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AVAC

Psicrometria

AVAC e Frio Industrial

1Curso de Engenharia das Energias Renováveis e do Ambiente – 3º ano 1º semestre

Psicrometria

• Psicrometria – área da ciência que estuda as propriedades termodinâmicas de misturas de ar seco e de vapor de água e da sua utilização para analisar os processos que envolvem ar húmido.

• O estudo é fundamental para o cálculo e dimensionamento de instalações de condicionamento de ar, frigoríficas, secagem e torres de arrefecimento.

• Analisaremos separadamente as propriedades do ar seco e do vapor de água e, posteriormente, abordaremos as propriedades do ar húmido e os processos de condicionamento de ar.


Psicrometria Bases Fundamentais

1- Temperatura– Temperatura bolbo seco (TBS)– é a temperatura do ar indicada por um

termómetro comum.– Temperatura bolbo húmido (TBH)– É a temperatura mais baixa que o ar

húmido pode atingir num determinado local e corresponde à condição de ar saturado obtida por evaporação de água. A TBH é indicada por um termómetro, cujo bolbo está envolvido em tecido húmido e exposto aos efeitos de um escoamento de ar. A temperatura do bolbo húmido é geralmente inferior à temperatura do termómetro de bolbo seco, excepto quando o ar está saturado; neste caso as duas temperaturas são iguais.

– Temperatura de orvalho (TO) - é a temperatura limite para que não se produza condensação da humidade contida no ar.


Psicrometria Bases Fundamentais

2- Humidade – é a quantidade de vapor de água que o ar contém.– Humidade Absoluta – é a massa de vapor de água por unidade de massa de ar

seco (kg/kg ar seco)– Humidade Relativa (HR=Pv/Ps) – é a relação entre a pressão real do vapor de

água contida no ar húmido e a pressão do vapor saturado à mesma temperatura.• HR=0 => ar seco; HR=1 => ar saturado; HR>1 => ocorrência de nevoeiro

– Grau de saturação C=(W/Ws)*100=[(P-Ps)/(P-Pv)]HR - Indica-nos a percentagem de vapor contido na mistura relativamente à quantidade máxima de vapor que a mistura pode conter à mesma temperatura. O seu valor é sempre muito próximo do valor da humidade relativa.


Psicrometria• Propriedades do ar seco

- Lei de Dalton

1

N

ii

P P

P- Pressão total da MisturaPi- Pressão parcial de cada componente da misturaN- número de gases presentes na mistura

Para a mistura de ar seco com vapor de água tem-se: P= Pa +Pv

Pa– pressão parcial do ar secoPv- Pressão parcial do vapor de água

Medidas de Concentração do vapor de água no ar seco:-Humidade relativa (%)-Teor de água: W= mv/ma - Ponto de orvalho - é a temperatura à qual o ar húmido se tornaria saturado, isto é , a temperatura à qual a pressão se saturação do vapor de água (Ps) é igual à pressão parcial de vapor de água no ar húmido.


Psicrometria

• Na análise das propriedades do ar húmido quer o ar seco quer o vapor de água são tratados como gases perfeitos, logo:

• PV=mRT P=rRT- Massa e constante dos gases

– Massa do ar seco padrão (Ma) = 28, 9645 g/mol– Constante dos gases (Ra) do ar seco é dada por: Ru/M =

8314,41/28,9645 = 287,055 m3.Pa.Kg-1 K-1

a v

ua a

a

uv v

v

m mmV V

RPV m T

MR

PV m TM

r r


Psicrometria 1) Massa volúmica

1 1

a v

u a a v va a a a v v

a u u u

uv v

v

m mVR PVM PVM

PV m T PM PMM V R T R T R TR

PV m TM

r

r r

1 1( ) ( )r r s a s v a s vu u

P HRP M HRPM PM HRP Ma MR T R T

Introduzindo a definição de humidade relativa e atendendo à lei de Dalton temos que:

De onde se pode concluir que: e ( )r r r a a a vu u

PMa HRPs M MR T R T

Conclusões: a densidade do ar húmido é sempre menor que a do ar seco para as mesmas condições de temperatura e pressão total, já que Ma>Mv. E também quanto maior for a humidade relativa menos denso será o ar húmido.


Psicrometria2) Teor em água

( )

v v v v s

a a a a s

m PM M HRPW

m PM M P HRP

Substituindo os valores dos pesos moleculares, temos que: 0,622

s

s

HRPW

P P

3) Entalpia a vH H H

( )aa a p

v v v v

H m c T

H m q c T

Em que T é expresso em ºC e Hv é referenciado a água no estado líquido a 0ºC, e qv representa o calor latente de vaporização, tem-se que:

( )

( )a

a

a p v v v

p v v a v

H m c T m q c T

h c T W q c T h Wh

Dado o pequeno intervalo de temperaturas que está em jogo no condicionamento de ar, pode-se considerar que os calores específicos são constantes:

1,005 (2501 1,87 )h T W T [kJ/kgarseco ]


Psicrometria: método analítico

• Exemplo: considere 100 m3 de ar húmido à pressão atmosférica, e TBS = 35ºC com 70% de humidade relativa. Calcule a humidade absoluta, a massa de ar e a massa de vapor.– Humidade absoluta:

– Massa de ar:

– Massa de vapor:

0,7 5,6280,622 0,622 0,0252 /101,325 0,7 5,628

s

ass

HRPW Kg KgP HRP

Ps – obtido da tabela termodinâmica de vapor

(101,325 0,7 5,682) 100 110,120,287 308,15

aa

a

PVM KgR T

(0,7 5,682) 100 2,770,46152 308,15

0,0252 110,12 2,77

vv

v v

v a

PV HRPsVM KgR T R T

M WM Kg


- As propriedades do ar húmido podem ser obtidas de forma mais expedita através de diagramas.

- Diagrama de Mollier (Françês) e de Carrier (Americano). Caso português (FNAC).

- A carta psicrométrica é construída para uma determinada pressão, normalmente associada à altitude, não permitindo a visualização de evoluções entre dois estados a pressões diferentes, tendo nestes casos que se recorrer ao cálculo analítico.

Psicrometria : diagrama psicrométrico


Carrier


Mollier


Diagrama psicrométrico


Leitura do diagrama psicrométrico


Processos de condicionamento de ar- Aquecimento sensível- Arrefecimento sensível- Humificação- Desumidificação- Arrefecimento e humidificação- Aquecimento e humidificação- Arrefecimento e desumidificação - Aquecimento e desumidificação


Mistura adiabática de duas correntes de ar:

– Se a mistura de der em condições isobáricas, podem-se estabelecer os seguintes balanços:

1) Energia:2) Massa de vapor de água :m – caudal de ar seco a misturar h – entalpia específica da massa de ar húmidoW- teor em água da massa de ar húmidoh3, W3 – entalpia específica e teor de água da mistura

1 1 2 2 1 2 3( ) m h m h m m h

1 1 2 2 1 2 3( ) mW mW m m W

3 2 3 2 3 2

1 1 3 2 3 2 1 3 1 3 1 3

1 1 3 2 3 2 3 21

2 1 3

( ) ( )( ) ( ) ( )

( )

W W h h T Tm h h m h h W W h h T Tm W W m W W W Wm

m W W

Lei da linha recta – o ponto da m da mistura encontra-se sobre a linha recta que une os dois estados iniciais.


Processos de condicionamento de ar• Aquecimento sensível => Aquecimento o ar a humidade específica

constante

( )a b aQ m h h

O processo diz-se sensível quando o teor de água não é alterado (W=Cte). Deste modo quer a massa de ar seco quer a massa de ar húmido se mantêm, sendo a energia trocada dada por:


Processos de condicionamento de ar• Humidificação => Processo de transferência de calor latente que se realiza

a temperatura de bolbo seco constante


Para que não haja variação de temperatura no processo, o ar deve ser humidificado com vapor saturado a t2.

Balanço de Massa de Vapor de água

Balanço de Energia

Arrefecimento com desumidificação-O Arrefecimento faz-se por contacto do ar húmido com um permutador de calor a uma temperatura inferior à temperatura final do ar. Assim , a superfície do permutador encontra-se a uma temperatura inferior ao ponto de orvalho do ar húmido e , portanto ocorrendo condensação de vapor na superfície do permutador. -O estado B’ (saturado) é típico de arrefecedores de ar por água fria em que o calor sensível e a humidade são retirados por contacto do ar com água a uma temperatura inferior ao ponto de orvalho do ar húmido. Se o permutador tivesse eficiência de 100%, (permutador de dimensões infinitas) todo o ar entraria em contacto com a sua superfície e o ar deixaria o permutador saturado (B’). Na realidade, o estado final do ar, dependerá de uma característica da bateria designada por factor de “By-Pass”.( )v a A Bm m W W

-Quantidade de água condensada:


O Factor de By-Pass determinará a posição do ponto de saída da bateria de frio sobre a recta que unirá os pontos correspondentes às condições de entrada na bateria e da temperatura equivalente de superfície, este último sobre a linha de saturação.O Factor de by-pass é definido como a relação entre a massa de “ar de by-pass” e a massa total de ar que passa pela bateria de frio.Este factor depende fundamentalmente do n.º de filas e da velocidade frontal do ar e diâmetro da tubagem .

Arrefecimento com desumidificação

´ ´ ´

´ ´ ´

´´

B B B B B B

A B A B A B

h h W W T TB BFBB A h h W W T T


Aquecimento com humidificação

-AB’ – Aquecimento sensível -B’B – Humidificação

-Na humidificação o teor em água do ar húmido aumenta devido à adição de água. O processo de humidificação por adição de vapor de água faz-se a temperatura de bolbo seco constante ou seja a calor sensível constante. Para conhecer o estado final de um processo de humidificação por vapor (o ar é feito passar por um humidificador de vapor que pulveriza o vapor no ar) é necessário um balanço de energia e balanço de massa:

´

a A v v a B

a B v a B

m h m h m hm W m m W

Definimos factor de calor sensível como sendo a razão entre as cargas sensível e total:

s s

T s l

Q QFCSQ Q Q

FCS é dado pelo declive da recta AB no diagrama psicrométrico22Curso de Engenharia das Energias Renováveis e do Ambiente – 3º ano 1º semestre

Qsm cp DT

Qlm hlv

Psicrometria• Exemplo 1 : Considere uma superfície do vidro de uma janela a 0ºC.

Sabendo que a temperatura interior é de 20ºC, determine a humidade relativa sem que ocorra condensação.Solução: TPO=0ºC, TBS=20ºC , cruzando TBS com TPO, obtêm-se : HR≈27%

• Exemplo 2: Considere um escoamento de 1 m3/s de ar húmido a 20ºC e 60% de humidade relativa. Marque no diagrama psicrométrico as seguintes transformações:– A) aquecimento por permutador de calor com potência de 10 kW.– B) uma injecção de 0,001 kg/s de vapor de água saturado a 40ºC


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