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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPR Profº Fábio José Horta Nogueira EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO Curitiba, 23 e 24 de novembro de 2012

Termodinamica B

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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

Curitiba, 23 e 24 de novembro de 2012

Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira

SUMÁRIO

• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira

• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

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INTRODUÇÃO

• Primeira aplicação: certamente, na pré-história, para avi var as brasasde uma fogueira.

• Primeiro compressor: os pulmões humanos, 100 l/min e pressã o de0,02 a 0,08 bar em valores médios.

• Encontra aplicação até nos dias de hoje.

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• Por volta de 3.000 AC, quando o homem começou atrabalhar com metais esse compressor se mostrouineficiente. Usou-se o vento como fonte de ar.

• No Egito, em 1.500 AC, foram introduzidos os folesacionados com os pés ou com as mãos.

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• Os foles manuais permaneceram em uso por mais de2.000 anos. A ilustração mostra um fole de 1530,usado para a ventilação de minas.

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• Em 1762 John Smeaton registra a patente de um compressoracionado por uma roda d’água.

• Aperfeiçoamento com a invenção de John Wilkinson, a máquina debroquear.

• O desenvolvimento dos compressores possibilitou o increme nto doprocessamento de minérios e da produção dos metais.

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• Em 1857 foi feita a primeira experiência de sucesso no transpor tede energia por meio de ar comprimido, na construção do túnel M ontCenis, nos Alpes Suíços.

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• Em Paris, no ano de 1888 entra em operação a primeira planta dedistribuição de ar comprimido. O ar comprimido era usado des de oacionamento de geradores e relógios até distribuição de cer veja.

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• A técnica de construção e de materiais foi se desenvolvendo, a figuraabaixo, mostra um compressor de ar alternativo, resfriado a água, deduplo efeito e duplo estágio, fabricação Mannesmann, de 193 5.

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• Os compressores atuais associam recursos de controleinformatizado e recuperação de energia. São compactos e efi cientes.

GA - Atlas Copco Sierra - Ingersoll Rand

ZH - Atlas Copco Centac - Ingersoll Rand

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• As vazões e as pressões podem atingir valores muito elevados,exigindo equipamentos de grande porte.

Rotor axial - GE

Datum – Dresser Rand

Datum - Dresser RandRotor centrífugo - GE

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APLICAÇÕES DO AR COMPRIMIDO

• Equipamentos a pressão de ar,

• Equipamentos de jato livre,

• Equipamentos de percussão,

• Motores a ar comprimido,

• Bombeamento,

• Atuadores rotativos e lineares,

• Instrumentação,

• etc.

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VANTAGENS DO USO DO AR COMPRIMIDO:

• Pode ser armazenado e transportado sem isolamentotérmico.

• Não apresenta riscos de explosão.

• Os equipamentos são compactos, potentes e duráveis.

DESVANTAGENS DO USO DO AR COMPRIMIDO:

• Maior consumo de energia em relação a energia elétrica.

• Custo mais elevado para as ferramentas e equipamentos deprodução.

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

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FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

INTRODUÇÃO

• A Termodinâmica é ferramenta básica paraestudo das máquinas térmicas. Entre essasmáquinas térmicas encontram -se oscompressores.

• Conceitos essenciais:

a)Partícula

b) Sistema

c) Volume de controle

v

.

a)

F

Qb)

Q

m

Pe

. m.

.

c)

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INTRODUÇÃO

• O estado de uma partícula pode ser descrito pela sua massa, su avelocidade e pelas suas coordenadas.

• Quando trata-se de sistemas ou volumes de controle necessit a-sede outras propriedades ligadas a estrutura íntima da matéri a,denominadas propriedades termodinâmicas, tais como:temperatura, volume, pressão e outras.

• A análise pode ser feita considerando-se o sistema fechado o uentão observando-se seus fluxos pelas fronteiras

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INTRODUÇÃO

• Um outro conceito importante é o Postulado de Estado. Essepostulado estabelece que para caracterizar o estado termod inâmicode uma mistura de gasosa são suficientes duas propriedadestermodinâmicas intensivas e a composição da mistura. Porexemplo, basta a composição, a temperatura e a pressão de umamistura para determinar todas as outras propriedades.

• Processo Termodinâmico é o nome dado a mudança de um estadode equilíbrio para um outro estado.

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INTRODUÇÃO

• A Energia Interna U é a soma de das energias cinéticas e potenc ial detodas as moléculas de um sistema.

• É uma propriedade que depende da massa do sistema, isto é, tra ta-sede uma propriedade extensiva.

• Essa propriedade pode ser transformada em intensiva dividido-sepela massa do sistema. Tem -se então a Energia Interna “u”.

• Os sistemas mudam sua energia interna pelas trocas de calor Q etrabalho W ( por unidade de massa “q” e “w”).

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INTRODUÇÃO

• A Primeira Lei da Termodinâmica em volumes de controle:

Essa expressão é válida para vazão constante e calor etrabalho trocados em taxas constantes.

• A entalpia pode ser aqui introduzida

)(. 12 eemWQ −=−

( ) ( )[ ]221112 vpvpuumWQ −+−=−

12 hhwq −=−

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PROCESSOS IDEAIS DE COMPRESSÃO

• O trabalho teórico de compressão de um gás ideal nointerior de um cilindro é dado por:

P

V

W

2

1

∫=2

1FdlW

∫=2

1dl . A . pW

∫=2

1dV . pW

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PROCESSOS IDEAIS DE COMPRESSÃO

• O trabalho teórico de compressão e transporte de um gásideal ao longo de um volume de controle é dado por:

P

V

W

2

1

∫=−2

1dp vW

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A DEGRADAÇÃO DE ENERGIA NO VOLUME DE CONTROLE

• De forma semelhante ao deslizamento de um bloco sobreum plano, o transporte de um gás envolve a variação daenergia interna. Isso acontece em razão do atrito viscoso edas turbulências no gás.

• Aqui se introduz uma nova propriedade, a Entropia “S”.

IdealocessoPr

2

112 T

dQSS

=− ∫

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A DEGRADAÇÃO DE ENERGIA NO VOLUME DE CONTROLE

• Isso pode ser visto em uma diagrama h x s.

h

s

P = cte.

T = cte.

1

2s

2 0=∆S

0>∆S

0<∆S

Processo ideal

Processo real

Processoimpossível

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A DEGRADAÇÃO DE ENERGIA NO VOLUME DE CONTROLE

• A conclusão mais importante da Segunda Lei da

Termodinâmica é que na compressão de um gás real o

consumo de energia é maior que o calculado para um gás

ideal, para os mesmos níveis de pressão.

• Além disso observa-se que a temperatura ao final do

processo real é maior que a temperatura final para o caso

ideal.

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TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS – Lei de Boyle.

tetancons...VpVpVp 332211 ====

Volume

Pre

ssãop V = constante

T T > T

T1

122

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TRANSFORMAÇÕES ISOBÁRICAS – Lei de Gay-Lussac.

tetancons...T/VT/VT/V 332211 ====

Vol

ume

Temperatura

= constanteVT

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TRANSFORMAÇÕES ISOMÉTRICAS – Lei de Charles.

tetancons...T/p

T/pT/p

33

2211

=====

Temperatura

Vol

ume

Tp

= constante

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GASES PERFEITOS

• Um gás que obedece rigorosamente às três leis citadas

acima, sob quaisquer condições de pressão e temperatura,

denomina-se de gás perfeito ou gás ideal , em caso contrário

o gás é chamado de gás real ou de gás comum .

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GASES PERFEITOS

As leis anteriores podem ser combinadas para fornecer uma

equação que englobe as três variáveis .

V

2T

P

1p

1V

2p

2V

A

C

1T

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GASES PERFEITOS

A transformação anterior pode ser feita por meio de uma

transformação isotérrmica seguida de uma isométrica.

V

2T

P

1p

1V

0p

2p

2V

B

A

C

1T

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GASES PERFEITOS

Ou seja, para o trecho AB pode-se escrever que:

E para o ramo BC tem -se que:

2011 VpVp =

2

2

1

0

T

p

T

p =

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GASES PERFEITOS

Então:

Levando na transformação isotérmica resulta:

2

120 T

Tpp =

22

1211 V

T

TpVp =

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GASES PERFEITOS

Que sendo reordenada, resulta na Equação dos Gases

Perfeitos, ou Equação de Clapeyron:

2

22

1

11

T

Vp

T

Vp=

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GASES PERFEITOS

• Experimentalmente observa-se que o comportamento dos

gases a baixa pressão pode ser dado com precisão pela

expressão:

ou dividindo-se pela massa:

sendo R uma constante que depende do gás em questão.

TRmVp =

TRvp =

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GASES PERFEITOS

• Introduzindo a massa molecular do gás vem que:

onde nova constante é denominada de Constante Universal

dos Gases.

TRnVp =

KkmolkJR /3143,8=

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GASES PERFEITOS

• O tratamento como gás perfeito simplifica os cálculos e

permite determinar todas as propriedades de um gás ou

mistura de gases, basta usar as seguintes expressões:

∫=−2

112 dTChh p

∫∫ −=−2

1

2

112 p

dpRdT

T

Css p

∫=−2

112 dTCuu v

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GASES PERFEITOS

• O valor do calor específico a pressão constante Cp

normalmente é dado como uma função polinomial da

temperatura.

• Onde as constantes foram determinadas experimentalmente

para diversos gases, com muita precisão.

20 TTCp γβα ++=

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GASES PERFEITOS

• Podem ser usados valores médios para Cp e dessa forma se

evitam as integrais anteriores:

( )1212 TTCuu v −=−

( )1212 TTChh p −=−

=−

1

2

1

212 lnln

P

PR

T

TCss p

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O FATOR DE COMPRESSIBILIDADE Z

• Quando estamos próximos das condições críticas, a

equação dos gases perfeitos não oferece precisão. Isso pode

ser contornado usando-se o Fator de Compressibilidade.

Esse fator pode ser retirado de gráficos ou então

determinado por meio de equações.

• Para um gás perfeito Z = 1.

• Os gráficos podem construídos para cada substância ou

então generalizados, nesse caso usamos os valores críticos

de cada substância para calcular os valores reduzidos.

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O FATOR DE

COMPRESSIBILIDADE Z

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COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• Compressão ideal isotérmica. Nesse caso o calor removidoé igual ao trabalho efetuado e o processo pode serrepresentado pela expressão:

constante=pv

p

v

pv = constantek

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COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• Compressão ideal adiabática. É a que ocorre semtransferência de calor. Nesse caso admite-se uma relaçãoconstante entre os calores específicos.

•O processo tem umarepresentação da forma :

constante==v

p

C

Ck

constante=kpv

p

v

pv = constantek

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COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• Compressão ideal adiabática. São válidas as expressõesseguintes:

k

v

v

p

p

=

2

1

1

2 k

k

p

p

T

T1

2

1

1

2

=

1

2

1

1

2

=

k

v

v

T

T

−=

11

1

1

21

k

k

p

pRT

k

kw

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COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• Compressão politrópica. É o caso geral de compressão e

pode ser dada de quatro modos:

• Para n=1 compressão isotérmica.

• Para 1< n < k compressão resfriada.

• Com n = k compressão é adiabática.

• Se n > k compressão aquecida.

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FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• Para os cálculos de compressão politrópica basta substitui r

k por n nas expressões de compressão adiabática.

n

v

v

p

p

=

2

1

1

2 n

n

p

p

T

T1

2

1

1

2

=

1

2

1

1

2

=

n

v

v

T

T

−=

11

1

1

21

n

n

p

pRT

n

nw

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COMPRESSÃO IDEAL DE GÁS PERFEITO

• O gráfico a seguir ilustra os quatro casos:

p

v

n = 1

n < k

n = k

n > k

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COMPRESSÃO EM ESTÁGIOS

• A redução do trabalho é dada pela área hachurada na figuraa seguir.

p

v

2º e

stág

io1º

est

.

patm.

pinterm.

pdesc.

VV 1º est.2º est.

adiadibática

isotérmica

politrópica

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COMPRESSÃO EM ESTÁGIOS

• Quando a pressão de descarga não é grande podem ser

usados compressores de apenas um estágio. Isso é proibitivo

para maiores relações de pressão. Nesse caso deve ser

usada a compressão em estágios.

SDp ppr /= eprr ϕ='

( )

−=

1 . . . . 1

1

k

k

epOk reTR

k

kw

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COMPRESSÃO REAL DE UM GÁS PERFEITO

• Em casos reais as equações anteriores devem ser

corrigidas por um rendimento que leve em consideração os

desvios da condição ideal.

p

v

p

p

2

1

2i

2s

2

1

W

Wthth =η

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COMPRESSÃO REAL DE UM GÁS PERFEITO

• Podem ser considerados três processos ideais de

comparação: o isotérmico (fora de uso), o politrópico e o

adiabático (que é o mais usado).

W

Wkk =η

W

Wpp =η

W

Wisis =η

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RENDIMENTO MECÂNICO

• Além das perdas associadas a compressão devem ser

consideradas as perdas devido aos atritos mecânicos e as

perdas que ocorrem na transmissão.

cmec W

W=η

Motor Compressor Gás

W Wc

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RENDIMENTO VOLUMÉTRICO

• Esse rendimento é de muita importância no desempenho de

compressores alternativos quanto a vazão mássica.

p

v

1

23

4

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RENDIMENTO VOLUMÉTRICO

• As expressões a seguir determinam o rendimento

volumétrico em função da relação de pressão e da fração de

volume morto (clearence) e também qual a relação de

pressão máxima.

31

3

VV

VC

−= )1(1 )/1( −−= k

pvol rCη

kCr )1/1(max +=

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POTÊNCIA DE COMPRESSÃO

• Como os compressores são máquinas de fluxo estamos

realmente mais interessados nos fluxos de trabalho, ou seja ,

nas potências, desse modo:

mecth

thC

wmW

ηη

••

=

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

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TIPOS DE COMPRESSORES

Classificação dos compressores

1) Quanto a aplicação:

- Compressores de ar para serviços ordinários,

- Compressores de ar para serviços industriais,

- Compressores de gases ou de processos,

- Compressores para instalações de refrigeração,

- Compressores para vácuo.

Cada um desses equipamentos tem característicaspróprias que atendem uma determinada aplicação específica.

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Classificação dos compressores

2) Quanto ao princípio construtivo:

- Compressores volumétricos, também de chamadosde deslocamento positivo.

- Compressores dinâmicos ou turbocompressores.

Nos primeiros a elevação da pressão é conseguida pormeio da redução do volume ocupado pelo fluido.

Já no segundo caso a elevação da pressão é obtida pelatransformação da energia cinética do gás, que foi acelerado pelorotor, em energia de pressão quando o gás passa por elementointerno denominado difusor.

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Classificação dos compressores quanto ao funcionamento:

Compressores

Volumétricos

Alternativos

Palhetas

Rotativos Parafusos

Dinâmicos

Lóbulos

Centrífugos

Axiais

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Princípios de funcionamento

1) Compressores alternativos ( à pistão)

Usam sistemas de manivelas e bielas conectadas apistões nos interior de cilindros. Esses podem ser de simplesou duplo efeito. A disposição desses cilindros poderá ser em“V”, em linha, opostos, em estrela, etc.

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Disposição dos cilindros em compressores alternativos

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Válvulas na sucção e na descarga do ar

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Princípios de funcionamento

2) Compressores de palhetas

Possui um tambor central que gira em uma posiçãoexcêntrica a uma carcaça externa. Nesse tambor central estã odispostas palhetas inseridas em rasgos longitudinais.

63

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Princípios de funcionamento

3) Compressores de parafusos

64

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Princípios de funcionamento

4) Compressores de lóbulos

65

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Princípios de funcionamento

5) Outros volumétricos menos usados: Diafragma

66

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Princípios de funcionamento

6) Outros volumétricos menos usados: Scroll

67

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Princípios de funcionamento

7) Outros volumétricos menos usados: Tooth

68

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Princípios de funcionamento

8) Compressores centrífugos

69

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Princípios de funcionamento

8) Compressores axiais

70

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Representação gráfica do desempenho:

Compressores alternativos

71

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Representação gráfica do desempenho:

Compressores de palhetas e parafuso

72

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Seleção de um compressor

• Altas pressões Alternativos

• Altas vazões Centrífugos e axiais

• Uso geral Parafuso

Ressalta-se que o custo inicial representa apenas 12% do

custo total durante a vida útil de um compressor, mais 10% se devem

a gastos com manutenção e o restante, 78% são relativos a custos

com energia elétrica para o acionamento ( dados de um compressor

de parafusos de 50 kW e vida útil de 10 anos).

73

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Escolha do compressor

Por esse motivo a seleção pelo menor custo inicial muitas vez esnão não é a melhor opção.

12%10%

78%Investimento

Oper. e Manut.

Energia

74

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

75

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RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

Consumo específico

Esse valor, dado pela relação entre a potência

consumida e a vazão máxima do equipamento nos fornece

uma primeira idéia da eficiência do equipamento.Deve-se

tomar cuidado para comparar dados com pressões

diferentes.

Os gráfico a seguir apresentam valores típicos e de

catálogos dos fabricantes.

76

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Consumo específico

77

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Consumo específico

Potência absorvida

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350

Potência ( kW )

Vaz

ão li

vre

( m

3 /min

) Centac 7,0

Centac 8,7

Sierra 7,0

Sierra 8,7

Sierra 10,0

GA 7,0

GA 10,0

78

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• Ensaios de desempenho

Existem diversas normas internacionais mas nem sempre são

adotadas.

• Ensaios em campo

Exigem equipamentos especiais para as medições e pessoal

qualificado. Recomenda-se para as medidas de vazão o uso de

instrumentação invasiva, pois o uso de instrumentos extern os não

oferece a precisão adequada.

79

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

80

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COLETA DE DADOS

•Dados do equipamento

• Dados operacionais e de ambiente

• Custo da energia elétrica

• Consumo de energia elétrica

• Tempos em carga e a vazio (ou em modulação)

81

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

82

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CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• Custo anual do compressor em carga

• Custo anual do compressor a vazio

• Custo anual do compressor

( ) kWh

c

iccicciac CtPC . .

1

= ∑=

( ) kWh

c

icvicviav CtPC . .

1

= ∑=

avacaa CCC +=

83

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CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• Custo específico do ar comprimido

∑=

=c

icccc

aaar

iitV

CC

1

) . ( . 60

84

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

85

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VAZAMENTOS

Todo sistema apresenta vazamentos! A manutenção regular é

importantíssima. Devem ser tomadas medidas de conscientização dos

usuários.

Perdas de ar em função da pressão (bar) e do diâmetro do furo

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

φ furo ( mm )

Per

das

de a

r (

m3 /h

)

2

4

6

8

10

12

14

86

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• Medidas dos vazamentos

Devem ser realizadas em períodos de parada geral da

unidade (férias coletivas, finais de semana, etc).

• Medida por diferencial de pressão

Exige que se conheça o volume da tubulação.

Vp

ppQ

atm

atm · 00

+= V

p

ppQ

atm

atm · 11

+=

−=

atmv p

pp

t

VV 10

87

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•Medida por tempo de carga

Usado quando o equipamento usa controle de

modulação.

i

m

ic

cv t

tVV

i∑== 1 .

88

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

89

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INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

Os equipamentos periféricos da sala de compressores e a rede

de distribuição mais o compressor constituem as instalações de ar

comprimido.

90

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Rede de distribuição

• Reservatório bem dimensionado,

• Deve ser verificada a necessidade de um desumidificador,

• Baixa perda de carga (0,3 / 0,5 bar),

• Sem vazamentos (max. 5%),

• Com material, acessórios e conexões adequadas,

• Inclinação (0,5/100 m) para drenagem eventual condensado,

• Saídas dos ramais por cima da rede secundária.

• Etc...

91

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

92

Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

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A Psicrometria é o ramo da Física que estuda os fenômenos e

o comportamento do vapor d’água contido no ar atmosférico.

Quando o ar contém a máxima quantidade de vapor d’água diz-se que

ele está saturado, 100 % de UR.

A capacidade do ar reter umidade diminuiu com a pressão (

linearmente) e aumenta com a temperatura (~11%) para cada 10°C de

aumento de temperatura.

• Pressões parciais,

•Carta Psicrométrica,

• Umidade absoluta e umidade relativa,

• Temperaturas de bulbo seco e úmido,

• Ponto de orvalho.93

PSICROMETRIA

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Ar atmosférico

p = 1,0 bar

tbs = 30 °C

UR = 50 %

w = 13,3 g /kg ar

Ar comprimido

p = 8,0 bar

tbs = 30 °C

UR = 100 %

w = 3,3 g /kg ar

Compressor

V = 0,603 m3/s

Pot = 200 kW

C = 18 h / dia

Água

430 kg / dia

94

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Ar comprimido

p = 8,0 bar

tbs = 30 °C

UR = 100 %

w = 3,3 g /kg ar

Ar comprimido

p = 8,0 bar

tbs = 30 °C

UR = 21 %

w = 0,7 g / kg ar

Secador

T orv. = 5,0 °C

C = 18 h / dia

Água

120 kg / dia

95

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Esquema de um compressor parafuso com secador frigorífico integrado ( Atlas Copco )

96

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• Pressões parciais:

água'dvapordoparcialpressãop

secoardoparcialpressãop

totalaatmosféricpressãop

:onde

ppp

s

a

b

sab +=

97

Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatura de bulbo seco ( °C )

Um

idad

e ab

solu

ta (

g ág

ua /

kg a

r se

co)

100%

80%

60%

40%

20%

20°C

30°C

40°C

50°C

Umidade relativa

• Carta psicrométrica: linhas notáveis

Patm 1,013 bar

Linhas de Tbu constante

Linhas de U.R.constante

Linha de saturação

98

Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Temperatura de bulbo seco ( °C )

Um

idad

e ab

solu

ta (

g ág

ua /

kg a

r se

co)

100%

80%

60%

40%

20%

20°C

30°C

40°C

50°C

Umidade relativa

• Carta psicrométrica: temperatura de orvalho

Patm 1,013 bar

Tbs = 40 °C

Tbu = 30 °C

Torv = 27,3 °C

99

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• Umidade absoluta:

p

TRv

TRvp

TRmVp

:como

secoardomassa

águad'vapordomassaw

=

==

=

100

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• Umidade absoluta:

=

=

=

TRVp

TRVp

w

TR

pv

1

a

a

s

s

ρ

ρ

101

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• Umidade absoluta:

( )

( )sb

s

sb

s

s

a

a

a

s

s

pp

p0622,0w

pp

p

R

Rw

Rp

Rp

w

−=

−=

=

102

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• Umidade relativa:

.ardoaigualatemperaturem

calculadaésaturaçãodepressãoA

águadasaturaçãodepressão

águad'vapordoparcialpressão=ϕ

103

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• INTRODUÇÃO

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA

• TIPOS DE COMPRESSORES

• RENDIMENTO DOS COMPRESSORES

• COLETA DE DADOS

• CUSTO DO AR COMPRIMIDO

• VAZAMENTOS

• INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO

• PSICROMETRIA

• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

104

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PRINCIPAIS PONTOS DE ATENÇÃO

• Combater os vazamentos ,

•Usar a menor temperatura de captação do ar possível,

• Usar só a pressão correta para a operação,

• Dimensionar a rede com perdas de carga reduzidas ,

• Usar controles adequados para o tipo de demanda,

• Verificar se o equipamento foi bem selecionado ,

• Usar sempre das boas técnicas de manutenção .

105

Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

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