Processos psicrometricos expandido

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 Os processos com o ar úmido podem ser representados graficamente em uma carta 
psicrométrica, onde podem ser facilmente interpretados. A carta também pode ser utilizada para a 
determinação da variação das propriedades, tais como temperatura, umidade absoluta, entalpia, etc, 
que ocorrem nos processos. 
 Para todos os processos considerados, a condição será a de regime permanente, com a 
pressão total sendo considerada constante através de todo o processo. Alguns dos processos básicos 
são apresentados a seguir: 
 
$48(&,0(172�(�5(6)5,$0(172�6(16Ë9(,6�
 
 São processos onde a taxa de transferência de calor provoca somente uma variação da 
temperatura de bulbo seco, não ocorrendo variação na umidade absoluta. Estes processos são 
representados por retas horizontais na carta psicrométrica. 
 Para o aquecimento sensível, a 
conservação da energia produz: 
 
Q� �P � ��K� �K � �� �P ��� �&S ��� ��7� �7 � ������ 
 
 Para o resfriamento sensível: 
 
Q� �P � ��K � �K� ��� ��P ��� �&S ��� ��7 � �7� � 
 
 Como a entalpia do ar úmido 
está dada por unidade de massa de ar seco, 
devemos considerar nos cálculos o fluxo de 
ar seco. 
 
 
 
 
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5(6)5,$0(172�(�'(680,',),&$d­2�'2�$5�Ò0,'2�
 
 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. 
 Supondo que todo o ar entre em contato com a superfície do trocador de calor (o que 
obviamente não ocorre na realidade), podemos interpretar o processo em duas fases, conforme 
mostrado na figura: 
 a) Resfriamento sensível do estado 1 até 2’(com razão de umidade constante). 
 
 b) Resfriamento de 2’até o estado final 2 pela linha de saturação (com consequente 
diminuição da razão de umidade). 
 
 
 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 SRQWR�GH�RUYDOKR�GR�
HTXLSDPHQWR�RX�WHPSHUDWXUD�PpGLD�GD�VXSHUItFLH�GD�VHUSHQWLQD. 
 
 Fazendo um balanço de massa e energia no volume de controle considerado, temos: 
 
 
ma1 = ma2 = ma (para o ar seco) 
 
 
ma1.W1 = ma2.W2 + mw ⇒ mw = a.(W1 - W2) (para a água) 
 
 
ma1.h1 =ma2.h2 + Q + mw.hw ⇒ Q = ma.(h1 - h2) - mw.hw ⇒ 
 
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23
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4 ∆
∆
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 3 
 
 
 
A razão h/ W, chamada razão entalpia/umidade, fixa a direção do processo combinado de troca 
de calor e massa. 
 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 
da superfície molhada ou temperatura de orvalho da serpentina), atingindo a condição de saturação 
d, conforme o equacionamento acima. Neste modelo, 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. 
 
 
 
 4 
 
 Define-se um parâmetro , chamado Fator de Contato da Serpentina, que dá a relação entre 
a massa de ar que entra em contato com a serpentina e a massa total de ar, assim como a relação 
entre a variação de entalpia real e a máxima (ideal): 
 
� � � �P ��5 �P � � � ��K � ���K� ���K � �±�K 5 �� ��W � �W� ���W � �W 5 �� 
 
 Onde h2R é a entalpia específica do ar úmido no estado real de saída sa serpentina. 
 Com esse parâmetro, geralmente fornecido pelo fabricante, podemos determinar o estado 
real do ar úmido na secção 2. 
 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. Obtenha a expressão para o fator de by-pass a partir dos balanços de 
massa e energia no volume de controle acima. 
 
80,',),&$d­2�$',$%È7,&$�'2�$5�Ò0,'2 
 
 A umidificação adiabática consiste na adiçao de umidade sem troca de calor sensível. A 
umidade pode ser adicionada tanto na forma de água como na forma de vapor. 
 
� ,1-(d­2�'(�È*8$� 
 
 Analisaremos o caso mais simples e que permite uma melhor visualização do processo de 
mudança do estado do ar atmosférico sujeito à umidificação por injeção de água, onde toda a água 
injetada é evaporada (nem mesmo caindo na base para ser recirculada ou esgotada). 
 A figura abaixo mostra o que acontece quando ocorre evaporação total. O ar entra na 
câmara de aspersão no estado A e sai num estado B, que estará tanto mais próximo da linha de 
saturação quanto maior a quantidade de água injetada, e terá uma inclinação variável em alguns 
graus conforme a temperatura da água injetada Tw. 
 Realizando-se um balanço de massa e energia obteremos: 
 
 
ma.WA + mw = ma.WB 
 
 
ma.hA + mw.hw = ma.hB 
 
 
 
 
 5 
 Dessas equações, podemos tirar algumas conclusões rápidamente: 
 - Se a temperatura da água injetada for 0°C não haverá variação na entalpia do ar úmido, 
uma vez que, utilizamos como referência para a entalpia o estado da água líquida a 0°C, assim, hl = 
0, e portanto o processo é isoentálpico, seguindo a linha A-B1. 
 - Se a temperatura da água injetada for igual à temperatura de bulbo úmido do ar 
atmosférico no estado A, a mudança de estado ocorrerá ao longo da linha de Tbu constante, 
seguindo a linha A-B2. 
 - A figura ainda apresenta a linha de processo quando a água injetada é liquido saturado a 
100°C, indicada pela linha A-B3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Em geral, a linha de operação A-B, estará localizada entre as duas linhas limites A-B1 (Tw = 
0°C) e A-B3 (Tw =100°C), que têm uma inclinação relativa de apenas 7°. Assim, na prática, pode-se 
assumir sem grandes erros, que a mudança de estado segue a linha de temperatura de bulbo úmido 
constante (localizada entre as duas linhas limite). Cabe observar que estamos supondo evaporação 
total da água injetada, e que quanto mais quente a água, mais rápida será a taxa de evaporação, 
portanto para a água fria, o dispositivo de aspersão deverá ser muito mais sofisticado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 6 
 
Resfriamento evaporativo: 
 
 
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 Assim como na injeção de água, a injeção de vapor pode ser tratada considerando-se os 
balanços de massa e energia, supondo que não haja condensação de vapor, temos: 
 
 
ma.WA + mv = ma.WB 
 
 
 
ma.hA +m v.hv = ma.hB 
 
 Se o estado inicial do fluxo de ar úmido e do vapor forem conhecidos, então o estado final 
do ar pode ser determinado. 
 A mudança de estado se realiza quase que ao longo de uma linha de temperatura de bulbo 
 
 
 
 7 
seco constante, conforme mostra a figura a seguir. 
 As duas linhas limite 
assinaladas no processo indicam a 
injeçãode vapor saturado a 1 bar 
(correspondendo à temperatura de 
100°C) e a 30 bar (correspondendo 
à máxima entalpia do vapor 
saturado). O deslocamento angular 
entre essas linhas é de cerca de 4°. 
Pode-se injetar vapor gerado a uma 
temperatura mais baixa, proveniente 
de um banho de água quente, que 
não estivesse em ebulição, neste 
caso, o desvio da linha de 
temperatura de bulbo seco seria 
ainda menor. 
 Em oposição ao Calor 
Sensível, onde há uma variação da temperatura de bulbo seco sem variar a umidade absoluta 
(processo de aquecimento ou resfriamento sensível), onde a linha de processo é horizontal, 
costuma-se chamar o processo de umidificação por injeção de vapor de Calor Latente, pois ele varia 
a razão de umidade sem variar a temperatura de bulbo seco, resultando em uma linha de processo 
vertical na carta psicrométrica. 
 
Representação do processo de umidificação do ar 
 
Onde SHR (sensible heat ratio) ou fator de calor sensível (SHF) representa a razão entre o ganho de 
calor sensível e o ganho de calor total no processo considerado. Ele define a linha do processo. 
 
 
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 No inverno, o ar atmoférico precisa ser aquecido e umidificado antes de ser introduzido no 
ambiente condicionado. Mesmo no verão, ao passar pelo ambiente condicionado, o ar absorve calor 
e umidade do mesmo, passando pelo mesmo processo. 
 Este processo, representado na figura abaixo, pode ser interpretado como um aquecimento 
sensível até a temperatura de bulbo seco T2 e depois um aquecimento latente até o estado final. O 
calor latente não aumenta a temperatura de bulbo seco do ar, somente a razão de umidade, fazendo 
com que a água introduzida torne-se o próprio vapor d’ água atmosférico. 
 Um balanço de massa e energia, de forma análoga ao feito para o resfriamento e 
desumidificação resulta: 
 
 
 
ma1 =ma2 =ma (para o ar seco) 
 
 
ma1.W1 + mw = ma2.W2 ⇒ mw = ma.W - W1) (para a água) 
 
 
ma1.h1 + Q + mw.hw = ma2.h2 ⇒ Q + mw.hw = ma.(h2 - h1) 
 
 A razão entalpia/umidade também é valida para esse processo. 
 
 
� 0,6785$�$',$%È7,&$�'(�'8$6�&255(17(6�'(�$5�Ò0,'2�
 
 Mistura de duas correntes de ar é um processo muito comum em condicionamento de ar. O 
esquema do processo e sua representação na carta psicrométrica estão esquematizados abaixo: 
 
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 Aplicando-se a equação da conservação da massa: 
 a) Para o ar seco: 
 
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 b) Para o vapor d’ água: 
 
� � P � � �: � �P � � �:� � P �@? �:? �Ÿ�P � � �: � �P � � �:� � �P � � �P � � ��:? � �
 
 
 
 E a equação de conservação da energia: 
 
P � � �K � �P � � �K� � �P �@? �K? �Ÿ�P � � �K � �P � � �K� � �P � � �P � � ��K? � � 
 
 onde ma1; ma2 e ma3 são as vazões mássicas de ar seco 
 h1 ; h2 e h3 são as entalpias do ar úmido 
 
 As equações acima mostram que tanto a razão de umidade como a entalpia do estado final 3 
são as médias ponderadas entre as razões de umidade e entalpias dos estados 1 e 2. Além disso, 
utilizando a semelhança de triângulos, podemos dizer que: 
 
 
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 10 
P � � �K � ����P � � �P � � ��K? � ��P � � �K� � dividindo-se por ma1: 
 
 Da mesma forma, para a razão de umidade: 
 
 Assim, podemos dizer que a relação entre as medidas dos segmentos 1-3 e 3-2 na carta 
psicrométrica é idêntica à relação entre as vazões ma2/ma1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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P �K�K�
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B
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�� Na figura acima, o ar deve estar frio e seco suficientemente para absorver o ganho total de 
calor da sala. O estado 2, representa o estado do ar da sala, escolhido em função da condição interna 
recomendada para o ambiente considerado. O estado do ar insuflado (estado 1) deve estar sobre a 
linha de processo da sala (SHR sala), que representa os estados do ar desde o insuflamento até o 
estado do ar no interior da sala (estado 2). Quanto mais próximo o estado 1 estiver do estado 2, 
significa que será necessário maior vazão de ar para absorver a carga térmica gerada na sala e 
portanto maior será a potência dos ventiladores. 
 
Carga térmica = carga térmica sensível + carga térmica latente 
 
Q = ΣQS + ΣQL 
 
Q = ma.(h1-h2) 
 
 Além disso, no projeto são feitas as seguintes hipóteses: 
- O estado do ar no interior da sala é uniforme; 
- Não existe entrada de ar exterior (ma1 = ma2); 
 Na falta de dados, muitas vezes também é necessário utilizar-se de recomendações 
propostas na ASHRAE como: 
- Ar insuflado deve estar cerca de 8 a 10oC abaixo da temperatura da sala para o caso de ar 
condicionado de resfriamento; 
- Após a serpentina de resfriamento a umidade relativa do ar está em torno de 90%. 
 
 
 
 
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Onde q’ representa a razão entre a variação de entalpia e a variação de razão de umidade no 
processo sofrido pelo ar, ou seja, também fornece a linha de processo. 
 
Sistema de condicionamento de ar - zona simples 
 
Ar condicionado de aquecimento: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 13 
 
Ar condicionado de resfriamento: 
 
 
Ar condicionado de resfriamento com by-pass de ar recirculado: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Ar condicionado de resfriamento com serpentina de reaquecimento: 
 
 
 
Sistema de resfriamento evaporativo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Sistema com recuperação de energia do ar de exaustão: 
 
 
 
Sistema de condicionamento de ar - zonas múltiplas 
 Ar condicionado de resfriamento com reaquecimento terminal: 
 
 
 
5()(5Ç1&,$6�%,%/,2*5È),&$6��
- Apostila didática do curso de Controle Térmico de Ambientes, Halász, J.Z. e Martins, G. 
- Stoecker,W. e Jones,J.; Refrigeração e ar Condicionado.