfriamento
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Hipóteses Simplificadoras
O volume de controle opera em regime permanente
Variações na Energia Cinética e Potencial são desprezíveis
 
As correntes de ar úmido entrando e saindo são consideradas como misturas de gases ideais
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para a água: 
Com e 
Para a água: 
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
Balanço de energia:
A entalpia do vapor d’água (hv) pode ser tomada como a entalpia do vapor saturado (hg) correspondente às temperaturas T1 e T2, respectivamente:
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
Com e
O Balanço de Energia pode ser dado como:
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
Com 
O Balanço de Energia pode ser dado como:
O primeiro termo sublinhado é avaliado com base nas Tabelas das Propriedades do Ar como Gás Ideal, ou através da formulação da Entalpia do Ar Seco:
Calor específico a pressão constante do ar seco: 1,005 kJ/kga K
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia em Sistemas de Condicionamento de Ar
O Balanço de Energia pode ser dado como:
O segundo termo sublinhado é avaliado com base nas Tabelas das Propriedades do Vapor, juntamente com os valores conhecidos de 1 e 2 .
*
*
*
Sistemas de condicionamento freqüentemente aquecem ou resfriam uma corrente de ar úmido sem variar a quantidade de vapor presente.
São processos onde a taxa de transferência de calor provoca somente uma variação da temperatura de bulbo seco, não ocorrendo variação na umidade absoluta.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Aquecimento e/ou Resfriamento Sensíveis
*
*
*
A umidade  permanece constante ao passo que a umidade relativa e outros parâmetros do ar úmido variam;
Estes processos são representados por retas horizontais na carta psicrométrica.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Aquecimento e/ou Resfriamento Sensíveis
*
*
*
Para o aquecimento sensível:
Para o resfriamento sensível:
Como a entalpia do ar úmido é dada por unidade de massa de ar seco, devemos considerar nos cálculos o fluxo de ar seco.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Aquecimento e/ou Resfriamento Sensíveis
*
*
*
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Balanço de Massa e Energia no Aquecimento e/ou Resfriamento Sensíveis
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para a água: 
Balanço de energia:
*
*
*
Se o ar úmido for exposto a uma superfície de troca de calor com temperatura inferior à sua temperatura de orvalho, ocorrerá condensação de vapor d’água.
Neste caso, ocorre uma redução da sua temperatura de bulbo seco e também da sua umidade absoluta.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Resfriamento e Desumidificação do Ar Úmido
*
*
*
Resfriamento sensível do estado 1 até 2’ (com razão de umidade constante)
Resfriamento de 2’ até o estado final 2 pela linha de saturação (com conseqüente diminuição da razão de umidade)
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Resfriamento e Desumidificação do Ar Úmido
	
Supondo que todo o ar entre em contato com a superfície do trocador de calor, podemos interpretar o processo em duas fases:
*
*
*
O ponto 2’ representa a temperatura de orvalho do ar úmido que entra no dispositivo, enquanto o ponto 2, na curva de saturação, representa tanto o estado do ar úmido como da água líquida condensada durante o processo;
A temperatura T2 é conhecida como ponto de orvalho do equipamento ou temperatura média da superfície da serpentina.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Resfriamento e Desumidificação do Ar Úmido
*
*
*
Resfriamento e desumidificação do ar úmido
Na realidade, como nenhuma serpentina é 100% eficiente, apenas uma parte do ar úmido admitido na secção de entrada, entra em contato com a superfície de troca de calor a td (temperatura de orvalho da serpentina), atingindo a condição de saturação.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Resfriamento e desumidificação do ar úmido
A outra parte do ar, que não entrou em contato com a serpentina, atravessará o volume de controle sem sofrer alteração em seu estado. 
Assim, nos trocadores reais, o estado do ar úmido na seção de saída é uma mistura de uma parte do fluxo de ar que está no estado d com outra parte do fluxo que está no estado 1.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
 A razão h/ fixa a direção do processo combinado de troca de calor e massa.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Resfriamento e Desumidificação do ar úmido
*
*
*
Resfriamento e Desumidificação do ar úmido
Fator de Contato da Serpentina (): 
É expresso pela relação entre a massa de ar que entra em contato com a serpentina e a massa total de ar
O parâmetro (1- ) é denominado como fator de by-pass e representa a razão entre a massa de ar que não entrou em contato com a serpentina de resfriamento e a massa de ar total atravessando a serpentina.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
O ar úmido que deixa o desumidificador encontra-se saturado a uma temperatura inferior à da mistura do ar que entra e a corrente de ar úmido em tais condições pode ser inapropriada para o uso direto em ambientes habitados.
Assim, faz-se a corrente de ar atravessar por uma seção de aquecimento, para levar o ar a uma condição em que a maioria das pessoas o consideraria confortável.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
Resfriamento e Desumidificação do ar úmido
*
*
*
Resfriamento e Desumidificação do ar úmido
O ar úmido primeiro se resfria a partir do estado 1 (T1, 1, 1) até o estado 2, onde a mistura é saturada (2 = 100%), T2 < T1 e a umidade 2 < 1.
Durante o processo de aquecimento subseqüente, a umidade permanece constante 2 = 3 e a temperatura se eleva até T3.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia no Resfriamento e Desumidificação do Ar Úmido
Balanço
de massa:
Para o ar seco: 
Para a água:
Com e
Para o condensado: ;
Na seção de aquecimento: 
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia no Resfriamento e Desumidificação do Ar Úmido
Balanço de energia:
mr é a massa de refrigerante que circula na serpentina
hi é a entalpia específica do fluido refrigerante na entrada da serpentina
he é a entalpia específica do fluido refrigerante na saída da serpentina
Como o condensado na saída é admitido como líquido saturado, hw = hf2
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Umidificação
Freqüentemente é necessário aumentar a umidade do ar que circula em ambientes habitados;
A temperatura do ar úmido que deixa o umidificador depende das condições da água que está sendo adicionada.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Umidificação por injeção de vapor
Quando o vapor é injetado a uma temperatura relativamente elevada, tanto a umidade quando a temperatura de bulbo seco aumentam.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Umidificação por Injeção de Vapor
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para a água:
Com e
Para o vapor: ;
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Umidificação por Injeção de Vapor
Balanço de energia:
ou
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Umidificação por injeção de água líquida
Água líquida pode ser nebulizada no ar, assim o ar úmido poderá sair do umidificador com uma temperatura inferior à da entrada.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Resfriamento Evaporativo
O resfriamento do ar em regiões de clima quente e relativamente seco pode ser efetuado através da técnica do resfriamento evaporativo.
Este processo envolve a nebulização de água líquida no ar, ou a passagem forçada do ar através de painéis mantidos completamente cheios de água.
A umidade adicional transportada pela corrente de ar úmido na saída é normalmente benéfica;
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Resfriamento Evaporativo
Devido à baixa umidade do ar úmido entrando no estado 1, parte da água injetada se evapora.
A energia necessária para a evaporação é fornecida pelo ar, que tem sua temperatura reduzida e sai no estado 2 com uma temperatura inferior à da corrente de entrada.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Equipamentos para Resfriamento Evaporativo
Lavador de ar de painéis úmidos
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Equipamentos para Resfriamento Evaporativo
Lavador de ar com sistema de dispersão de líquido rotativo
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Equipamentos para Resfriamento Evaporativo
Lavador de ar com coluna de aspersão
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Equipamentos para Resfriamento Evaporativo
Lavador de ar com coluna de aspersão
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Equipamentos para Resfriamento Evaporativo
Lavador de ar com células capilares
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Umidificação por Injeção de Água Líquida
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para a água:
Com e
Para o vapor: ;
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Umidificação por Injeção de Água Líquida
Balanço de energia:
			ou
hf é a entalpia específica da água que entra no volume de controle
O termo sublinhado representa a energia transportada com a água líquida injetada. Esse termo é muito menor em magnitude que os dois termos associados à entalpia do ar úmido, assim, o resfriamento evaporativo ocorre a uma temperatura próxima da temperatura de bulbo úmido constante.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Mistura adiabática de duas correntes de ar úmido
Em sistemas de ar condicionado, é comum a mistura de duas correntes de ar;
O objetivo é determinar a vazão e o estado do escoamento de saída para vazões e estados especificados de cada um dos escoamentos de entrada.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Mistura Adiabática de duas Correntes de Ar
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para o vapor d’água:
Com 
Para o vapor d’água: 
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia na Mistura Adiabática de duas Correntes de Ar
Balanço de energia:
Admitindo e desprezando os efeitos das energias cinética e potencial, o balanço da taxa de energia em regime permanente reduz-se a:
Onde as entalpias do vapor d’água na entrada e na saída são avaliadas como valores de vapor saturado nas respectivas temperaturas de bulbo seco.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Torres de Arrefecimento
Constituem alternativas para fornecer o resfriamento de água;
Operam por convecção natural ou forçada;
Arranjos de escoamento em contracorrente, concorrente, cruzado ou em combinação destes.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Torres de Arrefecimento
Água quente a ser resfriada entra em (1) sendo atomizada
A gotas da água descem através de chicanas, que auxiliam na promoção da evaporação
Ar atmosférico é aspirado em (3) pelo ventilador em (4) apresenta um movimento ascendente
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Torres de Arrefecimento
Com a interação entre os fluidos, uma pequena parcela da água evapora sendo adicionada ao ar úmido
A energia necessária à evaporação é fornecida principalmente pela corrente de água que entra e não evapora, o que leva a temperatura da água que sai em (2) a ser inferior à temperatura da água que entra em (1)
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Torres de Arrefecimento
Uma quantidade equivalente da água evaporada e adicionada ao ar úmido é reposta em (5) para que a vazão em massa da água de retorno seja igual á vazão em massa da água aquecida que entra em (1)
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia em Torres de Arrefecimento
Balanço de massa:
Para o ar seco: 
Para a água:
Como , . Com e 
Para a água: 
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa
e Energia em Torres de Resfriamento
Balanço de energia:
Admitindo e desprezando os efeitos das energias cinética e potencial, o balanço da taxa de energia em regime permanente reduz-se a:
Onde as entalpias do vapor d’água na entrada e na saída são avaliadas como valores de vapor saturado nas respectivas temperaturas de bulbo seco.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Balanço de Massa e Energia em Torres de Resfriamento
Balanço de energia:
Introduzindo , , e :
Onde as razões de umidade podem ser obtidas através da pressão parcial do vapor d’água obtida com a umidade relativa correspondente.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Processos de Condicionamento de Ar
*
*
*
Referências Bibliográficas:
HYLAND, R. W., WEXLER, A. Formulations for the thermodynamic properties of dry air from 173.15 k to 473.15 k, and of saturated moist air from 173.15 K to 372.15 K, at pressures to 5 MPa. ASHRAE Transactions, 1983, p. 520-535.
HYLAND, R.W. e WEXLER, A. (1983). Formulations for the thermodynamic properties of the saturated phases of H2O from 173.15 K to 473.15 K. ASHRAE Transactions 89 (2A): 500-519.
THRELKELD, J. L. Thermal Environmental Engineering. 2ª. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, Inc., 1970.
MORAN, M. J., SHAPIRO, H. N., MUNSON, B. R., DEWITT, D. P. Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2005.
MOREIRA, J. R. S. Fundamentos e Aplicações da Psicrometria. RPA Editorial, 1999.
TORREIRA, R. P., Elementos Básicos de Ar Condicionado, RPA Editorial, 1ª Edição, 2004.
Refrigeração, Ar condicionado e Ventilação
Noções de Conforto térmico
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
*
Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação