10 psicrometria

8/10/2019 10 Psicrometria

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Refrigerao e Ar-Condicionado

Parte IV - Psicrometria


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Psicrometr ia

O estudo detalhado da mistura ar seco vapor dgua de tal importncia queconstitui uma cincia parte, aPsicrometria, dotada de todo um vocabulrio prprio.

A Psicrometria definida como o ramo da fsica relacionado com a medida oudeterminao das condies do ar atmosfrico, particularmente com respeito mistura arseco vapor dgua, ou ainda, aquela parte da cincia que est de certa formaintimamente preocupada com as propriedades termodinmicas do ar mido, dando atenoespecial s necessidades ambientais, humanas e tecnolgicas.

O conhecimento das condies de umidade e temperatura do ar de grandeimportncia. Alm do conforto trmico, que depende mais da quantidade de vapor

presente no ar do que propriamente da temperatura, tambm em muitos outros ramos daatividade humana. A conservao de produtos como frutas, hortalias, ovos e carnes, emcmaras frigorficas depende da manuteno da umidade relativa adequada no ambiente.Por exemplo, a perda de peso depende da umidade do ar na cmara de estocagem, se aumidade baixa, a perda de peso elevada e vice-versa.

Ar

Pelas suas dimenses e pelos processos fsico-qumicos e biolgicos que sedesenvolveram, o planeta Terra possui, hoje, uma camada gasosa que o envolve (aratmosfrico). Essa massa gasosa constitui a atmosfera da Terra e essencial s formas devida que nela se encontram.

O ar atmosfrico constitudo de uma mistura de gases, assim como de vapordgua, e uma mistura de contaminantes (fumaa, poeira e outros poluentes gasosos ou

no) presentes normalmente em locais distantes de fontes poluidoras.Ar seco

Por definio, ar seco (dry air) a mistura dos gases que constituem o aratmosfrico com excluso do vapor dgua, i.e., quando todo o vapor dgua e oscontaminantes so removidos do ar atmosfrico. Extensivas medies tm mostrado que acomposio do ar seco relativamente constante, tendo pequenas variaes na quantidadedos componentes com o tempo, localizao geogrfica e altitude. A composio

percentual, em volume ou nmero de moles por 100 moles do ar seco, dada na Tabela 20.

A massa molecular aparente do ar seco 28,9645 kg/kg-mol e a do vapor dgua de 18,01528 kg/kg-mol, ambas na escala do carbono 12, ASHRAE (1997). A constantedos gases para o ar seco, baseada na escala do carbono 12 :

==

Kkg

JRa .

055,2879645,28

41,8314


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Tabela 20 - Composio do ar seco ao nvel do mar:

ComponenteFrmul

a% em

volume

Massamolecular(kg/kg-mol)

Nitrognio N2 78,084 28,016

Oxignio O2 20,9476 32,000

Argnio Ar 0,934 39,948

Dixido decarbono

CO2 0,0314 44,010

Nenio Ne 0,001818 20,183

Hlio He 0,000524 4,0026

Metano CH4 0,00015 16,03188

Dixido deEnxofre SO2 0 a 0,0001 64,064

Hidrognio H2 0,00005 2,01594

Criptnio Kr 0,0002 93,80

Oznio O3 0,0002 48,000

Xennio Xe 0,0002 131,3Fonte: ASHRAE Fundamentals, 1997, pg. 6.1

A mistura ar seco vapor dgua denominada de ar mido (moist air) ou demistura binria (binary mixture) de ar seco e vapor dgua. A quantidade de vapor dgua

presente na mistura pode variar de zero at um valor correspondente condio desaturao. Isso corresponde quantidade mxima de vapor dgua que o ar pode suportarem determinada condio de temperatura.

Definindo:

AR SATURADO uma mistura de ar seco e de vapor dgua saturado. Maisprecisamente o vapor dgua que saturado e no o ar.

AR NO SATURADO uma mistura de ar seco

e vapor dgua superaquecido.

Lei de Dalton

A presso total de uma mistura de gases igual a soma das presses parciais decada componente na mesma temperatura da mistura.

Define-se presso parcial de cada componente como a presso que ele exerceria seocupasse sozinho o volume da mistura, na temperatura da mistura.

Ilustrao da Lei de Dalton


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VA+ VB+ VC= V

PA.V = R.TA

P.VA= R.TA

PA.V = P.VA

PB.V = P.VB

PC.V = P.VC

(PA+ PB+ PC).V = P. (VA+ VB+ VC) = P.V

P = PA+ PB+ PC

PA, PB, PCso respectivamente as presses parciais dos gases A, B e C.

Para o caso do ar mido, teremos:

P = presso atmosfricaP = PA+ PV PA= presso parcial do ar seco

PV= presso parcial do vapor dgua

Propriedades Termodinmicas do Ar mido

Diversas propriedades termodinmicas fundamentais esto associadas com aspropriedades do ar mido de maneiras diferentes.

Trs propriedades esto associadas com a temperatura:

a) Temperatura do bulbo seco (tBS);

b) Temperatura termodinmica do bulbo mido (tBU);

c) Temperatura do ponto de orvalho (t0).

Algumas propriedades termodinmicas caracterizam a quantidade de vapor dguapresente no ar mido:

d) Presso de vapor (PV);

e) Razo de umidade (x);

f) Umidade relativa ();

g) Grau de saturao ().Outras propriedades de fundamental importncia, relacionadas com o volume

ocupado pelo ar e com a energia do ar, respectivamente, so:

h) O volume especfico (v) e

i) A entalpia (h).

A entalpia e o volume especfico so propriedades da mistura ar seco vapordgua, mas, por convenincia, so expressas com base em uma unidade de massa de arseco.

Apresenta-se, a seguir, uma breve descrio de cada propriedade.

VA P t

VB P t


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Temperatura de Bulbo Seco (tBS)

a temperatura indicada por um termmetro comum, no exposto a radiao. averdadeira temperatura do ar mido. freqentemente denominada apenas temperaturado ar.

Temperatura de Bulbo mido (tBU) a temperatura indicada por um termmetro cujo bulbo foi previamente envolto

por algodo mido, to logo seja atingido o equilbrio trmico. Nesse tipo de termmetro,a mistura ar seco - vapor dgua sofre um processo de resfriamento adiabtico, pelaevaporao da gua do algodo no ar, mantendo-se a presso constante.

Para se fazer a leitura desse tipo de temperatura, se faz necessrio um psicrmetro,Figura 115. O psicrmetro consta de dois termmetros, um deles envolto por um tecidoconstantemente umedecido (termmetro de bulbo mido) e outro, ao lado, simplesmenteem equilbrio trmico com o ar mido (termmetro de bulbo seco). O termmetro de

bulbo mido recebe sobre si um fluxo de ar constante com uma velocidade de

aproximadamente 3 (m/s), por meio de um sistema de ventilao. Assim, a umidade evaporada retirando energia do bulbo mido e, conseqentemente, baixando a temperaturaat um estado de equilbrio.


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Figura 115 Psicrmetro de Aspirao

Entende-se por estado de equilbrio a situao em que o fluxo de energia do ar parao bulbo do termmetro igual energia necessria para a evaporao da umidade.

Temperatura de Orvalho (t0)

a temperatura no qual o vapor se condensa ou solidifica quando resfriado apresso constante e contedo de umidade constante. O diagrama T-S para o vapor dguailustra esta definio, Figura 116.

Figura 116 Diagrama T-S para o ar

1) Suponha-se que a temperatura da mistura gasosa e a presso parcial do vapor namistura sejam tais que o vapor esteja inicialmente superaquecido no Estado 1.

interessante lembrar que

+

=622,0x

xPPv ;

2) Se a mistura for resfriada com presso total (P) constante e com contedo de umidade xconstante a presso parcial do vapor (R) ser mantida constante e o ponto 2 seralcanado tendo incio a condensao.

PONTO 1 - condies do vapor

PONTO 2 - ponto de orvalho

PONTO 3 - observe que se o resfriamento for feito a volume constante, haver

condensao numa temperatura inferior a temperatura de orvalho.


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Presso de Vapor (PV)

A presso de vapor (PV) a presso parcial exercida pelas molculas de vapordgua presentes no ar mido.

Em uma condio de equilbrio, i.e., quando a situao em que o fluxo de energiado ar para o bulbo do termmetro igual energia necessria para a evaporao daumidade, a partir de um balano de energia, pode-se escrever a seguinte equao:

PV= PVSBU a1.P.(t tBU)

onde:

PV presso parcial do vapor dgua

PVSBU presso de saturao do vapor dgua na temperatura de bulbo mido

a1 constante psicromtrica

P presso baromtrica local

t temperatura de bulbo seco

tBU temperatura de bulbo mido

A constante psicromtrica a1 depende da temperatura, geometria do bulbo dotermmetro e velocidade do ar. Valores para a mesma foram determinados empiricamente,com os seguintes resultados:

a1= 0,000662 (1/C) para psicrmetros com sistema de movimentao de ar

(aspirao), tipo ASSMANN, sendo a velocidade do ar maior que3(m/s).

a1= 0,000800 (1/C) para psicrmetros sem sistema de movimentao de ar(aspirao), instalado num abrigo meteorolgico, onde a velocidadedo ar em torno de 1 (m/s).

a1= 0,00120 (1/C) para psicrmetros no ventilados, i.e., ar sem movimento (emrepouso).

Presso de Vapor Saturado (PVS)

Ocorre quando o ar est totalmente saturado de vapor dgua. Para o seu clculo,tomando como base a temperatura de bulbo mido (em Kelvin), tem-se:

onde:

+++++

=)ln(13

312

211109

8

VSBUPbTCb

TCsTCbTCCbT

C

e


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C8 -5800,22006

C9 1,3914993

C10 -0,04864024

C11 4,17648E-05

C12 -1,4452E-08C13 6,5459673

so constantes da equao, que vlida de 0 a 200 C, segundo 1997 ASHRAEFundamentals [1].

O diagrama T-S para o vapor dgua ilustra esta definio, Figura 117.

Figura 117 Diagrama T-S para o ar

O vapor dgua na sala se encontra na Condio 1

t1 = temperatura seca da salaPV = presso parcial do vapor dgua

PVS = presso de saturao do vapor dgua na temperatura t1.

Razo de Umidade (x)

definida como a razo entre a massa de vapor dgua e a massa de ar seco em umdado volume da mistura.

A

V

m

mx=

P = PA+ PV isolando: PA= P - PV

mas: PA.V = mA.RA.t

assim:VV

AA

V

A

Rm

Rm

P

P=

xRP

RP

m

m

VA

AV

A

V ==


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143

A

V

A

V

V

A

P

P

P

P

R

Rx 622,0==

V

V

PP

Px

=

.622,0

Observe que P a presso atmosfrica e PV a presso parcial do vapor.

Umidade Relativa ()

definida como sendo a relao entre a presso parcial do vapor dgua na mistura(PV) e a presso de saturao correspondente temperatura de bulbo seco da mistura (PVS).

( )%100.P

P

VS

V=

Grau de Saturao ()Grau de Saturao (), a relao entre a razo de umidade atual da mistura (x) e a

razo de umidade do ar na condio de saturao (xS) mesma temperatura e pressoatmosfrica.

Sx

x=

Volume Especfico (v)

O volume especfico do ar mido (v) definido como o volume ocupado pelamistura ar seco vapor dgua por unidade de massa de ar seco.

A massa especfica do ar mido no igual ao recproco do seu volume especfico.A massa especfica do ar mido a razo entre a massa total da mistura e o volumeocupado por ela.

Entalpia para o Ar mido (h)

A entalpia da mistura ar seco vapor dgua (h) a energia do ar mido porunidade de massa de ar seco, acima de uma temperatura de referncia (visto que somentediferenas de entalpia so de interesse prtico em engenharia, o valor escolhido para atemperatura de referncia torna-se irrelevante).

A entalpia do ar mido a soma da entalpia de seus componentes.

H = mA.hA + mV.hV

A entalpia especfica sempre referida a massa de ar seco.

VAA

hxhm

Hh +==

para o ar hA= CpA.t = 0,24.t t (C)

para o vapor hV = Ro+ Cpv.t = 595+0,45.t t (C) 1


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( )

++=

1

secoarde)46,0595(24,0

kg

kcalh

Ct

xtth


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Tabela 21 - Volume Especfico e Calor Especfico para o ar seco e o vapor dgua

AR SECO VAPOR DGUA

Volume

Especfico

V

[ ]

=

=

=

=

=

Kkg

kgf.m29,27=ardotan

m

kgfsecoardoo

Ksec

kg

mardoespecifico

2

3

teconsR

pressP

aatemperaturt

volumev

P

tR

v

A

A

A

A

AA

[ ]

=

=

=

=

=

Kkg

kgf.m47,1=vapordotan

m

kgfvapordoo

Ksec

kg

mvapordoespecifico

2

3

teconsR

pressP

aatemperaturt

volumev

P

tR

v

V

V

V

v

vV

CalorEspecfico

a presso

constante

Cp

Com P = 760 mmHg

CpA = 0,238kgK

kcal para t=-90C

CpA = 0,244kgK

kcal para t=-60C

Para fins prticos:

CpA = 0,24Ckg

kcal

no campo de aplicao de arcondicionado:

Ckg

kcalCpV

= 46,0

Presso Atmosfrica

A temperatura e a presso baromtrica do ar atmosfrico varia consideravelmentetanto com a altitude como com as condies climticas e geogrficas do local. Aatmosfera padro uma referncia para estimar as propriedades do ar mido a vriasaltitudes. Ao nvel do mar, a temperatura e a presso padro de 15C e 101,325kPa,respectivamente[7].

Assume-se que a temperatura decresce linearmente com o aumento da altitude portoda a troposfera (baixa atmosfera) e constante em distncias menores da estratosfera. A

baixa atmosfera assumida como ar seco, portando-se como um gs perfeito. A gravidade

tambm assumida constante e com um valor padro de 9.806 65(m/s).A presso atmosfrica calculada pela equao:

( ) 2559,5510.25577,21325,101 ZP = (kPa)

A tabela resume estas propriedades para altitudes de at 10.000m.


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Tabela 22 Dados para Atmosfera Padro para altitudes de at 10.000m

Altitude(m)

Temperatura(C)

Presso (kPa)Presso

(kgf/cm)

-500 18,2 107,478 1,0960 15,0 101,325 1,034

500 11,8 95,461 0,974

1000 8,5 89,875 0,917

1500 5,2 84,556 0,862

2000 2,0 79,495 0,811

2500 -1,2 74,682 0,762

3000 -4,5 70,108 0,7154000 -11,0 61,640 0,629

5000 -17,5 54,020 0,551

6000 -24,0 47,181 0,481

7000 -30,5 41,061 0,419

8000 -37,0 35,600 0,363

9000 -43,5 30,742 0,314

10000 -50,0 36,436 0,372

1 (kPa) = 1,02.10-2 (kgf/cm)

Diag ram a Ps ic romtri co

As propriedades termodinmicas da mistura ar seco vapor dgua que constituemo ar atmosfrico podem ser convenientemente apresentadas em forma de diagramas,denominados Diagramas Psicromtricos (Cartas Psicromtricas). Estes so construdos

para determinada presso atmosfrica, embora, s vezes, hajam curvas de correo

disponvel para outras presses.H diferentes diagramas psicromtricos em uso. Os grficos diferem com respeito

presso baromtrica, faixa de temperaturas, nmero de propriedades includas, escolhadas coordenadas e temperatura de referncia para a entalpia. O mais usado nas Amricas oDiagrama de Carrier(Figura 118),aquele em que a razo de umidade e/ou a presso devapor (que uma das coordenadas) so traadas versus temperatura de bulbo seco

juntamente com uma outra coordenada oblqua, a entalpia. Na Europa, entretanto, temsido usado oDiagrama de Mollier(Figura 119), com a razo de umidade e entalpia comocoordenadas.


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Diagrama de Carrier

P = 760 mm de Hg

h = entalpia

v= volume especfico

t = temperatura

= umidade relativa

x = razo de umidade

Diagrama de Mollier

P = 760 mm de Hg

h = entalpia

v= volume especfico

t = temperatura

= umidade relativa

x = razo de umidade


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Figura 118 Carta Psicromtrica Carrier


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Figura 119 Carta Psicromtrica de Mollier


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Na Figura 120 so mostradas, de forma esquemtica, as linhas que representam aspropriedades termodinmicas do ar mido no diagrama psicromtrico.

Figura 120 Diagramas representando as linhas das propriedades do ar

Determ inao das Prop riedades do Ar

Supondo-se, para efeito de exemplo, que as temperaturas de bulbo seco e de bulbo

mido de um determinado ambiente, 25C e 21C respectivamente, tenham sidodeterminadas por meio de um psicrmetro, pode-se obter de uma carta psicromtrica asprincipais propriedades do ar mido.

Seja a carta psicromtrica mostrada na Figura 118, Carta Psicromtrica de Carrier,tendo as duas temperaturas acha-se o ponto de interseo das linhas, Figura 121. Seguindoa metodologia de leitura da carta psicromtrica, Figura 120, obtm-se os seguintes valores

para as mesmas:

Ponto de Estado tBS (C) tBU (C) t0 (C) (%) v(m/kg)x (kg/kg

ar)h

(lccal/kg)

Valores 25 21 19,1 70 0,86 0,014 18,8


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Figura 121 Propriedades do Ar mido em uma condio especfica


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Processos Psicromtricos

So 06 os processos psicromtricos, a saber:

1. Mistura Adiabtica de duas quantidades de Ar mido;

2. Aquecimento Sensvel (Aquecimento Seco);

3. Resfriamento sem Desumidificao (Resfriamento Seco);

4. Resfriamento com Desumidificao;

5. Resfriamento e Umidificao;

6. Aquecimento e Umidificao.

M istura Adiabtica de duas quantidades de Ar mido

A mistura de duas correntes de ar um processo muito comum em ar condicionado. muitas vezes utilizado para se obter o ar nas caractersticas aceitveis para um ambiente,i.e., mistura-se uma parte do ar interno (retorno do ambiente), com uma parte de ar externo(higienizao). Como o ar interno, de retorno, normalmente est mais prximo dascaractersticas desejadas para o ambiente, a mistura possibilita uma economia de energia.

A Figura 122 mostra a mistura de Am& de ar no estado Acom Bm& de ar no estado B.A mistura resultante encontra-se no estado C, mostrado na Carta Psicromtrica na Figura

123.

Figura 122 Mistura decorrentes de ar

Sendo:

CBA m,m,m &&& = massa de ar seco respectivamente em A, B, C (kg/s).

xA, xB, xC= razo de umidade em A, B, C (kg/kg).

hA, hB, hC= entalpia especfica respectivamente de A, B, C (kcal/kg).

As equaes fundamentais a serem aplicadas no processo so:


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Pela Continuidade

=+=+

CCBBAA

CBA

xmxmxm

mmm

&&&

&&&

Pela Conservao da Energia:

CCBBAA hmhmhm &&& =+

Figura 123 No Diagrama, a mistura de correntes de ar.

Observa-se que a entalpia final a mdia ponderada das entalpias das correntes quese misturam, o mesmo ocorrendo com a razo de umidade (umidade absoluta final) emrelao s umidades absolutas das correntes de ar que se misturam. Uma aproximaofreqentemente utilizada a de que a temperatura resultante a mdia ponderadas dastemperaturas das correntes de entrada.

Sendo adotada esta aproximao, possvel localizar o estado final da corrente dear na carta psicromtrica sobre o segmento que une os pontos representativos dos estadosdas correntes de entrada.

Aquecimento Sensvel ou Aquecimento Seco

Quando se fornece energia ao ar, a temperatura aumenta, mas a razo de umidadepermanece constante, pois no h aumento nem diminuio na quantidade de massa damistura (ar secovapor dgua). Assim, o processo de aquecimento sensvel (aumento detemperatura somente) representado no grfico por linhas horizontais, paralelas abscissa,a partir do ponto de estado em que se encontra o ar, Figura 124.

CA

BC

CA

BC

B

A

hh

hh

xx

xx

m

m

=

=

&

&


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Figura 124 No Diagrama, o processo de aquecimento seco.

gua quente, gua de resfriamento doCondensador

Figura 125 Esquema bsico do processo.

O calor entregue ao ar para que o processo ocorra pode ser calculado pelas seguintesexpresses:

( ) ( )[ ]

( )

( )

( )AB

AB

AB

ABAB

ttQ

hhmQ

ttmQ

ttxttmQ

=

=

=

+=

.29,0.V

.

..24,0

..46,0.24,0.

&&

&&

&&

&&

onde:

h

standardardem

umidoarde

umidoarde

3

v

h

kg

m

kg

kcalq

&

&

Por ar standard entende-se o ar seco a uma presso de 760 mmHg a umatemperatura de 21,1C. Nestas condies:

v = 0,833kg

m3 donde 29,0833,0

24,0=


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Resfr iamento sem Desumidi f icao ou Resfr iamento Seco

A Figura 126, abaixo, demonstra o processo de resfriamento seco na cartapsicromtrica.

Figura 126 No Diagrama, o processo de resfriamento seco.

gua gelada com temperatura superior, igual oupouco menor que a temperatura de orvalho do ar

Figura 127 Esquema bsico do processo.

O calor retirado do ar pelo processo pode ser calculado pelas mesmas expressesdadas no caso anterior.

Na Figura 128, o ar com propriedades termodinmicas no ponto de estado definido

por tBS=25C e tBU=20C sofre, um processo de aquecimento at a temperatura de 46C.Em outro processo, o ar do ponto [1] sofre resfriamento at a temperatura de 20C.


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13 2

Figura 128 No Diagrama, o processo de aquecimento seco.

Na Figura 128 esto os valores das propriedades do ar no final dos processos deaquecimento e resfriamento.


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Tabela 23 Propriedades termodinmicas do ar nos processos de aquecimento e resfriamento seco

Aquecimento Seco Resfriamento Seco

Ponto de Estado Ponto de EstadoPropriedade

1 2 1 3

tBS(C) 25,0 46,0 25,0 20,0

tBU(C) 20,0 26,0 20,0 18,6

(%) 65,0 20,0 62,0 87,0PV(kPa) 2,1 2,1 2,1 2,1

x (kg/kg) 0,0127 0,0127 0,0127 0,0127

h (kcal/kg) 57,5 80,0 57,5 52,5

v (m/kg) 0,860 0,922 0,860 0,847

t0(C) 17,7 17,7 17,7 17,7

Resfr iamento com Desumidi f icao

No resfriamento do ar, quando se atinge a curva de umidade relativa mxima (=100%), tem-se o ponto de orvalho. O resfriamento desse ar mover o ponto de estadosobre a linha de saturao, ocorrendo condensao de parte do vapor dgua presente no ar.Conseqentemente, a razo de umidade diminuir.

Tabela 24 Exemplos de processos de resfriamento com desumidificao

gua com temperatura inferiorao ponto de orvalho do ar

gua pulverizada comtemperatura inferior ao pontode orvalho do ar


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Figura 129 No Diagrama, o processo de resfriamento com desumidificao.

onde:tD = temperatura mdia da superfcie do trocador de calor.

Supondo que somente uma parte do ar tem contato com a serpentina (superfciefria) e que esta parte segue a trajetria ACD(Figura 129) adquirindo a temperatura mdiatBSDda serpentina, no trecho CDocorre a desumidificao. O restante do ar, seguindo umraciocnio simplificado, no entra em contato com a serpentina e, portanto, no sofretransformao alguma. Na sada da serpentina tm-se, ento, uma mistura do ar nacondio De do ar na condio A, sendo esta mistura representada pelo ponto B.

A frao de ar que no troca calor com a serpentina chamada de ar de bypass.

O calor retirado pela serpentina nesse processo pode ser calculado da seguinteforma:

( ) ( )

( ) ( )

( )EAtot

AAAAl

AEAEAs

stot

hhmq

latentecalor

xxmhhmq

tttmhhmq

qqq

=

=

==

===+=

&

&&

&&

vapordegr

kcalemguadaovaporizade595,0

595,0

tpois24,0

'

'A

1

onde:


25/51

159

=

=

=

=

=

secoardekg

kcalespecifica

secoardekg

vapordegramas

h

umidoardekg

h

kcal

latente

h

kcalsensivelcalor

h

kcaltotal

1

entalpiah

x

m

calorq

q

calorq

s

tot

&

Fator de BypassO Fator de bypass definido como a relao entre a massa de ar de bypass e a

massa total de ar que passa pelo trocador de calor, Figura 129.

Este fator depende do n. de filas, velocidade frontal do ar, etc. O mesmo pode serdemonstrado na Tabela 25 e Tabela 26, abaixo.

Tabela 25 Fatores de bypass de serpentinas de resfriamento.

Velocidade Frontal (m/s)

1,5 2,0 2,5 3,0Nmero de Filas

Fatores de bypass1 0,61 0,63 0,65 0,67

2 0,38 0,40 0,42 0,43

3 0,23 0,25 0,27 0,29

4 0,14 0,16 0,18 0,20

5 0,09 0,10 0,11 0,12

6 0,05 0,06 0,07 0,08

7 0,03 0,04 0,05 0,06

8 0,02 0,02 0,03 0,04 Dimetro exterior do tubo = 16 mm fonte: [2] tabela 16.5, pg. 610 315 aletas onduladas por metro linear relao superfcie externa/interna = 12,3


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Tabela 26 - Fatores de bypass de serpentinas de resfriamento.

Velocidade Frontal (m/s)

1,5 2,0 2,5 3,0Nmero de Filas

Fatores de bypass1 0,48 0,52 0,56 0,59

2 0,23 0,27 0,31 0,35

3 0,11 0,14 0,18 0,20

4 0,05 0,07 0,10 0,12

5 0,03 0,04 0,06 0,07

6 0,01 0,02 0,03 0,04

Dimetro exterior do tubo = 16 mm fonte: [2] tabela 16.5, pg. 610

552 aletas onduladas por metro linear

relao superfcie externa/interna = 21,5


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Fator de Calor Sensvel (R)

O Fator de Calor Sensvel (R) definido pela relao entre o calor sensvel e o

calor total:

BA

BA

tot

S

hh

hh

q

qR

== '

onde:

Ponto A- representa as propriedades do ar de bypass

Ponto D - representa as propriedades do ardesumidificado, com =100%, em contato diretocom a serpentina de resfriamento

Ponto B- representa as propriedades do ar resultante da mistura de Acom D, ar que saida serpentina de resfriamento

Ponto A representa a propriedades do ar no ponto Bao ser aquecido, i.e., ao receberapenas calor sensvel

hA a entalpia do ponto A

hA a entalpia do ponto A

hB a entalpia do ponto B

A

Figura 130 - Fator de Calor Sensvel

O Fator de Calor Sensvel particularmente importante para os clculos decondicionamento do ar e para a seleo dos equipamentos necessrios. O significado fsicodeste fator ser demonstrado de forma mais clara pelo seguinte exemplo.

Exemplo:Para manter um ambiente a 26C e com 50% de umidade relativa necessrio

retirar do mesmo 20.000(kcal/h) de calor sensvel e 10.000(kcal/h) de calor latente. Atemperatura de bulbo seco do ar insuflado no ambiente fixado arbitrariamente em 20,


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15 e 10C. Determinar a vazo de ar necessria nos trs casos.

Soluo:

Podemos chamar tAa temperatura ambiente, igual a 26C, e tIa temperatura do arinsuflado neste ambiente. Consideremos, para incio do clculo, t

I= 20C.

A vazo necessria para absorver um calor sensvel de 20.000(kcal/h) pode serdeterminado por:

( ) ( )

=

=

=

h

kg

ttc

Qm

IAp

5,887.13202624,0

000.201

&

&

Ao mesmo tempo, para que essa vazo possa neutralizar o calor latente doambiente, necessrio que sua umidade especfica seja suficientemente inferior do

ambiente, que igual a 10,5g de vapor por kg de ar seco.

=

ar

vapor

kg

gx 5,10ambiente

Supondo o calor latente de evaporao da gua igual a 0,6(kg/gr), verificamos que

um calor latente de 10.000(kcal/h) corresponde a 666.166,0

000.10= gramas de gua que devem

ser retirados do ambiente.

Chamando x

ar

vapor

kg

ga diferena de umidade especfica entre o ar ambiente e o ar

insuflado, deve-se observar:

==

ar

vapor

kg

g2,1

13.887,5

16.666x

Sobre a Carta Psicromtrica (Figura 131), o ponto que representa o ar insufladoser pois o indicado pela letra C.


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Figura 131 - Fator de Calor Sensvel

Repetindo o procedimento indicado para as temperaturas do ar insuflado a 15 e10C, obtm-se os valores da Tabela 27 para cada uma das diferentes grandezas.

Tabela 27 Propriedades do ar insuflado

ti(C)temperatura ar

insuflado

tA tI

(C)

m&

(kg/h)

x

ar

agua

kg

g

Ponto noDiagrama

20 6 13.887,5 1,2 C

15 11 7.575,7 2,2 D

10 16 5.208,3 3,2 E

Da tabela, pode-se observar que:

1. Existe um nmero infinito de condies de ar de insuflamento que neutralizam o calorsensvel e o calor latente do ambiente;

2. Todos os pontos representativos das diferentes condies capazes de neutralizarsimultaneamente as cargas sensveis e latentes, e somente eles, se encontram sobre umsegmento de reta (AB, da Figura 131) que passa pelo ponto indicativo das condies doambiente.

3. A inclinao do dito segmento de reta correspondente ao valor do Fator de Calor

Sensvel (tot

S

q

qR= ) o qual uma caracterstica do ambiente considerado e definido

como Fator Trmico do Ambiente.

4. A vazo de ar ser mnima se esse ar introduzido nas condies do ponto B,interseo da linha de saturao com a reta de inclinao R que passa por A.

5. Se o ar insuflado, por exemplo, na quantidade que corresponderia ao ponto C, mas nacondio F, resultaria um ponto G, com propriedades diferentes do ponto A, desejado.

Resfriamento e Umidificao

A adio de umidade do ar sem que se acrescente energia faz com que o ponto deestado se mova sobre uma linha de entalpia constante (transformao isoentlpica). Atransformao ocorre praticamente com temperatura de bulbo mido constante.

A Figura 132 demonstra um mtodo de se realizar essa transformao. Em Aumavazo de ar no saturado insuflado em uma cortina de gua gelada, saindo mais frio ecom a mesma energia (entalpia) inicial.


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Figura 132 Exemplo de Processo de Resfriamento e

Umidificao

Figura 133 Processo de Resfriamento e Umidificao

Define-se Eficincia de Saturao a relao:

( )

( )100.

CA

BA

S tt

ttE

=

onde:

tA temperatura de bulbo seco do ar na entrada do processo

tB temperatura de bulbo seco do ar na sada do processo

tC temperatura de bulbo mido do ar na entrada, a qual coincidiria com a temperatura debulbo seco da sada se o ar saturasse completamente

Na prtica, se o condicionador suficientemente grande/potente e possua ummnimo de duas linhas de pulverizao, a eficincia da saturao pode alcanar e atsuperar 92%.

Este processo foi um dos primeiros a ser empregados nas instalaes de ar


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condicionado e ainda empregado nas indstrias txteis e, em geral, naquelas quenecessitam para seus ciclos de produo uma massa de ar com umidade relativa elevada.

Aquecimento e Umidificao

O ar pode ser aquecido e umidificado simultaneamente se o fizermos passar por umcondicionador que contenha uma tubulao que pulverize gua quente ou simplesmentemediante uma injeo direta de vapor, Figura 134.

Figura 134 Exemplo de Processo de Aquecimento e Umidificao

Esse processo caracterizado por um aumento da entalpia e da razo de umidadedo ar tratado. Mas a temperatura de bulbo seco final pode ser menor, maior ou igual atemperatura inicial, em funo das temperaturas, o comeo do tratamento, do ar e da gua ede suas respectivas vazes.

A) Se a vazo de gua pulverizada grande em comparao com a vazo de ar

O ar sai quase saturado e com temperatura prxima a da gua. Na Figura 135 estorepresentados os diversos casos possveis.


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Figura 135 Processo de Aquecimento e

Umidificao

- AB representa a transformao sofrida pelo ar no caso da temperatura da guapulverizada ser inferior temperatura de bulbo seco do ar na entrada.

- AC e AD representam transformaes anlogas, onde a temperatura da guapulverizada se encontra, na mesma temperatura de bulbo seco do ar de entrada (AC) eacima desta ltima (AD).

Como no caso do processo de resfriamento e umidificao (resfriamentoadiabtico), o ar sair saturado do condicionador. A capacidade de saturao do ar pode

ser expressada da mesma forma que a Eficincia de Saturao.

B) Se a quantidade da gua pulverizada relativamente pequena em comparao com avazo de ar insuflado

A gua se esfriar notavelmente em contato com o ar e o processo ocorrer comorepresentado na Figura 135, pelos pontos B, Ce D. Observe-se que o ar resultante noestar saturado, estando com uma umidade relativa prxima dos 90%, dependendo dascondies colocadas anteriormente (temperatura gua, vazo gua, ...).

O processo pode ser tambm efetuado por uma injeo direta de vapor no arinsuflado, fazendo este ltimo passar sobre uma superfcie de gua, que mantida quente

por meio de serpentinas por onde circulam vapor de gua a temperaturas elevadas ou pormeio de resistncias eltricas.

Nesse caso, o ponto representativo do ar no diagrama pode ser calculado fazendo-seum balano de entalpias e razes de umidades.

RESUMO


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Mtodos de Med io de Um id ade em Gas es7

1. IntroduoA presena ou ausncia de vapor dgua no ar ou em outros gases influencia uma

ampla faixa de processos fsicos, qumicos e biolgicos. Desse modo, as medies deumidade so importantes para diversos processos industriais, e para alguns deles so

parmetros crticos que influenciam os custos do processo, a qualidade do produto, a sadee a segurana.

Existem inmeras tcnicas conhecidas para a medio da umidade. O assunto tambm complicado pela confusa variedade de modos de se expressar a umidade.Analogamente ao que ocorre em outros campos da metrologia, a utilizao de uma formaconsistente e harmonizada de se expressar a medio de umidade tem se tornado cada vezmais importante, do mesmo modo que necessrio um entendimento comum dasdefinies e dos termos utilizados na higrometria.

A umidade uma quantidade relativamente difcil de ser medida na prtica, e aexatido atingvel normalmente no to boa quanto as possveis de serem obtidas emoutras reas da metrologia. Por exemplo, a massa de um objeto pode ser determinada pela

pesagem em um laboratrio comum dentro de uma parte em 100.000. Analogamente, apresso atmosfrica pode ser freqentemente medida dentro de 5 partes em 10.000.

A umidade, entretanto, pode ser normalmente medida apenas dentro de 3 partes em 100, ouseja, com uma incerteza no resultado de 3%.

Para se realizar uma medio confivel, em um determinado nvel de exatido, necessrio utilizar uma tcnica segura e apropriada. Para isto, necessitamos definir

precisamente o objetivo da medio, selecionar um mtodo adequado de medio validadopor uma calibrao confivel, realizar a medio corretamente sem introduzir erros e,finalmente, interpretar com bom senso o resultado da medio.

2. O que a Umidade?

A palavra umidade significa a presena de vapor dgua no ar ou em outro gs. Ovapor dgua o estado gasoso da gua, e pode ser imaginado como algo similar aqualquer outro tipo de gs. normalmente transparente, e participa com aproximadamenteum centsimo (ou um porcento) no ar ao nosso redor.

A umidade surge na prtica porque, do mesmo modo que a gua quente emite ovapor caracterstico, a gua fria, incluindo-se o gelo, tambm exala vapor dgua. Ondequer que haja gua ou gelo, existe um processo de evaporao, ou seu oposto, acondensao. A intensidade com que isto ocorre depende de uma srie de fatores, dos quaiso mais importante a temperatura. De modo anlogo, outros lquidos ou materiais slidos,

7 MERCOFRIO 98 Feira e Congresso de Ar Cond., Refrigerao, Aquecimento eVentilao do Mercosul

Cludia dos Santos - [email protected] - Kazuto Kawakita - [email protected]

IPT - Instituto de Pesquisas Tecnolgicas do Estado de So Paulo S.A. - Laboratrio deVazo

So Paulo - SP - Brasil


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a maioria dos quais possui alguma gua incorporada, tambm desprendem, ou s vezesabsorvem, vapor dgua. evidente que o vapor dgua tambm pode ser encontrado emlocais onde no existe nenhum lquido ou slido nas vizinhanas, a exemplo do que ocorrenas camadas remotas da atmosfera terrestre.

O ar possui uma determinada capacidade de absorver o vapor dgua. Como dito

anteriormente, esta capacidade depende principalmente da temperatura. Em geral, quantomais quente o ar, mais vapor dgua ele pode absorver.

Em uma determinada temperatura, o ar que contiver a sua mxima capacidade deabsoro de vapor dito estar saturado. A umidade relativa de uma amostra de ar expressao seu nvel de saturao de vapor dgua. Uma variedade de outros parmetros (absolutos)so utilizados para expressar a quantidade de vapor presente no ar, independentemente datemperatura ou do nvel de saturao.

3. Mtodos de Medio de Umidade

Os diferentes parmetros e unidades utilizadas na medio de umidade so todasinterrelacionadas, algumas das quais como funes da temperatura e presso, e tambm doteor de umidade contido no gs. Isto significa que existe freqentemente uma opo deescolha para o parmetro a se medir. A umidade relativa, em particular, pode ser medidadiretamente utilizando alguns tipos de instrumentos disponveis comercialmente.

Entretanto, a mesma pode ser derivada indiretamente, por exemplo, a partir demedies de temperatura e de ponto de orvalho.

Princpios de Operao de Vrios Higrmetros

A umidade influencia uma ampla gama de processos fsicos, qumicos e biolgicos.Em decorrncia deste fato, existem diversos tipos de efeitos relacionados com a umidadeque podem ser explorados para a indicao das mudanas de umidade. A descrio dealguns do mtodos mais importantes para a medio da umidade em gases so fornecidos aseguir.

H igrmetros Mecni cos

Os higrmetros mecnicos exploram as propriedades de expanso e de contrao demateriais orgnicos conforme as variaes de umidade. O elemento sensor pode serconfeccionado a partir do cabelo humano, catgut (material utilizado em cordas de violino,raquetes de tnis, etc.; obtido atravs da toro de intestinos de ovelhas e outros animais),tecidos e plsticos.

Psicrmetros de bulbos seco e mido

Um psicrmetro de bulbos seco e mido constitudo de um par de sensores detemperatura sobre os quais o ar forado a escoar. Um dos sensores inserido em ummeio poroso (uma mecha ou tecido), o qual mantido mido pela ao de capilaridade a

partir de um reservatrio de gua.


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A gua se evapora da mecha a uma taxa especfica e dependente da umidade do ar,sendo que este processo de evaporao faz com que o sensor seja resfriado. Astemperaturas dos sensores, denominadas de temperaturas de bulbo seco e mido soutilizadas no clculo da umidade do ar. A umidade, nesse caso, pode ser determinada tantoatravs de programas de clculo quanto atravs de tabelas como as da BS 4833: 1986

(1992) Hygrometric tables for use in the testing and operation of environmental enclosures.Alguns tipos de psicrmetros so equipados com uma eletrnica que calculaautomaticamente a umidade a partir das medies de temperatura de tal modo a que aumidade relativa ou o ponto de orvalho possam ser lidos diretamente no display doinstrumento.

Para que o princpio no qual se baseia a operao deste tipo de medidor de umidadeseja plenamente utilizado, recomendvel que o mesmo possua incorporado um pequenoventilador para promover a aspirao do ar, a uma determinada velocidade, sobre ossensores mido e seco. Outras formas de medidores, a exemplo do psicrmetro no-aspirado de Mason, ou mesmo o psicrmetro manual giratrio (conhecido tambm porreco-reco), so menos eficazes na utilizao do princpio descrito e, desse modo, estomais propensos a fornecer medies errneas da umidade.

Medidores por Impedncia Eltr ica (Capaci ti vos ou Resisti vos)

O sensor utilizado neste tipo de medidor fabricado a partir de um materialhigroscpico, cujas propriedades eltricas se alteram na medida em que o mesmo absorveas molculas de gua. As mudanas na umidade so medidas em termos de alteraes nacapacitncia ou resistncia eltrica do sensor, ou mesmo na combinao das duas. Amaioria dos sensores de impedncia modernos utilizam a tecnologia de filmes finos. Oshigrmetros eltricos so normalmente portteis e compactos, sendo que a forma mais

usual deste instrumento composta de uma pequena sonda ligada por meio de um cabo, oumesmo conectada diretamente ao corpo principal do medidor.

Existem atualmente disponveis sondas de perfil especial para aplicaesparticulares. Estas sondas so normalmente equipadas com uma espcie de filtro paraproteg-las de contaminaes, apesar de que esta proteo pode prejudicar o tempo deresposta do sensor. Os higrmetros de impedncia so normalmente equipados tambmcom um sensor de temperatura. As leituras so fornecidas diretamente em um display,algumas vezes com a possibilidade de escolha do parmetro desejado (P.e. umidaderelativa ou ponto de orvalho), e podendo inclusive dispor de uma sada na forma de umsinal eltrico proporcional.

Sensores Capaci ti vos

Respondem mais efetivamente umidade relativa do que ao ponto de orvalho,apresentando uma melhor linearidade em baixas umidades relativas. Em geral os sensorescapacitivos no sofrem danos pela condensao (100% de umidade relativa), contudo, seisto ocorrer, a calibrao pode apresentar um desvio.

Sensores Resistivos

Analogamente aos sensores capacitivos, respondem mais efetivamente umidaderelativa do que ao ponto de orvalho. Por outro lado, apresentam uma melhor


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linearidade em umidades elevadas. A maioria dos sensores resistivos no toleram acondensao sobre o elemento sensor. Entretanto, alguns modelos possuem dispositivos de

proteo que evitam a condensao, por exemplo atravs de um aquecimento automticodo sensor.

Um tipo especfico de sensor resistivo por vezes referido como Eletroltico devido ao

uso de um polieletrlito como elemento higroscpico do sensor. Entretanto, este sensor nodeveria ser confundido com os sensores eletrolticos que utilizam a eletrlise comomecanismo sensor.

Sensores de Ponto de Orvalho por Impedncia

So um caso especial dos higrmetros de impedncia, utilizados mais para amedio em unidades absolutas do que em termos da umidade relativa. Seguindo um

princpio geral similar, o sensor pode ser composto de xido de alumnio ou de outrosmetais, ou mesmo uma base de silicone para o elemento ativo. Este tipo de sensor responde

presso parcial do vapor. Normalmente, o sinal convertido em outras unidadesabsolutas, resultando em valores apresentados pelo instrumento em termos de ponto deorvalho ou ppmv (parte por milho em volume). Estes medidores podem apresentar umaampla faixa de medio, incluindo-se gases muito secos.

H igrmetros por Condensao

A temperatura de ponto de orvalho pode ser medida atravs do resfriamento gradualde uma amostra do gs at que ocorra a condensao do vapor dgua, e observando atemperatura em que isto ocorre.

Em um higrmetro de ponto de orvalho ptico, a condensao do vapor dgua noforma de orvalho ou gelo induzida a ocorrer sobre a superfcie de um pequeno espelhodentro do instrumento. O incio da condensao detectado opticamente pela ocorrnciade alteraes no modo em que o espelho reflete ou espalha um feixe de luz incidido sobreo mesmo. A leitura pode ser registrada no instante da condensao, ou o espelho pode sermantido quela temperatura possibilitando que uma srie de leituras seja obtida. Os

projetos e concepes utilizados variam, alguns apresentando o sensor incorporado emuma espcie de sonda, e outros fazendo a amostragem do ar atravs de um tubo. Enquantoque as sondas podem ser razoavelmente compactas, o corpo principal do medidor relativamente grande e no porttil. As leituras so apresentadas na forma de temperaturade ponto de orvalho, possuindo tambm uma sada eletrnica do sinal.

Outros sensores de ponto de orvalho no-pticos detectam a condensaoeletricamente, ou atravs de outros mtodos tal como a mudana na freqncia deressonncia de um cristal de quartzo.

H igrmetros de Cloreto de Ltio Satur ado

O elemento sensor, que um sal higroscpico, absorve o vapor dgua do ar. Umatenso eltrica aplicada atravs do sal e uma corrente proporcional atravessa o mesmo deacordo com a quantidade de vapor dgua que foi absorvida. No mesmo instante, a correnteeltrica tambm aquece o sal. Ao final, alcanado um balano entre a absoro e o

aquecimento. A temperatura em que este equilbrio ocorre , ento, relacionada com apresso de vapor dgua. O instrumento normalmente disponvel na forma de uma


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sonda, com as leituras apresentadas na forma de ponto de orvalho.

Eletroltico (pentxi do fosforoso)

O sensor consiste de um filme de um poderoso secante, pentxido fosforoso(P2O5), que absorve fortemente o vapor dgua contido no gs ao seu redor. Uma tensoeltrica aplicada atravs do P2O5, o que provoca a eletrlise, dissociando a gua em seusconstituintes - hidrognio e oxignio. A corrente que flui neste processo relacionada,atravs da Lei de Faraday, quantidade de gua eletrolisada. Assim, o valor da corrente utilizado como indicador da umidade do gs que est sendo medido. Estes sensores soadequados medio de umidades bastante baixas, embora eles exijam que a vazo do gsseja estvel e determinada. Este instrumento mede a concentrao de gua por unidade devolume, com as leituras apresentadas em uma das unidades absolutas, tais como partes pormilho por volume ou presso de vapor. Eles so normalmente mais utilizados naconfigurao de amostragem do gs por meio de um tubo, do que na forma de uma sonda.

H igrmetros Espectroscpicos

Em geral, uma tcnica espectroscpica aquela onde a composio de uma misturade gs determinada atravs da anlise do modo como as substncias absorvem ou emitemluz de comprimentos de onda e freqncias particulares. Toda substncia qumica possuiuma banda de freqncias caracterstica, e ela pode estar nas faixas do ultravioleta ou doinfravermelho do espectro. A tcnica espectroscpica pode ser uma alternativa til se fornecessria a medio das concentraes de outras substncias, alm da do vapor dgua.

A tcnica espectroscpica utilizada tanto para a umidades altas quanto para as

moderadas baseada na absoro infravermelha. A gua absorve a radiao infravermelhaem vrios comprimentos de onda na faixa de 1mm a 10mm. A intensidade da radiaotransmitida mediada em um destes comprimentos de onda e comparada com aquelaobtida para um comprimento de onda de referncia, utilizando uma fotoclula paradeteco. A quantidade desta radiao absorvida pelo gs proporcional concentraoespacial (ou presso parcial) do vapor dgua.

As tcnicas espectroscpicas podem ser tambm utilizadas para a medio deconcentraes extremamente baixas de vapor dgua, da ordem de algumas partes por

bilho (ppb). Existem vrias verses desta tecnologia sofisticada, incluindo-se a APIMS(atmospheric pressure ionisation mass espectrometry), a FT-IR (Fourier-transform infraredspectroscopy), e a TDLAS (tunable diode laser absotion espectroscopy). Medidores de

Umidade por Mudana de Cor Existem indicadores de umidade que indicam as mudanasde umidade atravs de alteraes na cor de uma tira de papel ou de outro material. Omaterial sensor impregnado com cloreto de cobalto, e a mudana de cor ocorre comoresultado de uma reao qumica da umidade com esta substncia qumica. Outras tcnicasde medio baseadas na alterao de cor envolvem o bombeamento de gs atravs de uma

pequena garrafa recheada com cristais que mudam de cor de acordo com a umidade do gs.

Outros Mtodos

Obviamente, a relao apresentada est longe de ser completa. Outros mtodos e princpiosque tm seus usos em aplicaes particulares incluem:


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Acstico

A alterao da velocidade de transmisso do som no ar (ou em outros materiais)pode ser um indicador da umidade.

Expanso Adiabtica

O efeito do resfriamento do ar em uma expanso produz uma nvoa se atemperatura de ponto de orvalho for alcanada.

Gr avimtrico

Baseia-se na pesagem da umidade absorvida por um material. Lyman-alpha. A

absoro e emisso de luz ultravioleta pelo ar um indicativo da presso parcial do vapordgua.

F ibr a ptica

A perda ou reflexo da luz pelas camadas da fibra indicam alteraes na umidade.ndice de Refrao ptica. A velocidade da luz no ar depende de sua composio,incluindo o vapor dgua.

Piezoeltr ico (oscilador de quar tzo)A freqncia de ressonncia de um cristal de quartzo indica a massa de gua que

ele absorveu do ar.

Ponte Pneumti ca

A presso do vapor dgua determinada a partir da mudana na presso globalquando a presso de vapor removida.

Condut ibi l idade Trmica

A perda de calor a partir de um fio quente afetada pelo vapor dgua e pelosdemais gases constituintes.

Variao Trmica.

Calor de adsoro ou deadsoro da gua a partir de um secante.

Zircnia

O vapor dgua detectado pela medio do teor de oxignio no gs, ecomparando-o com uma quantidade de referncia de oxignio.


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Alguns dos mtodos apresentados anteriormente tambm se aplicam medio deumidade em slidos e lquidos.

A Tabela 1 apresenta simplificadamente uma viso geral das caractersticas dosprincipais tipos de higrmetros. Na mesma, so fornecidas indicaes gerais daspropriedades dos diferentes mtodos. As notas entre colchetes fornecem informaesadicionais, ou caractersticas que nem sempre so disponveis. Evidentemente, osfabricantes de instrumentos ou os fornecedores deveriam ser consultados no caso danecessidade de detalhes especficos, principalmente porque as tecnologias esto emcontnuo desenvolvimento. So fornecidas igualmente as incertezas para os diferentes tiposde instrumentos. Em casos excepcionais, os instrumentos podem apresentar umdesempenho por vezes melhor do que os indicados aqui. Em outros casos, contrariamente,eles podem se comportar de uma maneira inferior do que a pior estimativa

apresentada na tabela, devido s circunstncias particulares de cada aplicao.


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Tabela 1. Resumo de algumas caractersticas dos principais princpios de medio deumidade.

Faixas tpicas de operao

(faixas ampliadas entre

parnteses)Tipo de Sensor

Umidade

absoluta ourelativaUmidade Temperatura (1)

Unidades

tpicas deindicao

Tolerncia contaminao (2)

(aps a limpezaentre parnteses)

Configurao,

tipo deamostragem

Melhorincerteza tpica

deamostragem(3)()

Mecnico R 20% a 80% URPrxima

temperaturaambiente

%UR ***Totalmente

imerso5 15%UR

Psicrmetroaspirado de bulbos

seco e midoR 5% a 100% UR

0C a 100C

(tambmutilizvel almdesses limites)

%UR

(calculada apartir das

temperaturaslidas)

*

(**)

Totalmenteimerso (ou poramostragem)

2 5%UR

Resistivo R5% a 95% UR

(at 99% UR)

-30C a +60C

(-50C a 200C)

%UR **Sonda (outotalmente

imerso)

2 3%UR

Capacitivo R5% a 100% UR(at prximo de

0% UR)

-30C a +60C

(-40C a 200C)%UR **

Sonda (outotalmente

imerso)2 3%UR

Ponto de Orvalho por impedncia

A

Ponto deorvalho de

85C (ouinferior) a

+60C

At +60C

Evitando-se asaturao

Ponto deorvalho,

presso devapor

** Sonda 2 5C

Ponto de Orvalho por condensao

A

Ponto deorvalho abaixo

de 85C a+100C

-85C a +100C

(equipamento temperaturaambiente)

Ponto deorvalho

*

(**)Amostragem degs (ou sonda)

0,2 1,0C

Ponto de Orvalho por Cloreto de Ltio

A

Ponto deorvalho de

45C a +60C

Sempre o gsacima de

11%UR e nosaturado

-20C a +60C

(alguns operamde -40C a+100C)

Ponto deorvalho

* Sonda 2 4C

Eletroltico Pentxito Fosforoso

AMenos que1ppmVa

1000ppmV

Prxima temperatura

ambiente

ppmV

ou pressode vapor

*Amostragem de

gs3 10% da

leitura

Espectroscpico A

Faixaextremamente

ampla,dependendo do

tipo

Faixa bastanteampla

(equipamento temperaturaambiente)

ppmV(e outros) ***

Amostra de gs(amostragem

na linha deviso em alta

umidade)

3 10% daleitura em altas

umidades,muito maiorem baixasumidades

Variao de cor R20%UR a80%UR

Prxima temperatura

ambiente%UR **

Carto de testeem papel (ougs bombeadoem garrafa de

vidro)

10 20%UR

(1) Quando as faixas de temperatura so fornecidas, elas se referem s faixas de operao

para a medio de umidade, e no s faixas de operao de algum tipo de sensor detemperatura eventualmente incorporado ao medidor.


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(2) A tolerncia geral de contaminao indicada atravs de astersticos: [* * *] para umaboa tolerncia, [* *] para uma mdia e [*] para uma tolerncia pobre.

(3) As incertezas indicativas assumem uma calibrao rastreada e no incluem qualquercontribuio que poderia advir de uma utilizao inadequada do medidor. As incertezasso fornecidas a um nvel de confiana de aproximadamente 95% (i.e. um fator deabrangncia k = 2).

4. Vantagens e Limitaes

A seguir esto listadas algumas das vantagens e desvantagens de cada um dosprincipais mtodos de medio de umidade apresentados.

H igrmetros Mecni cos

So adequados medio das condies normalmente presentes dentro delaboratrios e ambientes fechados em geral.

+ Alguns modelos no necessitam de alimentao ou baterias.

+ Os termohigrgrafos permitem o registro permanente em carta.

+ Podem ser relativamente mais baratos.

- Apresentam uma resposta lenta a mudanas na umidade.

- Podem sofrer de histerese.

- Podem se descalibrar devido a vibraes e movimentaes.

Psicrmetros de bulbos seco e mido

Indicados para ambientes com espao relativamente grande e umidades mdias eelevadas.

+ So normalmente simples, baratos, confiveis e robustos.

+ Podem apresentar uma boa estabilidade.

+ Atendem uma ampla faixa de umidades.

+ Toleram altas temperaturas, e at mesmo a condensao.

- Exige alguma habilidade para o seu uso e manuteno.- Resultados podem exigir clculos, exceto nos automticos.

- A medio requer uma amostra relativamente grande de ar.

- A amostra ser umidificada pela gua evaporada.

- Impurezas no ar ou na gua podem contaminar a mecha, exigindo limpezas etrocas regulares.

- As medies podem ser complicadas abaixo de cerca de 10C, pela dvida entre apresena de gua ou de gelo sobre a mecha quando a temperatura da mesma caiabaixo de 0C.

- Os psicrmetros do tipo manual giratrio e os no-aspirados so mais propensos amedies errneas da umidade.


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Medidores por Impednci a Eltr ica (Capaci ti vos ou Resisti vos)

Os sensores resistivos e capacitivos so utilizados para uma variedade deaplicaes, normalmente em condies ambiente, incluindo-se a utilizao para o controle

de sistemas de ar condicionado e outros processos. Alguns tipos podem ser utilizados emcondies mais extremas. Os medidores de ponto de orvalho so distintos de outros nestegrupo, uma vez que eles cobrem nveis de umidade muito mais baixos, fornecendo leiturasem valores absolutos, e so utilizados no controle e monitorao de gases relativamentesecos.

No geral, os sensores por impedncia eltrica so:

+ Normalmente, fceis de utilizar.

+ Disponveis com memria integral para armazenamento de dados.

- Podem apresentar desvios na calibrao se utilizados a altas temperaturas (acimade 40C) e/ou em altas umidades (o desempenho pode variar).

- Podem sofrer desvios e histereses.

- Podem ser danificados por agentes qumicos agressivos.

Sensores capacitivos, em particular,

+Normalmente toleram a condensao, embora a calibrao possa desviar.

Sensores resistivos, em particular,

- Podem ser inutilizados pela condensao, embora alguns modelos possuam osensor protegido.

Sensores de ponto de orvalho por impedncia, em particular,

+ Normalmente, toleram a condensao, embora a calibrao possa desviar.

+ Podem apresentar uma ampla faixa de medio.

- Podem ter um ajuste lento em baixas umidades absolutas.

- Apresentam alguma tendncia ao desvio.

H igrmetros por Condensao

Os higrmetros pticos de ponto de orvalho so freqentemente utilizados comopadres de referncia em calibraes, em uma ampla faixa umidades.

+ Podem proporcionar medies com baixa incerteza.

+ Geralmente apresentam bom desempenho a longo termo.

+ Possuem uma ampla faixa de medio.

- Estes higrmetros so relativamente caros.

- Normalmente, requerem alguma habilidade para a operao.

- A contaminao do espelho pode ocasionar leituras incorretas.

- O espelho deve ser limpo com gua purificada.

- As medidas de temperatura de ponto de orvalho com valor abaixo de 0C exigem


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uma interpretao cuidadosa, a fim de verificar se o condensado gelo ou gua.

H igrmetros de Cloreto de Ltio Satur ado

Utilizam um mtodo conhecido j h longo tempo e historicamente utilizado para amedio de uma ampla faixa de condies ambientais.

+ Podem ser relativamente baratos.

- No conseguem medir umidades abaixo de 10%UR.

- No toleram a condensao.

- Apresentam resposta lenta.

- Sofrem contaminao de materiais higroscpicos ou solventes.

- Exigem alguma habilidade, especialmente para a manuteno.

Eletroltico (pentxido f osforoso)

Analogamente, utilizam um mtodo conhecido j a longo tempo e utilizado emambientes secos.

+ So compatveis com alguns gases corrosivos.

+ Podem apresentar boa sensibilidade.

- As clulas de medio possuem uma vida limitada, aps a qual elas devem serregeneradas e recalibradas.

- O controle da vazo do gs amostral crtico.

- So danificados pela exposio umidade ambiente, e por vezes a umidades

excessivamente baixas (abaixo de 1ppmv).- Apresentam uma resposta lenta nas umidades mais baixas.

- Hidrocarbonetos, butadena, amnia e alguns outros contaminantes impedem umaoperao adequada.

- Adiciona alguns traos de hidrognio e oxignio na amostra de gs, que podem serecombinar, ocasionando erros.

H igrmetros Espectroscpicos

Ampla faixa de utilizao, indo desde a medio de umidade de gases em fornos eprocessos de combusto at a medio de traos de componentes em processos envolvendogases de alta pureza.

+ Adequado ao uso com quase qualquer tipo de gs, inclusive os corrosivos ereativos.

+ Pode ser utilizado para a medio de concentraes de outras substncias aomesmo tempo.

+ Consegue medir a umidade em gases a altas temperaturas.

+ Princpio de medio sem contato.

+ Resposta rpida.

+ Alta sensibilidade.- Utiliza tecnologia sofisticada.


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- relativamente caro.

- difcil de calibrar.

- Dixido de carbono pode interferir na medio da umidade se presente em altaconcentrao.

O higrmetro espectroscpico por absoro infra-vermelha em particular utilizadoem processos industriais onde o ambiente pode ser sujo, com alto teor de umidade, e emaltas temperaturas.

+ Pode ser projetado para utilizao em ambientes hostis.

Outros mtodos espectroscpicos como o APIMS, o FT-IR e o TDLAS podem sertambm utilizados para a medio de concentraes extremamente baixas de vapor dgua,da ordem de algumas partes por bilho (ppb).

+ Podem medir concentraes bastante baixas de vapor dgua.- Exige uma percurso longo da amostra para uma sensibilidade adequada em nveis

baixos de umidade.

Medidores de Umidade por Mudana de Cor

Utilizados principalmente de uma forma visual expositiva como indicadores deumidade montados em paredes.

+ No necessitam de nenhuma bateria ou alimentao eltrica.

+ Podem ser facilmente observados.

+ So baratos e simples.

- Proporcionam apenas uma indicao grosseira da umidade.

- So difceis de calibrar.

5. Seleo de um Tipo de Higrmetro

A fim de assegurar a adequao finalidade necessrio, antes de tudo,estabelecer com clareza qual a finalidade da medio. A realizao de uma medio da

umidade realmente necessria? Se sim, qual ser o seu uso, negcios ou processo? Paraserem teis, como os resultados deveriam ser expressos? A medio visa atender umanecessidade prtica, ou objetiva cumprir uma especificao documentada, e se for este ocaso, a especificao significativa e realstica? Uma vez que a necessidade e o objetivode se realizar a medio esto claros, importante decidir quais fatores so relevantes parase atingir tal objetivo.

Para isto, o usurio deveria considerar as seguintes questes. Qual a unidade ou aescala de medio a utilizar? O parmetro de interesse pode ser umidade relativa, ponto deorvalho, ou alguma outra medida de concentrao de vapor dgua.

geralmente melhor selecionar um mtodo de medio que intrinsecamente detecta

o parmetro de interesse. Muitos higrmetros fornecem os resultados em termos de dois oumais parmetros de umidade. Isto freqentemente til, mas deveria ser


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entendido que normalmente somente um parmetro est sendo medido, e os outros valoresso resultantes de converses numricas. Devido a isto, o que se espera que uminstrumento possa fornecer uma indicao confivel de apenas um dos parmetrosapresentados.

Alm disso, na seleo de um medidor, outros fatores tambm devem ser

considerados a exemplo da faixa de operao, do desempenho, tipo de indicao e sinal desada, facilidade de utilizao, materiais construtivos, etc..

6. Calibrao de Higrmetros

Os critrios de desempenho de um instrumento devem ser descritos em termos deuma especificao tcnica adequada. Isto determinar os limites dentro dos quais pode seesperar um comportamento condizente do instrumento. Por exemplo, se um medidor

possui uma especificao indicando uma incerteza de 3% da leitura, ento o usurio pode

de certa forma esperar que, se o instrumento for utilizado corretamente, o valor de umidadeque ele indicar estar correto dentro de 3% da leitura. Entretanto, no podemos confiarneste desempenho a no ser que o mesmo seja verificado atravs de uma calibrao doinstrumento. Uma especificao no a mesma coisa de uma calibrao, e tambm nunca asubstitui.

A calibrao um processo de comparao de um instrumento de medio contraum padro para o mesmo tipo de medio, cuja finalidade identificar eventuais desviosou erros sistemticos nas leituras. O resultado de uma calibrao normalmente resumidoem um certificado de calibrao, listando quaisquer correes que necessitam ser aplicadasaos valores indicados pelo instrumento, juntamente com a estimativa da incerteza dacalibrao, e outras informaes relevantes.

A rastreabilidade a padres reconhecidos a melhor maneira de assegurar aexatido das medies, e ela proporciona a consistncia das medies entre usurios emdiferentes pocas e locais. Uma medio rastrevel aquela que pode ser relacionada a

padres de medio apropriados, geralmente nacionais ou internacionais, atravs de umacadeia contnua de comparaes..

7. Referncias

BS 4833: 1986 (1992), Hygrometric tables for use in the testing and operation ofenvironmental enclosures.

Santos, C. e Kawakita, K., 1992, Introduo a medio e controle da umidadeatravs de higrmetros mecnicos, The Institute for Measurement and Control, 1996, Aguide to the measurement of humidity.


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Equaes Ps ic romtr ic as8

O diagrama psicromtrico meio muito conveniente de se determinar as relaesentre a gua e o ar, no entanto, algumas vezes necessrio se calcular estas propriedadesusando equaes. Muitas equaes so publicadas visando expressar essas relaes.Segue-se um conjunto de equaes publicadas pela ASAE American Society ofAgricultural Engineers e pela ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating andAir-Conditioning Engineers.

Notao Utilizada

h Entalpia da mistura ar-vapor dgua (J/kg)

hFG Calor latente de vaporizao na saturao (J/kg)

hFG1 Calor latente de vaporizao da gua a TWB(J/kg)

hFG2 Calor latente de vaporizao da gua a TDP(J/kg)

hIG Calor de sublimao do gelo (J/kg)

hIG1 Calor de sublimao do gelo a TWB(J/kg)

hIG2 Calor de sublimao do gelo a TDP(J/kg)

H Razo de umidade (kggua/kgar seco)

PATM Presso atmosfrica (Pa)

PVS Presso de saturao do vapor a T (Pa)PSWB Presso de saturao do vapor a TWB(Pa)

PV Presso do vapor (Pa)

RH Umidade relativa (decimal)

T Temperatura de bulbo seco (K)

TDP Temperatura de orvalho (K)

TWB Temperatura de bulbo mido (K)

VSA Volume especfico do ar (m/kgar seco)

W Razo de umidade (kggua/kgar seco)

WS Razo de umidade na saturao (kggua/kgar seco)t* Temperatura termodinmica de bulbo mido

(C)

h* Entalpia na temperatura de bulbo mido (kJ/kg)

Ra Constante do gs para o ar Ra = 287,055(J/kg.K)

As equaes seguintes foram publicadas na ASAE Standard Psychrometric DataASAE D271 (ASAE, St Joseph, MI USA).

8http://aeserver.ageng.ndsu.nodak.edu/envr/PsycEqns.htm


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ASAE

A Linha de Saturao, PVSem funo de T

( ) ( )TT

PVS ln46057,03605,6270960,31ln

= para ( )16,27338,255


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onde:

( )

( )11

62194,0

15577,019254,1006

FG

ATM

VTMSWB

h

P

PPP

B

+

= para ( )16,53338,255 T

Substitui-se hIG1por hFG1onde TWB273,16.

F Razo de Umidade

( )VATM

V

PP

PH

=

6219,0 para ( )16,53338,255 T

PV< PATM

G - Volume Especfico

( )VATMSA

PP

TV

=

287

H Entalpia

( ) ( )[ ] ( )DPIGDP TTHHhTHTh +++= 6864,187516,273598,20301,33343216,2739254,1006 2

para ( )16,27338,255 DPT

( ) ( ) ( )DPIGDP TTHHhTHTh ++= 6864,187516,2738,418616,2739254,1006 2

para ( )16,37316,273 DPT

I Umidade Relativa

S

V

P

PRH=

Albright

Albright (Environment Control for Animals andPlants, 1990, ASAE, St Joseph, MI, USA, usou

seguintes equaes do 1997 ASHRAE Handbook:Fundamentals (American Society of Heating,


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Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Atlanta,GA, USA) e desenvolveu:

A Presso de Saturao do Vapor

( ) TCTCTCTCTCCT

CPVS lnln 7

46

35

2432

1 ++++++=

onde:

Para gelo (-100 < T

10 psicrometria

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