UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Construção de um Dispositivo de Resfriamento

Evaporativo

Por

Karl Wilhelm Marshall Dopheide

Luiz Rebelatto Neto

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

Porto Alegre, julho de 2013

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Conteúdo:

Conteúdo: ................................................................................................................... 2

Índice de Figuras ........................................................................................................ 3

Índice de Tabelas: ...................................................................................................... 3

Resumo ...................................................................................................................... 4

Abstract ...................................................................................................................... 5

1. Introdução: ......................................................................................................... 6

2. Fundamentação Teórica:.....................................................................................6

2.1 Carta Psicrométrica.............................................................................................7

2.2 Psicrometria..........................................................................................................8 2.3 Medição de Vazão...............................................................................................8

2.4 Composição do Ar e da Atmosfera Padrão...........................................................9

2.5 Parâmetros de umidade .......................................................................................9

3. Técnicas Experimentais:...............................................................................10

4. Resultados: ................................................................................................... 12

5. Conclusões: .................................................................................................. 16

6. Bibliografia:....................................................................................................18

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Índice de Figuras / Página:

Figura ...1:...................................................................................................................7 Figura 2....................................................................................................................8 Figura 3..................................................................................................................11 Figura 4................................................................................................................ 11 Figura 5..................................................................................................................12 Figura 6..................................................................................................................12 Figura 7..................................................................................................................14 Figura 8..................................................................................................................15 Figura 9..................................................................................................................15

Índice de Tabelas/ Página:

Tabela 1....................................................................................................................6 Tabela 2....................................................................................................................9

Tabela 3....................................................................................................................9 Tabela 4....................................................................................................................13 Tabela 5....................................................................................................................13

Tabela 6....................................................................................................................13

Tabela 7....................................................................................................................13

Tabela 8....................................................................................................................13

Tabela 9....................................................................................................................14

Lista de Símbolos:

Grandeza Unidade Símbolo Umidade Relativa do Ar % UR Pressão parcial do vapor

d’água presente no ar Pa pw

Pressão parcial do vapor d’água presente no ar

Pa pws

Densidade Kg/m3 ρ Diâmetro m d

Área m2 A Pressão Pa P

Velocidade do Ar m/s u

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Resumo

O presente trabalho tem como objetivo a construção e o estudo de um resfriador evaporativo, com o objetivo diminuir a temperatura de uma corrente de ar e por conse-quência aumentar o conteúdo de umidade relativa. O resfriador evaporativo construído usa uma bomba manual para pulverização de defensivo agrícola em plantações para pressurizar um recipiente com água no seu interior, sendo esse expelido pelo bico ori-entado a corrente no interior da canalização.

Palavras chave: Resfriador Evaporativo; Pulverizador; Psicrometria.

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Abstract

This work aims the construction and study of an evaporative cooler, with the purpose of reducing the temperature of an air flow and consequence increase the content of humidity. The evaporative cooler constructed using a manual pump for spraying agricul-tural plantation defensive for pressurizing a container with water inside, this being ex-pelled through the nozzle oriented current inside the pipe

Keywords: Evaporative Cooling; Thermometry; Psychrometrics,

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1. Introdução:

O aumento do poder aquisitivo e da exigência em relação ao conforto térmico pela população, aliado a equipamentos com baixo consumo de energia e água tem sucitado a utilização do método que utiliza o resfriamento evaporativo por pulverização de água, como um método ideal para ambientes residenciais, agrícolas, comerciais e industriais (Joape).

O homem já utiliza o resfriamento evaporativo há muito tempo. Afrescos do antigo Egito (2500 AC) mostram escravos abanando jarros (de paredes porosas) com água, para resfriar o conteúdo. Uma fração da água armazenada evapora através da parede do vaso, resfriando o líquido remanescente. Na Roma antiga e na Idade Média, reser-vatórios de água com paredes umidificadas foram utilizados. A genialidade de Leonar-do Da Vinci levou-o a idealizar um resfriador de ar em forma de roda d’água. Na anti-guidade utilizavam-se panos molhados pendurados na direção dos ventos dominantes e chafarizes em pátios fechados, como formas para criar um microclima. Panos molha-dos pendurados nas janelas na direção dos ventos dominantes e chafarizes em pátios fechados são alguns dos recursos utilizados para criar um microclima agradável, usan-do o processo de resfriamento evaporativo. agradável (Wikipedia, 2013).

O resfriador evaporativo apresentado neste trabalho foi construído usando-se uma bomba manual para pulverização de defensivo agrícola em plantações, que consiste em pressurizar um recipiente com água no seu interior e pulveriza-la através de um bico pulverizador.

2. Fundamentação Teórica:

A evaporação da água é um processo que retira calor do que quer que esteja em contato com ela. A evaporação de 1 grama de água de 15,5ºC ate 16,5ºC gasta 4,18 Joule. No resfriamento evaporativo, é o próprio ar que cede calor sensível para a água evaporar, tendo assim a sua temperatura reduzida (Incropera, 2005).

A pulverização é um processo mecânico de geração de um grande número de pe-quenas partículas (gotas) de um líquido. A intenção de se produzir pequenas gotas é conseguir o máximo de cobertura da superfície-alvo com o mínimo volume possível de líquido. Teoricamente, quanto menores forem as gotas, maior será a cobertura do alvo com o mesmo volume de líquido.

O parâmetro mais comumente utilizado para caracterização do tamanho das gotas em uma pulverização é o DMV, e o resultado de uma pulverização pode ser classifica-do da seguinte maneira, em função do tamanho das gotas produzidas, como mostra a Tabela 1 abaixo:

DMV (µm) Classificação < 50 Aerosol

51 – 100 Névoa 101 – 200 “spray” fino 201 – 400 “spray” médio

> 400 “spray” espesso ou grosso

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Tabela 1 Classificação de pulverização (Silva, 2005)

2.1 Carta Psicrométrica

A Psicrometria é a ciência que estuda as propriedades termodinâmicas do ar úmido e o uso destas propriedades na análise das condições e processos que envolvem o ar úmido (Bayer).

A carta psicrométrica é utilizada para obtenção das propriedades do ar úmido a uma determinada pressão. Com o conhecimento dos valores das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, a carta permite a leitura dos valores de volume específico, umida-de relativa, entalpia, temperatura de saturação, fator de calor sensível e conteúdo de umidade. A figura 1 mostra uma carta psicrométrica.

Figura 1 carta psicrométrica (Beyer)

Porém essa carta psicométrica não é adequada ao experimento, visto que no edital foi informado que seriam fornecidas correntes de ar em duas temperaturas, uma ambi-ente e outra na faixa de 40ºC, sendo que essa carta não mostra detalhes para os da-dos com umidade relativa acima de 80%. Em virtude disso a carta mais adequada a corrente de 40ºC é a da figura 2

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Figura 2 carta psicrométrica adequada a corrente de 40ºC (ASHRAE)

2.2 Psicrômetro

Psicrômetro é um instrumento que mede a umidade relativa do ar baseado na dife-rença de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido O princípio de funcionamento do psicrômetro está fundamentado no comportamento termodinâmico do ar úmido e devi-do a isso devemos conhecer e compreender o que é ar seco, o que é ar úmido e o que é o ar atmosférico (Beyer)

2.3 Medição de vazão

Existem diversos métodos de medição de vazão de um escoamento. Um dos métodos mais simples é utilizado um tubo de Pitot alinhado a corrente de ar, de modo a causar

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uma diferença de altura na coluna de um líquido manométrico (SMITH SCHNEIDER). No caso de utilização de água como fluido manométrico o resultado é comumente co-nhecido como metro de coluna d’água ou seus múltiplos.

2.4 Composição do Ar e da Atmosfera Padrão:

Ar seco é definido como a mistura de diversos componentes gasosos de proporções relativamente constantes, os quais estão apresentados na tabela 1

Componente % (Volume) Nitrogênio 78,084 Oxigênio 20,9476 Argônio 0,934 Dióxido de Carbono 0,0314 Neônio 0,001818 Hélio 0,000524 Metano 0,00015 Dióxido de Enxofre até 0,0001 Hidrogênio 0,00005 Criptônio, Xenônio e Ozônio 0,0002

Tabela 2 Composição do ar seco (Silva)

Temperatura do Ar [ºC] Densidade do ar

20 1,2043 30 1,1644 40 1,1272

Tabela 3 Densidade do Ar em diferentes temperaturas (Beyer)

Pequenas variações das quantidades dos componentes podem variar de acordo com a posição geográfica, condições climáticas e altitude.

Ar úmido é a mistura binária de ar seco e vapor d’água, sendo que a quantidade de vapor d’água presente nessa mistura varia de zero, que é o ar seco, até um máximo que depende da temperatura e pressão. Esse máximo é a saturação do vapor d’água que é um estado de equilíbrio neutro entre o ar úmido e as fases condensadas d’água.

Ar atmosférico é a mistura de ar úmido mais componentes contaminantes como fu-maça, fuligem, poeira e poluentes gasosos particulados. A atmosfera padrão é conside-rada a do nível do mar 101,325kPa, temperatura de 15°C e aceleração da gravidade padrão é constante e vale 9,81m/s2.

2.5 Parâmetros de umidade

A umidade do ar é medida pela umidade relativa (UR), conforme a equação 2.7.1

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=

Equação 1

onde pw é a pressão parcial de vapor de água no ar e pws a mesma pressão parcial na condição de saturação a esta mesma temperatura.

A saturação ocorre quando a pressão parcial do vapor de água na mistura atinge a pressão de saturação do vapor de água na temperatura em que está a mistura. A pres-são parcial do vapor de água depende da quantidade de vapor de água presente na mistura, portanto a pressão parcial de vapor de água é obtida pela introdução de vapor de água no ar (Beyer, 2012).

3. Técnicas Experimentais:

O experimento é composto por um cano de PVC com comprimento de 1 metro e di-âmetro de 100 mm, no qual foi inserido a extremidade que contem o bico pulverizador de defensivo agrícola, alinhado à corrente de ar fornecido.

Figura 3: bomba de pulverização de defensivo agrícola usada no experimento (foto dos autores)

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Esse dispositivo baseia-se no principio de o recipiente amarelo contendo água e pressurizando-o, ele tende a igualar a pressão interna a externa, de modo que a água no seu interior é forçada a sair pelo bico pulverizador sob a forma de pequenas gotas.

Para a medição das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido foram utilizados os sensores tipo PT100 mostrados na figura 3.2

Figura 4: sensores do tipo PT100 usados no experimento.

Para cálculo da temperatura do PT100 foi utilizada a equação 3.1

= +

∙ Equação 2

onde T é o valor da temperatura medido, T0 vale 0°C, R0 vale 100Ω, R é o valor da resistência lida no PTC100 e α é a constante do PT100 e vale 0,00392°C-1

A figura 5 mostra o experimento montado na bancada de testes

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Figura 5 Experimento montado na bancada de testes (foto dos autores)

Figura 6 Diagrama do experimento e seu corte transversal, com seu detalhamento (imagem dos autores)

4. Resultados:

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Ao grupo foi fornecida duas situações de escoamento de ar com as seguintes pro-priedades descritas nas tabelas com valores antes e depois do experimento:

1 – Corrente ambiente

Tabel4: Dados da corrente antes do experimento a temperatura ambiente:

Temp. Bulbo Seco Antes do Experimento -1

Temp. Bulbo Úmido Antes do Experimento – 1

Umidade Relativa Antes do Experimento - 1

22,59ºC 18,70 ºC 69,2%

Tabela 5: Dados da corrente depois do experimento a temperatura ambiente:

Temp. Bulbo Seco Depois do Experimento -2

Temp. Bulbo Úmido Depois do Experimento – 2

Umidade Relativa depois do experimento - 2

18,75ºC 18,74 ºC 99,1%

Ainda para verificarmos se os dados estavam corretos, foi adicionado 2 sensores PT100 ao experimento de modo a medir a resistência dos mesmos a fim de obter o valor de temperatura e usando a carta psicométrica para finalmente obter a umidade relativa após o experimento.

Tabela 6: Dados dos multímetros a temperatura ambiente:

MULTIMETROS Temp. Bulbo Úmido Temp. Bulbo Seco Resistencia - Ω 107,6 108,0 Temperatura - ºC 19,4 ºC 20,4 ºC Umidade Relativa = 99%

2 – Corrente aquecida e com adição de vapor

Tabela 7: Dados da corrente antes do experimento a 40ºC:

Temp. Bulbo Seco Antes do Experimento -1

Temp. Bulbo Úmido Antes do Experimento – 1

Umidade Relativa Antes do Experimento - 1

39,47ºC 25,13 ºC 30,95%

Tabela 8: Dados da corrente depois do experimento a 40ºC:

Temp. Bulbo Seco Depois do Experimento -2

Temp. Bulbo Úmido Depois do Experimento – 2

Umidade Relativa depois do experimento - 2

23,05ºC 22,66 ºC 97,68%

Ainda para verificarmos se os dados estavam corretos, foi adicionado 2 sensores PT100 ao experimento de modo a medir a resistência dos mesmos a fim de obter o valor de temperatura e usando a carta psicométrica para finalmente obter a umidade relativa após o experimento.

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Tabela 9: Dados dos multímetros (40ºC)

MULTIMETROS Temp. Bulbo Seco Temp. Bulbo Úmido Resistencia - Ω 109,3 108,9 Temperatura - ºC 23,7 ºC 23 ºC Umidade Relativa = 97%

Figura 7: Aquisição de dados dos PT100 do experimento

A figura 7 mostra uma imagem do sistema de aquisição para a situação com corren-te aquecida. Os dados com números ‘’1’’ são dados obtidos antes do experimento e com o número ‘’2’’ são depois do experimento.

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Figura 8 Sistema de aquisição para a situação com corrente aquecida

A medição da vazão foi feita utilizando as equações abaixo sendo que a medição da diferença de altura da coluna d’água foi de cerca de 2mm:

∆ = ∆ℎ

Equação 3

Figura 9: Visão geral do experimento acoplado e com sua instrumentação.

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onde ∆P é a variação da pressão, ρ é a densidade do fluido manométrico, g é a aceleração da gravidade e ∆h é a diferença de altura na coluna de água

Foi obtido o seguinte resultado

∆ = 997 ∗ 9,81 ∗ 0,002 = 19,5 #

E igualando a equação 3

∆ = 1

2∗ $ ∗ %&

Equação 4

∆P = ½*ρ(ar) u2

Equação 5

Dessa forma foi calculada a velocidade do escoamento

% = 5,7 '/

sabendo a área da seção transversal da tubulação

) = 1

4∗ + ∗ ,&

Equação 6

) = 0,0078 '&

Dessa forma obtemos a vazão volumétrica pela equação 7

- = ) ∗ %

Equação 7

- = 0,044 '3/

ou

44 l/s

5. Conclusões:

O sistema de resfriamento evaporativo apresentado apresentou um ótimo desem-penho, pois nas 2 situações de corrente de ar fornecidas o sistema aumentou a umida-

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de relativa para perto de 98% em ambos as correntes, baixando a temperatura de bul-bo seco, entre a entrada e a saída, em cerca de 16,4ºC.

O experimento quando submetido ao novo teste, a temperatura da corrente ambien-te baixou 4,84ºC e quando submetido a corrente de 40ºC, a temperatura baixou 19,2 ºC.

A perda de carga medida do experimento também foi ótima, pois ficou em 7,3 m2/s2 na corrente a temperatura ambiente e 7,6 m2/s2 submetida a uma corrente de 40ºC conforme medida pelo professor.

Uma possibilidade de melhoria é o ajuste do bico pulverizador para diminuir a quan-tidade de agua injetada e eliminar os vazamentos agravados pela pressão elevada do sistema.

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6. Bibliografia

Beyer, P.O. (2012). Climatização, Ventilação, Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado. Porto Alegre: UFRGS (Apostila geral da Disciplina de Climatização, Ufrgs). Disponivel no site http://www.mecanica.ufrgs.br/lafrig/index.htm

Silva, S.L., TECNOLOGIIA PARA APLIICAÇÃO DE DEFENSIIVOS AGRÍCOLAS, Cascavel – PR, 2005 acessado dia 30/06/13 pelo site www.senarpr.org.br

Wikipedia.- Resfriamento Passivo - Acessado dia 30/06/13 – pelo site http://pt.wikipedia.org/wiki/Resfriamento_passivo_(arquitetura)#Resfriamento_evaporativo

ASHRAE, 1997. Handbook of Fundamentals, Atlanta

INCROPERA, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 2005, sexta edição, pg 539

JOAPE, catálago do fabricante de resfriador evaporativo disponível no site www.joape.com.br acessado dia 05/07/13

SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre