Condensadores em Refrigeração e Climatização

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Disciplina : CCE0317 – Refrigeração e Climatização
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Curso : 841 - Engenharia Mecânica
7ª Aula
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CONDENSADORES
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CONDENSADORES
Os condensadores são trocadores de calor onde ocorre a condensação do refrigerante. 
Todos os ganhos de calor de um sistema de refrigeração devem ser rejeitados no condensador.
 
Sendo portanto sua função básica liquefazer o fluido refrigerante.
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Capacidade dos Condensadores
O calor total a ser rejeitado pelo condensador consiste no calor ganho no processo de refrigeração mais o calor adicionado ao refrigerante pela operação do equipamento frigorífico . 
O calor gerado em comprimir o gás refrigerante, o calor de fricção do compressor e no caso de compressor hermético e semi-hermético o calor gerado pelos enrolamentos do motor
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A seleção consiste em escolher um condensador com capacidade de rejeição de calor total do sistema. 
Como a rejeição varia conforme o compressor recomenda-se que as curvas de capacidades do fabricante sejam utilizados quando possível para a determinação da relação de rejeição de calor.
Na falta destes dados utilize o gráfico a seguir, o qual apresenta os valores típicos da relação de rejeição de Calor no condensador em função das temperaturas de condensação e evaporação. 
O gráfico é válido para refrigerantes R-12 e R-22.
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Tipos de Condensadores
Os três tipos de condensadores em uso na refrigeração industrial e no condicionamento de ar são:
- Resfriados a água
- Resfriados a ar
- Evaporativo
A água utilizada nos condensadores deve ser limpa e não corrosiva. 
Para garantir essas condições e evitar estragos no equipamento, recomenda-se filtrar e tratar quimicamente a água.
Os tipos principais de condensadores a água são:
 Duplo tubo
"Shell and tube"
"Shell and Coil"
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Condensadores resfriados a água de Duplo Tubo
O duplo tubo é usado para sistemas até 7,5 TR (toneladas de refrigeração). 
Os condensadores desse tipo são fabricados com tubos de cobre ou aço. 
O duplo tubo consiste num tubo dentro do outro. 
Normalmente a água corre no tubo de menor diâmetro. 
No outro corre o refrigerante.
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Condensadores resfriados água de Carcaça e Tubo
 (Shell and Tube)
Este tipo de condensador é usado somente para grandes instalações frigoríficas. 
Consiste num recipiente cilíndrico, no qual circula água através de uma tubulação em forma de serpentina. 
A água, ao circular, retira o calor do fluido, condensando-o.
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Condensadores resfriados água de Carcaça e Tubo
 (brazado)
O refrigerante se condensa 
escoando no sentido descendente ao passo que 
a água circula no sentido ascendente.
A água aquecida pela condensação do refrigerante é circulada por bombas através de uma torre de resfriamento, de onde retorna ao condensador
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Condensadores resfriados água de Carcaça e Serpentina (Shell and Coil)
Um condensador de carcaça e serpentina não é mais do que uma serpentina de cobre montada dentro de uma carcaça de aço. 
A água passa através da serpentina e o gás refrigerante vindo do compressor é descarregado dentro da carcaça para se condensar no exterior dos tubos frios.
 Em muitos projetos, a carcaça serve também como receptor de líquido.
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Quantidade de Água em Circulação
Num condensador resfriado a água : Q = m. 4,19 T  m = Q / 4,19. T
m = massa de água kg / h
Q = calor transferido da refrigerante para água
T = diferença da temperatura da água na entrada e saída do condensador
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Condensador Evaporativo
esquema
A capacidade do condensador evaporativo é função da temperatura de bulbo úmido do ambiente, enquanto que a capacidade de um condensador a ar é função da temperatura de bulbo seco.
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Condensadores a ar
Os condensadores a ar podem ser de dois tipos: 
com ou sem circulação forçada a ar. 
Consiste em tubos de cobre ou de aço aletados, no interior dos quais circula o refrigerante. 
O ar ambiente, circulando através do mesmo, troca calor com o refrigerante, condensando-o.
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Uma vantagem desses condensadores é a de dispensarem a água. 
Outras vantagens:
a) Custo inicial baixo;
b) Reduzido custo de manutenção.
Desvantagens:
Necessitam de grandes volumes de ar, cuja movimentação produz muito ruído;
b) Custo operacional elevado, pois o compressor absorve mais energia;
c) A eficiência diminui quando a temperatura ambiente aumenta;
d) Problemas de funcionamento inicial nos climas frios. 
É comum o equipamento desarmar por baixa pressão, devido ao excesso de condensação.
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Coeficiente Médio de Transferência de Calor
O coeficiente de transferência de calor médio, extensivo a superfície
hc = transferência de calor médio (W/m2 ºC)
g = aceleração da gravidade = 9,81 m s-2
= densidade do condensado (Kg . m-3)
hlv = calor latente de vaporização do vapor (kJ/kg)
k = condutividade térmica do condensado (W / m ºC)
= viscosidade dinâmica do condensado (Pa. s)
T = diferença entre as temperaturas do vapor e da superfície da placa
N = número de tubos
D = diâmetro dos tubos verticais
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Tabela 8.1 - Coeficientes de transferência de calor para a condensação no exterior de bancos de tubos horizontais de diversos refrigerantes. 
Temperatura de condensação de 30°C, 6 fileiras de tubos de 25 mm diâmetro na vertical e t de 5ºC.
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Coeficiente Global de Transferência de Calor
O coeficiente global de transferência de calor para um condensador é a constante de proporcionalidade que quando multiplicada pela área de troca de calor e pela diferença média de temperatura entre os fluidos fornece a taxa de troca de calor. 
As expressões para o coeficiente global de transferência de calor são:
q = Ue . Ae . (Te – Ti)  externa
q = Ui . Ai . (Te – Ti)  interna
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q = taxa de transferência de calor (W)
he = coeficiente de troca de calor na superfície externa do tubo (W / m2 .K)
Ae = área externa do tubo (m2)
Te = temperatura do refrigerante (ºC)
k = condutibilidade térmica do tubo (W / m. K)
x = espessura do tubo
Ti = temperatura da água (ºC)
Am = área circunferencial média do tubo (m2)
Ai = área interna do tubo (m2)
hi = coeficiente de transferência de calor na superfície interna do tubo W / m2.K)
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Diferença Média Logarítmica de Temperatura
A distribuição de temperatura ao longo do condensador é relativamente complexa, em virtude do ocorrência de regiões em que o refrigerante se encontra no estado de vapor superaquecido e de líquido condensado subresfriado. 
Para se obter a diferença de temperatura mais próxima do real, calcula-se a diferença média logarítmica de temperatura:
Tc = temperatura de condensação
Te = temperatura de saída do fluido de resfriamento
Ti = temperatura de entrada do fluido de resfriamento
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Dimensionamento de Condensadores
Geralmente seleciona-se um condensador a partir de um catálogo de fabricante, mas algumas vezes temos que dimensioná-lo. 
Então as fórmulas a seguir podem ser utilizadas para determinar a área do condensador:
(fórmula prática)
 
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Relação de Rejeição de Calor
R-12 e R-22
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Desempenho de condensadores resfriados a ar e a água
q
= taxa de transferência de calor , kW
UA = produto do coeficiente global pela área de transferência de calor, kW / º C
tc = temperatura de condensação do refrigerante, º C
te = temperatura da água de entrada, º C
ts = temperatura da água na saída, º C
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Observação :
com o uso e a 
possibilidade de 
formação de 
películas de óleo
espessa os valores 
registrados podem 
sofrer reduções de 
até 30% 
CN = circulação normal
CF = circulação forçada
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As incrustações reduzem a capacidade de condensação de 25 %. 
O usuário, em geral, não é seriamente prejudicado por tal redução de capacidade, uma vez que os dados catálogo já incluem um fator de incrustação, cujo valor deve ser informado pelo fabricante. 
Finalmente, é ímportante enfatizar que a formação de incrustações causada pela água de resfriamento pode ser minimizada pela limpeza periódica dos tubos, o que , além disso, permite manter em níveis elevados o desempenho do condensador.
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Exemplo
Considere um sistema de refrigeração operando com R134a com pres­sões de descarga de 1.000 kPa e de sucção de 200 kPa. 
A condensação do sistema é a água. 
Para tanto, o consumo de água no condensador é de 3,5 litros por segundo, sendo a temperatura de entrada da água 25°C e de saída de 32°C 
A sucção ocorre com 5°C de superaquecimento ocorrido em um 
trocador de calor localizado após o evaporador. 
A temperatura de fluido re­frigerante na saída do condensador é de 35°C
Calor específico da água líquida : 4,19 kJ/kg.K
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Utilizando o método gráfico, calcular a capacidade de refrigeração do sistema e a potência de refrigeração. 
A figura 7.24 ilustra o problema.
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Para se calcular a capacidade de refrigeração para o sistema, parte-se 
de balanços de energia no evaporador e no condensador. 
As entalpias devem ser encontradas de forma gráfica no diagrama pressão versus entalpia para o R134a, representado na figura 7.24. 
Observe que na definição da capacidade de refrigeração, considera-se a entalpia maior aquela obtida ao final da satura­ção, quando o fluido refrigerante terminou sua mudança de fase.
 
Analisando os pontos marcados no diagrama pressão versus entalpia, pode-se escrever.
Qe = m (h1 – h4’ )
Qc = m (h2’ – h3 )
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Ponto l' = h = 400 
(kJ /kg)	
Ponto 1 = hvapor = 390 (kJ /kg)
Ponto 2' = h = 435 
(kJ /kg)	
Pontos 3' e 4' = 250 
(kJ /kg)
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Para a realização do cálculo, necessitamos do fluxo de massa de fluido 
refrigerante. 
Esse pode ser obtido a partir das informações da condensação. 
Observamos que o calor liberado pelo fluido refrigerante é igual ao calor 
re­cebido pela água no condensador. Logo, temos:
		Qc = Qágua = mag . cag . Tag = 3,5 . 4,19 . (32 – 25) = 102,65 kW
O fluxo de massa teórica de fluido refrigerante é determinado aplicando-s
um balanço energético no condensador :
		m = Qc / (h2’ – h3’ ) = 102,55 / (435 – 250) = 0,55 kg/s
Logo, a capacidade de refrigeração é dada por :
		Qe = m . (h1 – h4’ ) = 0,55 . (390 – 250) = 77 kW 
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A potência teórica de compressão é dada por :
		Wc = m . (h2’ - h1’ ) = 0,55 . (435 – 400) = 19,2 kW
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EVAPORADORES
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Evaporadores
São trocadores de calor onde ocorre a evaporação do refrigerante, ou seja, onde o líquido refrigerante evapora, absorvendo calor com esta mudança de estado. 
Na maioria dos evaporadores utilizados em refrigeração o refrigerante muda de fase ocorre nos tubos e refrigera o fluído que passa por fora dos tubos.
Evaporador de Expansão direta  a retirada de calor e feita diretamente 		pelo fluido frigorígeno
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· Evaporador inundado
É aquele no qual é mantido determinado nível de liquido no seu
interior, por meio de uma válvula de bóia.
Funcionamento – 
a válvula de bóia mantém constante o nível do, mais liquido é admitido pela válvula. 
Isto resulta que o interior do evaporador fica cheio de liquido até o nível determinado pela bóia; a circulação do refrigerante através do evaporador
é feita por gravidade. 
O gás evaporado é aspirado então pelo compressor
Evaporadores de Expansão Direta
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Neste tipo, a admissão de refrigerante é feita por meio de uma válvula de expansão ou de um tubo capilar. 
A válvula de expansão
termostática permite passar apenas a quantidade de refrigerante requerida
Evaporador seco
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Evaporador de tubos lisos
São fabricados em aço ou em cobre. 
Os fabricantes com tubos de aço são empregados em grandes instalações, principalmente com amônia. 
Os construídos com tubos de cobre prestam-se principalmente para resfriamento de líquidos.
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Evaporador de tubos aletados
São fabricados com tubos de cobre ou aço. Estes tubos recebem aletas que têm a função de aumentar a eficiência da troca de calor entre o evaporador e o fluído a ser resfriado. As aletas são de cobre, alumínio ou aço. 
As aletas podem ser soldadas aos tubos ou então são juntadas aos tubos e estes sofrem uma expansão, permitindo um perfeito contato do tubo com aleta.
Importante - o evaporador que estiver com as aletas frouxas, isto é, sem um bom contato com o tubo, está trabalhando com baixa
eficiência. Deve ser reparado imediatamente.
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Evaporador tipo Tubo e Carcaça (Casco Tubo):
São semelhantes aos condensadores deste tipo. 
Podem ser tipo seco ou inundado.
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Como exemplo podemos citar o evaporador de uma geladeira doméstica. 
Consistem em 2 placas que são unidas de forma a permitir o fluxo do refrigerante entre elas.
- Evaporadores de placas de 	pequena capacidade.
Evaporadores de placas de 
	grande capacidade.
Evaporador de placas
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 O trocador de calor brazado não contém juntas de borracha e pode, assim, operar continuamente em temperaturas de menos 180° C. até 200° C, podendo inclusive atingir pressões de trabalho de até 30 kgf/cm².
Consistem de uma série de placas de aço inox (ou outros matérias conforme necessidade do processo) intercaladas com finas lâminas de cobre, sendo cada placa rotacionada entre si a 180°, formando um bloco único soldado.
As aplicações típicas são: Aquecimento urbano, aquecimento e ventilação;
Aquecimento Solar e unidades de ar condicionado;
Bombas de calor de aquecimento e recuperação de unidades;
Unidades Hidráulicas;
Refrigeração de óleo.
O conjunto de placas de troca, placa frontal e final são montadas e soldadas a vácuo em temperaturas extremamente altas proporcionando um trocador de calor permanentemente selado. 
O resultado final é um trocador de calor resistente e compacto com índices de transmissões de calor extremamente elevados.
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Coeficiente Global de Transferência de Calor - U
Demonstração do Coeficiente nas páginas 115 a 118 do livro 
Stoecker e Jabardo – Refrigeração Industrial
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(equação 6.10)
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Exemplo 6.1
Qual deve ser o valor do Coeficiente Global de Transferência de Calor, U, 
em um evaporador em que o coeficiente de transferência de calor no 
lado do ar é igual a 60 W/m2 K e o coeficiente correspondente no lado
do refrigerante é igual a 1.200 W/m2 K. 
O tubo apresenta diâmetro interior e exterior de 20,9 mm e 26,7 mm, respectivamente. 
O material do tubo é aço, cuja condutividade térmica é de 45 W/m K.
Na equação (6-10) não é necessário conhecer a área das superficies 
envolvidas. Somente a relação entre áreas é necessária para a determinação do Coeficiente Global de Transferência de Calor.
Assim,
* Amedia foi assumida igual a média aritmética das áreas das superfícies interior e exterior
(6-11) *
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A relação entre áreas de superfícies cilíndricas de mesmo comprimento 
é igual à relação entre os diâmetros, de modo que :
e
A espessura do tubo pode ser calculada como :
de
di
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Todos os valores necessários para a determinação do Coeficiente Global 
estão disponíveis, de modo que :
Ai/Ae
x
Amédia
ha
k
hr
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Assim,
Ui = 1 / 0,139 = 71,9 W / m² K
O valor de U referido à área da superfície exterior pode ser 
facilmente calculado 
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Propriedades do Ar Úmido
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Exemplo 6.3
Ar, a uma vazão volumétrica de 2,2 m³/s , entra em uma serpentina a 
4ºC e 90% de umidade relativa.
Na saída da serpentina , o ar se encontra à temperatura de 0,5ºC 
e umidade relativa de 98%.
qual deve ser a capacidade de refrigeração da serpentina ?
qual deve ser a taxa de remoção de água do ar ?
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10,02 kJ/kg
20,05 kJ/kg
0,5 ºC
4,0ºC
0,0039 kg/kg
0,045 kg/kg
entrada
saída
0,791 m³/kg
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20,05 kJ/kg
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O volume específico do ar pode ser obtido das figuras B.7 ou B.8, 
resultando igual a 0,791 m³/kg.
A vazão de ar seco pode ,então, ser calculada :
Os estados psicrométricos do ar na entrada e na saída da serpentina são 
ilustrados na fig. 6.8.
Nessas condições , a taxa de transferência de calor na serpentina , q , 
poderá ser determinada
q = (2,78 kg/s ) ( 20,05 – 10,2 kJ/kg) = 27,4 kW 
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A taxa de remoção de umidade pode ser determinada pela seguinte relação :
taxa de remoção da água = vazão de ar seco x (diferença de umidade absoluta)
Taxa de remoção de água = (2,78 kg/s) ( 0,0045 – 0,0039 kg/kg) = 0,00167 kg/s
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Dimensionamento de um Evaporador
A seleção de um evaporador se faz em função da carga térmica e do T (diferença de temperatura do ar ambiente e temperatura de evaporação do refrigerante fixado no projeto).
Podem seu utilizadas as mesmas fórmulas utilizadas para dimensionamento de um Condensador. 
Usualmente se utiliza um T igual a 6º C para evaporadores com ventilação forçada e de 12 a 18º C para evaporadores estáticos.
Quanto maior o T menores os níveis de umidade dentro do ambiente refrigerado.
Quando a temperatura da superfície de um evaporador que resfria ar estiver a uma temperatura abaixo de 0º C ocorrerá a formação de gelo na superfície do mesmo, atuando com isolamento térmico e reduzindo a circulação de ar. 
 Neste caso recomenda- se adotar um sistema de degelo.
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Como o ar na corrente se encontra a uma temperatura (te) diferente daquela da superfície, deve ocorrer um processo de transferência de calor. 
Por outro lado, como a pressão parcial do vapor depende linearmente da umidade absoluta e we e wp diferem entre si, existe um potencial 
de pressões parciais, o que sugere a ocorrência de um mecanismo de transferência de massa.
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A lei da linha reta, que se aplica a processos do tipo mostrado na Fig. 6.9, permite um acompanhamento do processo na Carta Psicrométrica. 
Ela estabelece que os estados pelos quais passa o ar em seu contato com a superfície molhada se encontram sobre uma linha reta, que intercepta a linha de saturação à temperatura da superfície. 
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A Fig. 6.10 ilustra distintas situações em que ar, à temperatura te e umidade we entra em contato com uma parede molhada, à temperatura tp. 
O estado designado por s representa o estado de saída do ar.
Figura 6.10 - Aplicações da lei da linha reta: 
resfriamento e desumidificação; 
resfriamento evaporativo; 
resfriamento e umidificação.
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A lei da linha reta pode ser demonstrada através da aplicação direta das leis funda­mentais de transferência de calor e massa. 
Ela mostra que o sentido da transferência de calor e massa entre a superfície e o ar está diretamente relacionado ao potencial de entalpia ou à variação de entalpia e umidade do ar ao longo do processo. 
Assim, no processo ilustrado na Fig. 6.10a, típico daquele que ocorre em serpentinas de resfria­mento e desumidificação, mesmo que a superfície da serpentina esteja seca no início, vapor d'água do ar pode se condensar, produzindo-se as condições para aplicação da lei da linha reta. 
Ao escoar ao longo da superfície, o estado do ar passa daquele designado 
por "e" para o "s". num processo em que a entalpia e a umidade absoluta do ar diminuem. 
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No caso da entalpia, a queda indica uma remoção de calor do ar levada a efeito pelo refrigerante. 
O processo ilustrado na Fig. 6-10b é o que se dá no resfriamento evaporativo, 
que tem lugar em equipamentos como o ilustrado na Fig. 6.11. 
Como a água não troca calor externamente, um balanço de energia permite concluir que a entalpia do ar não deve se alterar entre os estados de entrada e saída , isto é, hs = he .
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O resfriamento evaporativo é um processo raro, mas representa uma transição entre o processo de resfriamento e desumidificação, ilustrado na Fig. 6.10a, e o de resfriamento e umidificação, da Fig. 6.10c. 
No processo da Fig. 6.10c, o ar junto à superfície molhada apresenta entalpia superior àquela do ar ao longe.
 Em decorrência, a superfície é resfriada pelo ar (embora este possa apresentar temperatura superior). 
Esse processo ocorre em equipamentos como torres de resfriamento e condensadores evaporativos
Figura 6.11 - Resfriador evaporativo, 
característico do processo ilustrado na Fig. 6-10b.