Fundamentos da Psicrometria

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PSICROMETRIA
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Psicrometria: fundamentos e processos 
A psicrometria estuda os parâmetros e processos termodinâmicos que ocorrem na mistura de ar seco-vapor d’água, que junto com os contaminantes são os componentes do ar atmosférico. 
Parâmetros psicrométricos 
Do ponto de vista da psicrometria os gases que apresentam temperatura de condensação muito baixa são reunidos numa única fase denominada ar seco, enquanto o vapor d’água, que condensa em condições típicas encontradas em sistemas de condicionamento de ar, é tratado independentemente. 
Desse modo, admite−se o ar úmido como sendo a mistura de dois gases ideais: ar seco e vapor d’água. As leis das pressões parciais, dos volumes parciais e a equação de estado do gás ideal são usadas para estabelecer as equações que definem os estados psicrométricos do ar. 
Parâmetros psicrométricos 
Entretanto, as seguintes hipóteses são admitidas: a fase líquida (vapor d’água) não contém gases dissolvidos; a fase gás (ar seco) pode ser tratada como uma mistura de gases ideais e, finalmente, quando a mistura e o condensado (água líquida) estão numa dada pressão e temperatura, o equilíbrio entre o condensado e seu vapor não é afetado pela presença dos outros componentes, ou seja, quando o equilíbrio é alcançado a pressão parcial do vapor é igual à pressão de saturação correspondente à temperatura da mistura. 
Os parâmetros de interesse são pressão atmosférica (ou total) e pressão parcial de cada componente, temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido, temperatura de orvalho, umidade absoluta, entalpia específica, umidade relativa e volume específico. 
Temperatura de bulbo seco (ta)
É a temperatura do ar, t, medida por um termômetro comum. O adjetivo “bulbo seco” acompanha o termo temperatura simplesmente para não confundir com a temperatura de bulbo úmido, que será definida posteriormente. 
Temperatura de bulbo Úmido
Termômetro de bulbo úmido mede a temperatura do ar em função da quantidade de vapor d´água dissolvido no ar que passa pelo bulbo úmido que é a quantidade de água que pode evaporar da mecha molhada. 
Se o mesmo já estiver saturado com umidade, não evaporará nenhuma quantidade de água da mecha para o ar e não haverá resfriamento no termômetro de bulbo úmido. Neste caso, TBS seria igual à TBU.
Umidade absoluta 
A umidade absoluta , W, é a razão entre a massa de vapor d’água e a de ar seco contidas no ar úmido. 
Umidade relativa 
A umidade relativa (φ) do ar úmido é a relação entre a pressão parcial do vapor d’água no ar Pv e sua pressão parcial no ar saturado Pvs , à mesma temperatura e pressão. 
Fisicamente a relação entre a pressão de saturação do ar e a umidade relativa é: que quanto maior a temperatura do ar, mais umidade pode ser dissolvida nele. Em uma dada temperatura, no limite da capacidade do ar absorver esta umidade temos o ar saturado com umidade relativa 100% e pressão de saturação (psat).
O ar é uma composição de ar seco e umidade e cada um destes componentes tem uma pressão. A pressão da umidade chama-se pressão parcial de vapor. Quanto mais umidade dissolvida no ar, maior esta pressão de vapor - até o limite de psat (que é a máxima pressão parcial do vapor possível para aquela dada temperatura). Como a definição da umidade relativa é a relação entre pressão parcial de vapor (pv) e a pressão de saturação (valor fixo e definido para cada temperatura) temos que quanto maior a pressão parcial de vapor, maior a umidade relativa do ar.
Volume específico 
O volume específico do ar úmido, expresso em termos de unidade de massa de ar seco. 
PRESSÃO DE VAPOR (Pv)
Pressão máxima de vapor (Pv) é a pressão exercida por seus vapores quando estes estão em equilíbrio dinâmico com o líquido. Pode-se dizer também que é a pressão exercida pelas moléculas do solvente líquido contra a sua superfície para passar para o estado de vapor.
Quanto maior a Pv mais volátil é o líquido. Ou seja, quanto mais pressão o líquido faz contra a sua superfície, mais este líquido passará para o estado de vapor, evapora mais rápido.
Alguns fatores influenciam na pressão de vapor, como:
- temperatura
- natureza do líquido
Temperatura 
Quando se aquece um líquido, a quantidade de vapor tende a aumentar conforme o tempo, o que fará com que a pressão de vapor também aumente. O aumento da temperatura ocasiona a agitação das moléculas. O líquido evapora mais intensamente e causa maior pressão de vapor, veja o caso da água pura:
Entalpia do ar úmido 
A entalpia de uma mistura de gases ideais é a soma das entalpias parciais de seus componentes. 
Temperatura de orvalho 
A temperatura de orvalho, to, é a temperatura do ar úmido saturado à mesma pressão e à mesma umidade absoluta. 
Conhecer a temperatura de orvalho é importante nos sistemas de climatização pelo fato da temperatura na qual o vapor de água da atmosfera começa a condensar. 
Esta propriedade é muito importante, pois a partir dela pode-se calcular as espessuras de isolamento adequadas para dutos, câmaras frigoríficas e refrigeradores domésticos. Ou seja, se o isolamento é ruim, haverá uma temperatura superficial externa baixa da parede da câmara ou de um duto e desta forma, haverá condensação do vapor d´água presente no ar sobre esta parede
Diagrama psicrométrico 
A determinação dos parâmetros psicrométricos demanda um certo número de operações, e, por isso, é vantajoso em termos de economia de tempo utilizar uma rotina computacional.
 
Entretanto, esses valores também podem ser obtidos em tabelas ou diagramas. As tabelas são úteis quando se deseja conhecer os parâmetros psicrométricos do ar úmido num único estado e fornecem valores melhores que os diagramas.
Por outro lado, os diagramas são aliados imprescindíveis dos projetistas de ventilação, refrigeração e ar condicionado, quando este deseja visualizar, analisar e quantificar rapidamente os diversos processos pelos quais o ar úmido passa ao escoar através de equipamentos, acessórios e dispositivos. 
O diagrama psicrométrico é um gráfico que permite obter o traçado de diversos processos psicrométricos e a determinação de estados e propriedades do ar úmido.
 É construído com base no fato de que o estado termodinâmico da mistura de dois gases ideais, como o ar úmido, é determinado por três propriedades independentes. 
Assim, se uma de três for mantida constante as outras duas formam os eixos de um gráfico no plano do papel. Nesse gráfico, as isolinhas das outras propriedades psicrométricas são construídas. Qualquer ponto do gráfico definirá um estado da mistura, ou seja, do ar úmido.
Geralmente, a pressão da mistura é escolhida como propriedade a ser mantida constante, já que na maioria dos processos psicrométricos sua variação é desprezível. 
Processos psicrométricos básicos 
Na carta psicrométrica é possível identificar e visualizar rapidamente todos os processos de interesse na análise do ar úmido. A Figura mostra a representação desses processos sobre a carta psicrométrica. Partindo do ponto comum, tem-se: (C) aquecimento sensível
(G) resfriamento sensível, onde somente a temperatura de bulbo seco se modifica e permanece constante a umidade absoluta
(A) somente umidificação
(E) somente desumidificação, onde muda somente a umidade absoluta e a temperatura de bulbo seco permanece constante
(F) resfriamento e desumidificação, onde tanto a temperatura de bulbo seco como a umidade absoluta são reduzidas
(B) aquecimento e umidificação, onde tanto a temperatura de bulbo seco como a umidade absoluta aumentam
(H) resfriamento com umidificação, onde a temperatura de bulbo seco é reduzida ao mesmo tempo em que aumenta a umidade absoluta
(D) aquecimento e desumidificação, onde a temperatura de bulbo seco aumenta e a umidade absoluta é reduzida.
Aquecimento
e desumidificação
Aquecimento sensível
Resfriamento sensível
Somente umidificação
Somente desumidificação
Resfriamento e desumidificação
Aquecimento
e umidificação
Resfriamento com umidificação
Aquecimento e Umidificação do ambiente condicionado 
Deacordo com a finalidade de uso do espaço condicionado, são especificadas a temperatura de bulbo seco e a umidade relativa mais adequada ao conforto térmico. Nesse caso, o ar insuflado no espaço condicionado deve apresentar uma combinação de condição termodinâmica e vazão que satisfaça a remoção de calor sensível e latente, e permita manter as condições desejadas. Quanto menor a temperatura de bulbo seco do ar insuflado no ambiente, menor é a vazão necessária para remover a mesma quantidade de calor sensível, e vice-versa. 
A Figura (a) mostra os ganhos de calor sensível e latente (vapor d’água) no ambiente condicionado e a Figura (b) o seu diagrama psicrométrico. A quantidade Q representa a soma líquida de todas as cargas sensíveis internas e externas. A quantidade representa a soma líquida de todas as cargas latentes internas e externas: cada quilograma de vapor d’água liberado no ambiente condicionado adiciona uma quantidade de energia igual a sua entalpia específica.
Esta equação mostra que existe uma relação linear entre a variação de entalpia e a de umidade absoluta. O coeficiente angular da reta é fornecido pela razão entre o calor total e a quantidade de vapor d’água injetado. 
Assim, conhecidas essas quantidades, a inclinação da reta de processo do ambiente, estará determinada no diagrama psicrométrico. 
Aquecimento e resfriamento sensível 
A Figura (a) ilustra os processos de resfriamento e aquecimento sensível e a Figura (b) os mostra sobre o diagrama psicrométrico.
 No aquecimento ou o resfriamento sensível do ar o processo é representado por uma linha reta horizontal; nenhum vapor d’água é adicionado ou removido do ar e sua umidade absoluta permanece constante. 
O aquecimento sensível do ar (ponto 1 ao 2) pode ser obtido em serpentinas de água quente ou vapor d’água, ou ainda por resistências elétricas em contato com o ar. 
O resfriamento sensível do ar (ponto 2 ao 1) usa uma serpentina com a superfície mais fria que o ar, porém com temperatura superior ao seu ponto de orvalho para evitar a condensação de vapor d’água. 
Desumidificação por resfriamento do ar 
A desumidificação por resfriamento é feita pelo contato do ar com uma superfície cuja temperatura está abaixo de seu ponto de orvalho. Geralmente, a superfície é fornecida por uma serpentina aletada no interior da qual escoa um fluido refrigerante primário (HCFC ou HFC) ou secundário (água gelada ou salmoura). Se a temperatura da serpentina está abaixo de 0°C ocorre condensação e posterior congelamento da água. Isto demanda cuidados especiais para não bloquear a vazão de ar. 
A Figura (a) mostra o esquema da serpentina de resfriamento e desumidificação e a Figura (b) o processo sobre o diagrama psicrométrico. Se o processo de resfriamento atravessar uma serpentina grande o suficiente então seu estado final será 2’ e o ar está saturado na temperatura da seção de saída. Em condições reais o ar jamais alcançará o estado 2’ e sim o estado 2. 
Fator de calor sensível 
O calor sensível é transferido nos processos que alteram apenas a temperatura de bulbo seco do ar, permanecendo constante sua umidade absoluta. Nos processos básicos apresentados, os de resfriamento e aquecimento sensível são exemplos de trocas térmicas de calor sensível. 
O calor latente é transferido nos processos que atuam sobre a umidade absoluta do ar enquanto sua temperatura de bulbo seco permanece inalterada. Excetuando os de aquecimento e resfriamento sensível, todos os demais processos apresentados envolvem uma parcela de calor latente. 
O calor total é a soma das parcelas de calor sensível e calor latente envolvidas num determinado processo psicrométrico. 
O fator de calor sensível é a razão entre as parcelas de calor sensível e calor total envolvidas no processo. Assim, em processos de resfriamento e aquecimento sensível o fator de calor sensível é unitário. Já em processos que envolvem calor latente esse valor é menor do que 1 (um) e vai reduzindo à medida que aumenta o valor relativo da parcela de calor latente no processo. 
Aqui, o termo calor é usado inadequadamente para designar na verdade uma taxa de fluxo de calor, ou seja, um fluxo de energia por unidade de tempo. 
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