SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 4-7 – PSICROMETRIA

MISTURAS DE GASES IDEAISDESCRIÇÃO DA COMPOSIÇÃO◦ Considere um sistema fechado que consista

em uma mistura gasosa de dois ou maiscomponentes.

◦ A massa total da mistura, m, é a soma dasmassas de seus componentes.

◦ As quantidades relativas dos componentespresentes na mistura podem serespecificadas em termos das fraçõesmássicas. A fração mássica mfi docomponente i é definida como:

◦ As quantidades relativas dos componentespresentes na mistura podem ser tambémdescritas em termos de frações molares. Afração molar yi do componente i é definidacomo:

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MISTURAS DE GASES IDEAISDESCRIÇÃO DA COMPOSIÇÃO

◦A massa molecular aparente (oumédia) da mistura M, é definidacomo a razão da massa total damistura, m, e o número total demols da mistura, n:

◦Considere o exemplo do ar comoum mistura de gases, conformetabela.

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MISTURAS DE GASES IDEAISRELACIONANDO P, V E T PARA MISTURA DE GASES ◦ Considere um sistema que consiste em um

número de gases contidos dentro de umreservatório de pressão fechado de volumeV.

◦ A temperatura da mistura de gases é T e apressão é p.

◦ O modelo de Dalton supõe que cadacomponente da mistura comporta-se comoum gás ideal como se estivesse sozinho àtemperatura T e no volume V da mistura.

◦ Segue-se, do modelo de Dalton, que oscomponentes individuais não aplicariam apressão da mistura p, mas uma pressãoparcial.

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MISTURAS DE GASES IDEAISESTIMATIVA DE U, H, S E CALORES ESPECÍFICOS

◦Considere um sistemafechado que consiste em umamistura de gases ideais.Propriedades extensivas damistura, como U, H ou S,podem ser encontradas pormeio da adição dascontribuições de cadacomponente na condição emque o componente existe namistura.

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ANÁLISE DE SISTEMAS COM MISTURASPROCESSOS COM MISTURAS À COMPOSIÇÃO CONSTANTE◦ As variações na energia interna

e na entalpia da mistura duranteo processo são dadas,respectivamente, por:

◦ Dividido-se pelo número demols da mistura, n, asexpressões para a variação daenergia interna e da entalpia damistura por mol da misturaresultante em:

◦ De modo semelhante, avariação da entalpia da misturaé:

◦ Utilizando tabelas de gasesideais:

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ANÁLISE DE SISTEMAS COM MISTURASEXEMPLO 12.6

◦Conforme a Figura, are oxigênio sãomisturados.Determine:a) As vazões mássicas de

ar seco e do oxigênio.

b) As frações molares doar seco e do oxigêniona mistura de saída.

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAAR ÚMIDO◦ A expressão ar úmido

refere-se à mistura de arseco e vapor d’água naqual o ar seco é tratadocomo se fosse umcomponente puro.

◦ Apenas identificando o gás1 como ar seco, indicadopelo subscrito a, e o gás 2como vapor d’águaidentificado pelo subscritov.

◦ O ar saturado é umamistura de ar seco e devapor d’água saturado.

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIARAZÃO DE MISTURA E UMIDADE RELATIVA

◦Uma determinada amostra de arúmido pode ser descrita de váriasmaneiras. Uma delas é por mio darazão de mistura w, definida como arazão da massa de vapor d’água e amassa de ar seco.

◦A razão de mistura é as vezeschamada umidade específica.

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIARAZÃO DE MISTURA E UMIDADE RELATIVA

◦O ar úmido também pode serdescrito em termos da umidaderelativa, definida como a razão dasfrações molares do vapor d’água yv

em uma dada amostra de ar úmidoe a fração molar de uma amostra dear úmido saturado yv,sat à mesmatemperatura e à pressão de mistura:

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAESTIMATIVA DE H PARA AR ÚMIDO

◦A entalpia H de uma dada amostra de arúmido é:◦A entalpia da mistura por unidade de

massa de ar seco:◦A consulta dos dados da tabela de vapor

ou de um diagrama de Molliercorrespondente para água mostra que aentalpia de vapor d’água superaquecido abaixas pressões de vapor é muito próximodos valores correspondentes de vaporsaturado a uma dada temperatura:

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAAR ÚMIDO EM EQUILÍBRIO COM A ÁGUA LÍQUIDA◦ Se nenhuma interação com a vizinhança for permitida,

o líquido vai evaporar até que eventualmente a fasegasosa se torne saturada e o sistema alcance umestado de equilíbrio.

◦ Sistemas compostos por ar úmido em equilíbrio comuma fase líquida podem ser descritos de maneirasimples e precisa através da utilização das seguintesidealizações:◦ O ar seco e o vapor d’água comportam-se como gases ideais

independentes.◦ O equilíbrio entre as fases líquidas e de vapor d’água não é

significativamente alterada pela presença do ar.◦ A pressão parcial do vapor d’água se iguala à pressão de

saturação da água correspondente à temperatura da mistura:pv=pg(T).

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAESTIMATIVA DA TEMPERATURA DE PONTO DE ORVALHO◦ Um aspecto importante do comportamento de ar úmido é que a

condensação parcial do vapor d’água pode acontecer quando atemperatura é reduzida.

◦ Considere um sistema fechado que consista em uma amostra dear úmido que é resfriada a pressão constante. Na primeira partedo processo de resfriamento, a pressão do sistema e acomposição do ar úmido permanecem constantes. Em seguida,o vapor d’água resfria a pv constante, do estado 1 ao estado d,chamado de temperatura de ponto de orvalho.

◦ Na fase seguinte do processo de resfriamento, o sistema éresfriado abaixo da temperatura de ponto de orvalho e algumvapor d’água inicialmente presente condensa-se. O condensadoé um líquido saturado à temperatura final: o estado 3.

◦ Devido à condensação, a pressão parcial decresce porque aquantidade de vapor d’água presente no estado final é menorque a quantidade existente no estado inicial. Como aquantidade de ar seco permanece inalterada, a fração molar dovapor d’água no ar úmido também decresce.

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAEXEMPLO 12.7

◦Uma amostra de ar úmido de1lbm (0,454Kg) é resfriada apressão constante, conformefigura. Determine:a) A razão de mistura;

b) A temperatura de ponto deorvalho;

c) A quantidade de vapor d’água quese condensa.

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PRINCÍPIOS DE PSICROMETRIAESTIMATIVA DA RAZÃO DE MISTURA

◦Em princípio, podemosdeterminar a razão de mistura wde uma mistura ar-vapor d’águase conhecermos os valores detrês propriedades: a pressão, atemperatura e a temperatura desaturação adiabática.

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PSICRÔMETROS: MEDIAÇÃO DAS TEMPERATURAS DE BULBO ÚMIDO E BULBO SECO◦ A temperatura de bulbo úmido é lida de um

termômetro de bulbo úmido, que é umtermômetro de líquido em vidro usual, cujobulbo é envolvido por uma mecha umedeciacom água. A expressão temperatura de bulboseco refere-se simplesmente à temperaturaque seria medida por um termômetroposicionado na mistura. Freqüentemente umtermômetro de bulbo úmido é montado juntoa um termômetro de bulbo seco para formarum instrumento chamado psicrômetro.

◦ Se o ar da vizinhança não estiver saturado, aágua contida na mecha do termômetro debulbo úmido evapora-se e a temperatura daágua restante cai abaixo da temperatura debulbo seco.

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CARTAS PSICROMÉTRICAS◦Representações gráficas de

várias propriedadesimportantes de ar úmidosão fornecidas em cartaspsicrométricas. Conformeapresentado da figura:

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CARTAS PSICROMÉTRICAS

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARAPLICANDO EM SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR

◦Um fluxo de ar úmidoentra em 1, um fluxo dear úmido sai em 2, e umfluxo apenas de águaentra (ou sai) em 3. Ofluxo apenas de águapode ser líquido ou devapor. Uma taxa detransferência de calorpode ocorrer entre ovolume de controle e avizinhança.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARAPLICANDO EM SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR

◦O primeiro termo sublinhado pode serestimado a partir das Tabelas A-22 parafornecer as propriedades de gás ideal doar, este termo pode ser estimadocomo:ha1-ha2=cpa(T1-T2).

◦O segundo termo pode ser estimado pormeio de dados de tabela de vapor emconjunto com valores conhecidos de w1 ew2.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE AREXEMPLO 12.10

◦Ar é aquecido em umatubulação a pressãoconstante de 1bar, semque haja condensação deágua, conforme figura.Determine:a) A taxa de transferência de

calor.b) A umidade relativa na

saída.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARDESUMIDIFICAÇÃO◦ O ar úmido entra no estado 1 e

escoa por uma serpentina deresfriamento através do qualcircula um fluido refrigerante ouágua gelada. Algum vapor d’águainicialmente presente no arúmido se condensa, e umamistura de ar úmido saturado saida seção da desumidificadora noestado 2.

◦ Como o ar úmido que deixa odesumidificador está saturado auma temperatura mais baixa quea temperatura do ar úmido deentrada, o fluxo de ar úmido noestado 2 pode estar inadequadopara o uso direto em espaçoshabitados. Porém, passando-se ofluxo através de uma seção deaquecimento, pode-se leva-lo auma condição mais confortávelpara espaços habitados.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARDESUMIDIFICAÇÃO

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARDESUMIDIFICAÇÃO

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE AREXEMPLO 12.11

◦Ar úmido entra em umdesumidificador a pressãoconstante de 1,013bar,conforme figura, determine:a) A vazão de ar seco.

b) A taxa de condensação daágua em Kg por Kg de ar seco.

c) A capacidade de refrigeração.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARUMIDIFICAÇÃO

◦ Frequentemente é necessário aumentar a umidade do ar em circulação deespaços habitados. Uma maneira de realizar isto é injetar vapor.Alternativamente, água líquida pode ser borrifada no ar. A temperatura do arúmido ao sair do umidificador depende da condição da água introduzida.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARRESFRIAMENTO EVAPORATIVO◦ A refrigeração em climas quentes,

relativamente secos, pode ser realizadapor meio do resfriamento evaporativo.Isto envolve borrifar água líquida no arou forças as através de uma almofadaencharcada que é mantida reabastecidacom água. Por causa da pouca umidadedo ar úmido que entra no estado 1, umaparcela da água injetada evapora.

◦ Para transferência de calor desprezívelcom a vizinhança, nenhum trabalho enenhuma variação significativa dasenergias cinéticas e potencial, aexpansão em regime permanente dosbalanços de taxas de massa e de energiareduz-se a:

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE AREXEMPLO 12.13

◦Um resfriador evaporativoopera conforme a figura.Determine:a) A vazão mássica de água que

alimenta o sistema.

b) A umidade relativa do ar úmidoda saída do resfriador.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARMISTURA ADIABÁTICA DE DOIS FLUXOS DE AR ÚMIDO

◦Um processo usual em sistemas de condicionamento de ar é a misturade fluxos de ar úmido. O objetivo da análise termodinâmica desseprocesso normalmente é estabelecer a vazão e o estado do fluxo desaída em função das vazões e dos estados de cada um dos dois fluxos deentrada.

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE ARMISTURA ADIABÁTICA DE DOIS FLUXOS DE AR ÚMIDO

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ANÁLISE DE PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE AREXEMPLO 12.14

◦Dois fluxos de ar úmidomisturam-se a umapressão de 1bar,conforme figura.Determine:a) A razão da mistura.

b) A temperatura de saída.

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TORRES DE RESFRIAMENTO◦As torres de resfriamento

possuem o objetivo de reduzira temperatura de um fluidoatravés a interação deste como ar.◦As torres de resfriamento

podem operar por convecçãonatural ou convecção forçada.Além disso, podem ser decontracorrente, de correntecruzada ou uma combinaçãodestas.

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TORRES DE RESFRIAMENTO◦ A água morna entra em 1 e é borrifada do topo da

torre. A água que cai normalmente passa por umasérie de defletores cuja finalidade é mantê-ladispersa em pequenas gotas para promover aevaporação. Ar atmosférico sugado em 3 peloventilador forma um fluxo ascendente, em sentidocontrário ao das gotículas de água que caem. Àmedida que os dois fluxos interagem, uma fração dofluxo de água evapora no ar úmido, que sai em 4 comuma razão de mistura maior que a do ar úmido deentrada em 3, enquanto a água líquida saí em 2 comuma temperatura menor que a água que entra em 1.Como alguma água de entrada se evapora no fluxode ar úmido, uma quantidade equivalente de água dereposição é adicionada em 5, de modo a vazãomássica de retorno da água fria se iguale à vazãomássica da água morna que entra em 1.

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TORRE DE RESFRIAMENTOEXEMPLO 12.15

◦Um torre de resfriamentoopera conforme a figuracom pressão constante de1atm. Determine:a) A vazão mássica de ar

seco da água.

b) A vazão mássica da águade reposição.

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