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Refrigeracao e Ar CondicionadoPsicrometria
Filipe Fernandes de Paulafilipe.paula@engenharia.ufjf.br
Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecanica
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Introducao
I A psicrometria e o estudo das misturas de ar e de vapor de agua;
I Nos sistemas de refrigeracao e ar condicionado o ar nao pode serconsiderado seco, mas sim como uma mistura de ar e de vapord’agua;
I Em alguns processos a agua e removida do ar, enquanto em outrose adicionada.
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Pressao Parcial (Lei de Dalton)I A pressao total de uma mistura de gases e igual a soma das pressoes
parciais de cada um dos componentes da mistura;I A pressao parcial de cada componente da mistura e a pressao que
ele exerceria se ocupasse sozinho um volume igual ao da mistura, namesma temperatura;
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Pressao Parcial (Lei de Dalton)
I Quando considerado o ar umido, isto e, a mistura de ar seco e vaporde agua, tem-se que a pressao atmosferica local (Patm), quecorresponde a pressao total, e igual a soma da pressao parcial do arseco (Par) com a do vapor de agua (Pv );
Patm = Par + Pv (1)
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Ar Nao Saturado e Ar SaturadoI Ar nao saturado e a mistura de ar seco e vapor de agua
superaquecido;I Ar saturado e a mistura de ar seco e de vapor de agua saturadoI Mais precisamente e o vapor de agua que esta saturado e nao o ar;I Abaixo e mostrado o esquema de uma carta psicrometrica, tendo
como eixo das abscissas a temperatura e como eixo das ordenadas aumidade absoluta onde somente aparece a linha de saturacao.
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Umidade Absoluta (W)
I A umidade absoluta e definida como a razao entre a massa de vapor(mv ) e a massa de ar seco (mar );
W =mv
mar(2)
I Nas aplicacoes usuais de refrigeracao e ar condicionado, tanto o arquanto o vapor de agua podem ser admitidos como gases perfeitos;
I Assim, a determinacao da umidade absoluta (W ), pode ser efetuadapela utilizacao da equacao dos gases perfeitos;
W =
PvV
RvTParV
RarT
=Rar
Rv
Pv
Par(3)
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Umidade Absoluta (W)
I Substituindo os valores de Rar e Rv , e utilizando tambemPtot = Pv + Par , obtem-se:
W = 0, 622Pv
Ptot − Pv(4)
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Umidade Relativa (φ)
I A umidade relativa e definida como a relacao ente a pressao parcialdo vapor de agua na mistura e a pressao de saturacaocorrespondente a temperatura da mistura;
φ =Pv
Ps(5)
I Indica a relacao entre a quantidade de vapor existente no ar(umidade absoluta) e a quantidade maxima que poderia haver namesma temperatura (ponto de saturacao).
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Umidade Relativa (φ)
I Pode-se utilizar a definicao de umidade relativa para encontrar aumidade absoluta,
W = 0, 622φPs
Ptot − φPs(6)
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Entalpia Especıfica do Ar Umido
I A entalpia de uma mistura de gases e igual a soma das entalpias doscomponentes da mistura;
I Assim, para o ar umido, a entalpia (H) e igual a soma das entalpiasdo ar seco (Har ) e do vapor de agua (Hv );
H = Har + Hv = marhar + mvhv (7)
I Dividindo-se a equacao 7 pela massa de ar seco, obtem-se a entalpiaespecıfica do ar umido (h):
h = har +mv
marhv = har + Whv [kJ/kg de ar seco] (8)
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Entalpia Especıfica do Ar Umido
I Pode-se reescrever a equacao 8 como,
har = cp,arT (9)
hv = hlv + cp,vT (10)
I Tomando como referencia a entalpia do ar umido, h = 0, para atemperatura de 0°C . Assim, tem-se:
har = cp,arT + W (hlv + cp,vT ) (11)
har = cp,arT + Whv (12)
I Onde,I cp,ar e o calor especıfico medio a pressao constante do ar seco;I cp,v e o calor especıfico medio a pressao constante do vapor
superaquecido;I hlv e o calor latente de vaporizacao da agua;I hv e a entalpia total de vapor.
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Entalpia Especıfica do Ar Umido
I O calor especıfico a pressao constante do ar seco varia com atemperatura, mas pode ser tomado como um valor medio constantesem incorrer em erros significativos;
I O mesmo acontecendo para o calor especıfico do vaporsuperaquecido.
cp,ar = 1, 004kJ/kg °C cp,v = 1, 805kJ/kg °C hlv = 2502kJ/kg
h = 1, 004T + W (2502 + 1, 805T ) [kJ/kg ] (13)
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Volume Especıfico do Ar Umido
I Volume especıfico do ar umido (v) e definido como a razao entre ovolume da mistura em m3 e a massa de ar seco em kg :
v =V
mar=
RarT
Par=
RarT
Ptot − Pv(14)
I Utilizando a definicao de umidade absoluta, pode-se escrever,
v = (1 + 1, 6078W )RarT
Ptot(15)
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Temperatura de Bulbo Seco
I A temperatura de bulbo seco (TBS) e a temperatura que indica porum termometro comum, nao exposto a radiacao.
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Temperatura de OrvalhoI A temperatura de orvalho (Torv ) e a temperatura na qual o vapor
de agua se condensa, ou solidifica, quando resfriado a pressao eumidade absoluta constante;
I O ponto 1 representa um estado do ar umido tal que o vapor deagua presente na mistura se encontra superaquecido;
I Quando resfriado a pressao constante, o vapor passa pelo ponto 2,que corresponde ao ponto de orvalho, e onde tem inıcio acondensacao do vapor.
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Exemplos
I Exemplo 1 - Considere 100m3 de mistura ar-vapor a pressaoatmosferica, 35°C e 70% de umidade relativa. Calcule a umidadeabsoluta, ponto de orvalho, massa de ar e massa de vapor.
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Exemplos
I Exemplo 2 - Calcule a massa de vapor d’agua que condensa se amistura do exemplo anterior for resfriada a 5°C em um processo apressao constante.
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Processo de Saturacao AdiabaticaI O processo de saturacao adiabatica e um importante processo da
mistura agua-ar;I Uma massa de mistura a uma certa umidade relativa entra em
contato com um corpo d’agua,sendo o sistema esta isoladotermicamente;
I Se a umidade relativa da mistura na entradafor menor que 100 %,uma certa massa de agua do reservatorio ira evaporar e atemperatura da mistura ira diminuir;
I A temperatura da mistura na saıda e chamada de temperatura desaturacao adiabatica;
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Processo de Saturacao Adiabatica
I Quando atingido o regime permanente, e preciso que agua sejareposta a temperatura de saturacao no reservatorio;
I A aplicacao da 1a lei da termodinamica e a equacao dacontinuidade resulta em:
I Continuidade
mar ,1 = mar ,2 = mar (16)
mv ,1 + mH2O = mv ,2 ⇒W1mar ,1 + mH2O = W2mar ,2 (17)
mH2O = mar (W2 −W1) (18)
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Processo de Saturacao Adiabatica
I 1a lei da termodinamica
mar ,1h1 + mH2OhH2O = mar ,2h2 (19)
mar ,1h1 + mar (W2 −W1)hH2O = mar ,2h2 (20)
I Utilizando a equacao 12 no resultado acima e reconhecendo quemar = cte, tem-se:
cp,arT1 + W1hv ,1 + (W2 −W1)hH2O = cp,arT2 + W2hv ,2 (21)
I Dessa forma, tem-se,
W1 =W2(hv ,2 − hH2O)− cp,ar (T1 − T2)
hv ,1 − hH2O(22)
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Processo de Saturacao Adiabatica
I O saturador adiabatico e util pois a temperatura de saturacaoadiabatica e funcao da umidade relativa, pressao e temperatura damistura na entrada e da pressao da mistura de saıda;
I Assim, a umidade relativa e absoluta da mistura de entrada podeser avaliada medindo a pressao e temperatura na entrada e saıda.
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Temperatura de Bulbo Umido
I O saturador adiabatico nao e um equipamento conveniente paramedidas frequentes;
I Se o bulbo de um termometro for coberto com uma mecha dealgodao saturado com agua, a sua temperatura descera, primeirorapidamente e depois lentamente ate atingir um ponto estacionario;
I A leitura neste ponto e chamada de temperatura de bulbo umido(TBU) do ar, sendo que esta temperatura e aproximadamente a queseria indicada pelo saturador adiabatico;
I A temperatura de bulbo umido e a temperatura mais baixa quepode ser alcancada apenas pela evaporacao da agua;
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A Carta Psicrometrica
I O uso das cartas psicrometricas permite a analise grafica dosprocessos que envolvem o ar umido;
I Essas cartas contem todas as propriedades do ar umido discutidasanteriormente.
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Exemplos
I Exemplo 4 - Calcule a transferencia de calor por kg de ar seco daunidade de ar condicionado abaixo, negligenciando variacao naenergia cinetica e potencial.
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