reduÇÃo da temperatura em uma corrente de ar por...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
REDUÇÃO DA TEMPERATURA EM UMA CORRENTE DE AR POR
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO
César Leonardo Miorando
Giovanni Minervino Furtado
Henrique Guimarães Oliveira
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Julho de 2013
RESUMO
O processo de resfriamento evaporativo é um método ambientalmente amigável e
energeticamente eficiente, que utiliza água como fluido de trabalho na redução de temperatura.
Este trabalho apresenta uma construção de um dispositivo que realiza este processo, tendo
também água como fluido trabalho, a fim de reduzirmos a temperatura em um duto na qual passa
um escoamento de ar a uma dada temperatura, umidade e vazão. O experimento foi construído
através de cano PVC com três tomadas de pressão e um motor de leitor de CD (drive de CD de
computador) para bombear água dentro do tubo para que assim aconteça o processo de
resfriamento evaporativo. A vazão foi calculada pela diferença de pressão causada no
escoamento do ar com um medidor de obstrução e por fim, medimos a umidade relativa pelas
temperaturas de bulbo seco e úmido. Para a condição ambiente, o dispositivo conseguiu baixar a
temperatura para 19,8 ºC e na condição na qual a temperatura de entrada foi de 40 ºC, o
dispositivo baixou para 33,43 ºC.
PALAVRAS-CHAVES: Resfriamento evaporativo, temperatura, ar, vazão, perda de carga e
umidade.
ABSTRACT
The evaporative cooling process is environmental-friendly and energy efficient, which
uses water as the working fluid for temperature reduction. This paper presents the construction of
a device which also uses water as the working fluid, in order to reduce the temperature in a duct
which passes in an air flow at a given temperature, humidity and velocity. The device was able to
lower the temperature considerably, being more efficient with higher temperatures and lower
humidity ratios. The experiment was constructed using PVC pipe with three pressure
connections and a motor retrieved from a computer’s CD drive, in order to pump the water inside
the pipe to make the process happen. The flow was calculated by the difference in pressure
caused in the air flow and finally measure the relative humidity from the readings in the dry and
wet bulb temperatures. For the ambient condition, the device could decreased the temperature to
19.8 ° C and in the condition in which the inlet temperature was 40 ° C, the device decreased to
33.43 ° C.
KEYWORDS: Evaporative cooling, temperature, air, mass flow meter, pressure drop and
humidity.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Desenho do dispositivo proposto...................................................................................12
Figura 2: Motor do drive de CD ...................................................................................................12
Figura 3: Tecido com as mangueiras.............................................................................................12
Figura 4: CD com a função de placa de orifício............................................................................13
Figura 5: Tomadas de pressão.......................................................................................................13
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Carta psicrométrica (Bayer, 2012).................................................................................14
Tabela 2: Gráfico para o coeficiente de escoamento.....................................................................15
Tabela 3: Cálculo da vazão............................................................................................................16
LISTA DE SÍMBOLOS
Vazão mássica......................................................... ̇..........................................................kg/s
Vazão volumétrica................................................... ̇...........................................................m³/s
Massa específica......................................................ρ............................................................kg/m³
Massa......................................................................M.......................................... ..................kg
Volume....................................................................ν.............................................................m³
Área.........................................................................A............................................................m²
Pressão.....................................................................P............................................................Pa
Força........................................................................F............................................................N
Força de superfície..................................................FS...........................................................N
Força de campo.......................................................FB...........................................................N
Velocidade..............................................................V............................................................m/s
Velocidade média...................................................Vmed......................................................m/s
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO...................................................................................................................8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................................8
3. FUNDAMENTAÇÃO.........................................................................................................9
3.2 EQUAÇÕES BÁSICAS................................................................................................9
3.1.1 CONSERVAÇÃO DE MASSA...........................................................................9
3.1.2 CONSERVAÇÃO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO..............................9
3.1.3 VAZÃO MÁSSICA................................................................................... .........10
3.1.4 VAZÃO VOLUMÉTRICA................................................................................10
3.1.5 PRESSÃO EM FLUIDOS..................................................................................10
3.1.6 PERDA DE CARDA..........................................................................................10
3.2.7 INCERTEZA DE MEDIÇÃO............................................................................11
3.1.8 VAZÃO MÁSSICA REAL................................................................................11
4. METODOLOGIA..............................................................................................................11
4.1 BANCADA PARA O EXPERIMENTO.....................................................................11
4.2 DIAGRAMA DO DISPOSITIVO PROPOSTO..........................................................12
4.3 FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO..................................................................12
5. RESULTADOS.................................................................................................................13
6. CONCLUSÕES.................................................................................................................16
7. REFERÊNCIAS.................................................................................................................17
1.INTRODUÇÃO
O resfriamento evaporativo opera utilizando fenômenos naturais através de processos
induzidos nos quais a água e o ar são os fluidos de trabalho. Consiste na utilização da evaporação
de água através da passagem de um fluxo de ar, provocando uma redução na temperatura do ar.
Esse processo possui como principal característica o fato de ser mais eficiente quando as
temperaturas são mais elevadas, ou seja, quando a necessidade de resfriamento é maior para o
conforto humano. Além disso, o aumento da umidade é benéfico em regiões secas e, em outras
regiões, com a umidificação, o ar insuflado deixa de causar o desconfortável ressecamento da
pele e mucosas do corpo que os sistemas convencionais proporcionam.
O resfriamento evaporativo tem ainda como atrativos e benefícios o baixo consumo de
energia, facilidades de manutenção, instalação e operação, sendo facilmente integrável em
sistemas de condicionamento de ar já instalados.
Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo construir um dispositivo que diminua
temperatura do ar que passa em uma tubulação com uma dada temperatura vazão e umidade,
através do resfriamento evaporativo.
Os experimentos foram realizados no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos –
LETA – na Universidade Federal do Rio Grande do Sul no Departamento de Engenharia
Mecânica.
2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O processo de resfriamento evaporativo, embora largamente utilizado em torres de
resfriamento de água, lavadores de ar, condensadores evaporativos e resfriadores de líquidos,
ainda é pouco explorado.
DATTA et al, 1986) propuseram um sistema de resfriamento evaporativo indireto, na qual a
capacidade é de 8,5 toneladas construído na Índia. Uma torre de resfriamento de 4,88m de
comprimento por 2,44m de largura e por 2,44m de altura. O trocador de calor é um tubo de
barbatanas seis linhas (1 x 1 x 0.15m) com quatro aletas por centímetro.O soprador é um tipo de
ventilador axial tendo um livre fornecimento de ar de 24000m3/h e uma potência de 1,2 KW.
Esta etapa é seguida por uma fase indireta de arrefecimento adiabático de uma câmara de
pulverização (1 x1 x1 m),seguido de um eliminador de névoa. A condição foi de temperatura
ambiente e o resultado foi uma redução de 3ºC, mas o principal resultado foi a economia de 20%
para esta condição.
Y. M. XUAN et al, 2012, fizeram um resfriamento evaporativo a três estágios, com base nos
dados meteorológicos da China. O dispositivo deles foi construído com uma vazão de 40000m3/h
e com uma potência de 26KW e com isso conseguiram reduzir a temperatura para 23ºC e a
umidade relativa entre 50 a 60% e o resultado mais significativo, foi que a partir deste artigo a
China obteve aplicações em sistema de resfriamento evaporativo.
3.FUNDAMENTAÇÃO
3.1.EQUAÇÕES BÁSICAS
3.1.1 CONSERVAÇÃO DE MASSA
O primeiro princípio físico ao qual aplicamos a relação entre as formulações de sistema e
de volume de controle é o princípio de conservação da massa: fluxo líquido de massa entrando
no sistema=aumento de massa dentro do sistema.
(3.1)
Assim, chegamos no formulação da conservação de massa:
(3.2)
O primeiro termo representa a taxa de variação da massa dentro do volume de controle; o
segundo termo representa a taxa líquida de fluxo de massa através da superfície de controle.
3.1.2 CONSERVAÇÃO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO
Este princípio é feito a partir da segunda lei de Newton aplicada em um volume de
controle.
A segunda lei de Newton para um sistema movendo-se em relação a um sistema de
coordenadas inerciais é dada por:
(3.3)
onde a quantidade de movimento linear do sistema é dada por:
(3.4)
e a força resultante F, inclui todas as forças de campo e de superfície atuando sobre o sistema,
F= FS + FB (3.5)
Assim, chegamos a formulação final, que é dada por:
FS + FB = (3.6)
onde é o volume de fluido.
3.1.3 VAZÃO MÁSSICA
Em situações práticas, há o interesse em sabermos a quantidade de fluido que atravessa
uma seção transversal de um duto, em um determinado instante de tempo, e segundo a apostila
do professor SCHNEIDER, 2013, o cálculo da vazão mássica é dado por:
(3.7)
onde, Ac é o produto do vetor velocidade com o vetor área, é a massa específica ,Vmed é a
velocidade média e dm/dt é a vazão mássica em uma determina instante de tempo.
3.1.4 VAZÃO VOLUMÉTRICA
A taxa ou vazão volumétrica de um fluido escoando em uma tubulação é dada por:
(3.8)
onde V é a velocidade do fluido e A é a área da seção transversal considerada.
3.1.5 PRESSÃO EM FLUIDOS
SCHNEIDER, 2013(apostila), para um fluido em repouso, define-se o escala pressão p
como sendo a razão do vetor força exercido pelo fluido perpendicularmente a uma área orientada
unitária, tal que:
(3.9)
A pressão é uma propriedade local do fluido, e para uma situação estática apresenta uma
forte dependência da posição, apesar de não ser dependente da direção.
3.1.6 PERDA DE CARGA
Perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando este escoa. A
perda de carga num tubo ou canal, é a perda de energia dinâmica do fluido devido à fricção das
partículas do fluido entre si e contra as paredes da tubulação que os contenha. Em escoamentos
incompressíveis e sem transferência de calor, a perda de carga de um sistema é causada
principalmente pelo atrito entre o fluido e a tubulação. Essa situação também pode acontecer
devido a perdas localizadas, ou devido a acidentes na canalização, como a presença de curvas,
reduções e expansões de seção, válvulas e medidores de vazão.
Como a diferença de altura causada no escoamento foi de 30mm, o valor da perda de
carda foi de 294,3 Pa, calculada pela seguinte fórmula:
(3.10)
onde, o ρ é da água( , pois o fluido manométrico foi a água, g=9,81m/s² e ∆H=0.03m.
3.1.7 INCERTEZA DE MEDIÇÃO
De acordo com SCHNEIDER, 2013, a grandeza física que é obtida através de um
procedimento experimental é sempre uma aproximação do valor verdadeiro da mesma grandeza.
A teoria de erros tem como objetivo determinar o melhor valor possível para a grandeza, e
quanto esse pode ser diferente do valor verdadeiro. O melhor valor possível também é chamado
de melhor estimativa ou valor experimental do mensurando. A incerteza pode ser então definida
como uma indicação de quanto o melhor valor pode diferir do valor verdadeiro, em termos de
probabilidades. Ainda em outras palavras, a incerteza é um valor estimado para o erro, i.e., o
valor do erro se ele pudesse ser medido ou se ele fosse medido.
3.1.8 VAZÃO MÁSSICA REAL
Para o cálculo da vazão mássica real, foi utilizada a seguinte fórmula:
(3.11)
onde, K é o coeficiente de escoamento, A é área de seção circular com o diâmetro
interno.
4.METODOLOGIA
Para a construção do resfriador evaporativo, foi usado os seguintes materiais:
Uma garrafa pet 2 litros;
Tampas de garrafas pet;
Um carregador de celular;
Motor e engrenagens de um aparelho leitor de CD;
Mangueiras;
Cola de silicone;
Tecido;
Um CD;
Cola;
Duto de fluido de freio;
Arame
4.1 BANCADA PARA O EXPERIMENTO
Dois testes com temperaturas diferentes foram feitos através do experimento. A primeira
condição foi com a temperatura em condição ambiente e a outra condição foi com uma
temperatura de 40ºC e com baixa umidade relativa. Em ambos os casos a velocidade do ar foi de
5m/s.
Ar, succionado por um ventilador, escoa até a seção de teste por meio de uma tubulação,
onde será instalado o resfriador e medidor construído. Esta tubulação possui um aquecedor
elétrico, um sensor de temperatura/umidade relativa, um umidificador e um sensor de vazão do
ar. O experimento deverá ser acoplado à bancada por meio de um flange já existente na bancada,
de diâmetro de 100 mm, o mesmo da tubulação. Outro flange com as mesmas dimensões deverá
ser previsto para a saída (ou descarga) do experimento, onde será colocado outro tubo para
uniformizar as medidas.
4.2 DIAGRAMA DO DISPOSITIVO
O dispositivo construído foi feito da seguinte maneira, conforme a figura abaixo:
na qual, o diâmetro externo é de 100mm e o interno de 50mm. As condições de entradas são
dadas e a condição de saída é a redução de temperatura causada pelo dispositivo. O
funcionamento do dispositivo é explicado abaixo.
4.3 FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO
Com o motor do drive de CD, engrenagens e tampinhas de garrafa, foi construído um
motor gerador para bombear agua pela mangueira e, através de furos feitos na mangueira por
alfinetes foi possível “chuviscar” sobre o tecido com o intuito de fazer com que a água
encharcasse o pano e com isso formar uma “cortina de água”, para que o ar úmido bombeado
passasse pelo tecido e perdesse calor, fazendo com que diminuísse sua temperatura. O motor e o
tecido podem ser visto nas figuras abaixo:
Figura 2 – Motor do drive de CD Figura 3 – Tecido com as mangueiras
O carregador de celular, com tensão de 5,3 volts, fez o motor funcionar. A garrafa pet
funciona como tanque de armazenamento de água para a bomba. Com as engrenagens do leitor
de CD e com as tampas das garrafas pet foi construída a hélice que bombeava a água para a
mangueira, o tecido tem aspecto aproximado de uma peneira, para facilitar a passagem do ar.
Para fazer com que as gotas ficassem presas no tecido e permanecessem por mais tempo em
contato com o ar úmido antes de escoarem pelo duto e serem eliminadas, foram colocadas quatro
camadas de tecido. A mangueira interna ao duto, pelo qual foi realizada a aspersão foi colocada
em espiral e colada o tecido entre duas espirais consecutivas.
O CD por sua vez, teve a função de placa de orifício, com um diâmetro interno de 50
mm, colocado no fim do duto de experimento. Foram realizados três furos para tomadas de
pressão, duas no fim do duto e uma no início. As duas tomadas de pressão no fim do duto foram
colocadas a três centímetros depois e três centímetros antes da placa de orifício.
Figura 4 – CD com a função de placa de orifício Figura 5–Tomadas de pressão
Os furos de tomadas de pressão foram feitos com uma agulha e pelo lado de fora foram
colados pequenos pedaços de tubos de cobre (aproximadamente 2,5 cm) para serem anexadas às
mangueiras de tomada de pressão. Para anexação dos elementos foi utilizado cola de silicone. O
custo total para a fabricação do experimento foi de R$ 30,00.
5.RESULTADOS
As medições de temperatura foram feitas com o passar do tempo e o tempo das medições
para as duas condições de temperatura foi de 5 minutos. Para a medição da temperatura, foi
medida a resistência de um sensor do tipo PT100 com um auxílio de um multímetro e depois os
dados foram tratados para se transformar na temperatura conforme equação abaixo:
Onde T é a temperatura medida, T0 é constante igual à zero, α é a inclinação da reta do
PT100 e vale 0,00388, R é a resistência medida em ohms e Ro vale 100Ω.
Foram feitas medidas da temperatura dentro do escoamento de ar através do tubo e as
medidas de umidade relativa com a ajuda de um PT100 com a ponta envolta num tecido úmido e
assim foi feita a medição da temperatura de bulbo úmido e com o auxílio da carta psicrométrica
da apostila do professor BAYER (2012) foi estimada a umidade relativa, isso tanto para a
condição de temperatura ambiente quanto para a temperatura de 40ºC.
Tabela 1 – carta psicrométrica
Na temperatura ambiente foram feitas as seguintes medições com o PT100:
A) Temperatura
R(ohm) Temp
108,15 20,7
107,9 20,06
107,8 19,8
108,19 20,8
108,25 20,96
108,05 20,44
De acordo com esse resultado, nota-se uma variação da temperatura com o passar do tempo, isto
deve-se ao fato da incerteza de medição da resistência feita pelo operador. Mas, percebe-se que
houve uma diminuição da temperatura em todas as medições.
B) Umidade Relativa
Com os resultados da medição da temperatura de bulbo úmido, foi feita a medição da umidade:
R(ohm) Temp UR
106,25 15,8 37%
106,31 15,96 40%
106,4 16,19 42%
Com base nesses resultados, observa-se uma oscilação da temperatura e da umidade, isto pode
ser devido a medição equivocada feita pelo operador, ou também pelo fato de que com o passar
do tempo o tecido úmido colocado na ponta do PT100 pode ter secado.
Com a condição de temperatura igual a 40ºC, foram feitas as seguintes medições:
C) Temperatura
R(ohm) Temp
113,09 33,43
113,21 34,04
113,13 33,54
113,38 34,48
De acordo com esses resultados, nota-se uma grande redução da temperatura de
aproximadamente 7 ºC.
D) Umidade Relativa
R(ohm) Temp UR
108,7 22,12 20%
109,4 23,92 25%
109,8 24,95 30%
110,68 27,22 38%
Os resultados mostram um aumento da temperatura e consequentemente da umidade relativa,
este fato poder ser por causa da medição feita pelo operador, ou muito possivelmente como a
temperatura em contato com o bulbo úmido era de 40ºC, o algodão úmido secou rapidamente,
contudo, houve uma redução da temperatura comparada a de 40ºC e por conseqüência a umidade
foi reduzida.
E) Medição da vazão e perda de carga:
Como o diâmetro da tubulação da bancada era de 100mm e a velocidade do escoamento era de
5m/s, a vazão teórica ou a vazão esperada era de 0,039269 m³/s.
Através do coeficiente de escoamento, K , do número de Reynolds, Re, da relação dos diâmetros,
externo=100mm e interno=50mm, foi calculada a vazão real e a velocidade na saída do
dispositivo construído.
Tabela 2 – Gráfico para definir o coeficiente K de escoamento.
Tabela 3 – Dados e cálculo da vazão
De acordo com esta tabela, a vazão volumétrica real, na qual foi calculada dividindo o ß pela
massa específica do ar ρ, o valor ficou muito próximo da vazão teórica. Como a diferença de
altura causa no escoamento foi de 30mm, o valor da perda de carda foi de 294,3 Pa.
A velocidade na saída do resfriador evaporativo foi de 13,953m/s, bem próximo da velocidade
medida na mesma posição do resfriador, mas não estando presente o resfriador, e essa velocidade
era de 15m/s.
A eficiência do resfriador evaporativo foi de aproximadamente de 70%, na qual foi calculada
dividindo a vazão real pela teórica.
6.CONCLUSÕES
Apesar da dificuldade em montar com cuidado o experimento e depois de testá-lo algumas
vezes para chegar na forma correta e do investimento financeiro feito, o dispositivo construído
conseguiu funcionar muito bem, pois o resfriador evaporativo obteve a redução da temperatura, a
vazão foi muito próxima da vazão esperada, também obteve uma perda de carga relativamente
baixa, o erro através da incerteza de medição foi baixo e a eficiência obtida pode ser considerada
muito boa, visto que esse dispositivo foi construído em casa, ou seja, sem nenhuma supervisão
de alguém com experiência em construção de um resfriador evaporativo.
Para a condição ambiente, o dispositivo conseguiu baixar a temperatura para 19,8 ºC e na
condição na qual a temperatura de entrada foi de 40 ºC, o dispositivo baixou para 33,43 ºC. O
resfriador evaporativo obteve uma eficiência de 70%.
7.REFERÊNCIAS
FOX, R. W. MCDONALD, A. T. PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos Fluidos.
Editora LTC, 6ª edição, Rio de Janeiro, 2006.
SCHNEIDER, P. S. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013
SCHNEIDER, P. S. Incerteza de Medição e Ajuste de Dados. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013
BAYER.P. Apostila de climatização. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012.
S. DATTA, P. N. SAHGAL, S. SUBRAHMANIYAM, S. C. DHINGRA and V. V. N.
KISHORE , 1986
Y. M. XUAN, F. XIAO, X. F. NIU, X. HUANG and S.W. WANG, 2012.