020831PsicrometriaMultivac

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Psicrometria

Oswaldo Bueno Engenharia e Treinamento

Ar Condicionado• Ar Condicionado de Conforto

• O processo de condicionamento de ar objetivando o controle da sua:– temperatura,

– umidade,

– pureza e

– distribuição do ar

• Para maximizar os resultados de um processo– Conforto humano

– Processo

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Composição do Ar Seco e Ar Úmido

• O ar atmosférico é composto por um grande número de componentes, bem como vapor de água e outros contaminantes (fumaça, pólem e poluentes gasosos)

• Ar seco: existe quando todo o vapor de água, bem como os contaminantes são removidos do ar atmosférico

• Componentes principais do ar seco: nitrogênio, oxigênio, argônio, dióxido de carbono são os principais componentes.

• As porcentagens de nitrogênio, oxigênio e argônio são constantes em qualquer parte do globo.

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Ar Úmido

• Na prática do ar condicionado o ar é definido como uma composição binária de dois componentes:

• Ar sêco

• Vapor de água

• A quantidade de vapor de água é variável podendo ir normalmente de 0,8 a 20 gr de vapor/kg de ar sêco.

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Composição Normal do Ar Limpo e Sêco

Componente Concentração porvolume

Peso molecular

Nitrogênio 78,084 28,0134

Oxigênio 20,9476 31,9988

Argônio 0,934 39,943

Dióxido de Carbono 0,0314 44,00995

Neon 0,001818 20,183

Hélio 0,000524 4,0026

Metano 0,00015 16,04303

Criptônio 0,000114 83,80

Hidrogênio 0,00005 2,01594

Dióxido de Nitrogênio 0,00005 44,0128

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Peso Molecular Aparente

• O peso molecular aparente do ar seco é a média ponderada do pesos molecular de cada um dos seus componentes pela concentração em volume

• Peso molecular aparente do ar seco: 28,9645

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Início do Ar Condicionado• 1902 - Willis Carrier - O primeiro projeto de aquecimento,

refrigeração, desumidificação e umidificação de uma gráfica, a Sackett-Wilhelms Lithographing Company para operar o ano todo

• 1904 - Willis Carrier - A construção de lavadores de ar para a partir do controle ponto de orvalho refrigerar e umidificar. O sistema funcionou tão bem que em um ano instalou 200 sistemas

• 1911 - Willis Carrier - “Rational Psychrometric Formulae” onde apresentava as relações básicas entre a temperatura de bulbo seco, ponto de orvalho, saturação adoabática ou temperatura de bulbo úmido, calor latente e calor sensível

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Psicrometria

• Psicrometria: é o estudo das misturas de ar e vapor de água.

• Equipamentos operam com processos de transferência de calor e de massa entre o ar e uma superfície molhada– Resfriamento (calor sensível)

– Resfriamento e desumidificação ( calor latente + sensível)

– Aquecimento (calor sensível)

– Aquecimento e umidificação (calor sensível + calor latente)

• Processos químicos– Aquecimento e desumidificação (calor latente + sensível

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Carta PsicrométricaUmidade relativa

Volume específico m3/kg

Temperatura de bulbo seco ºC

Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco

Entalpia específica kJ/kg

Temperatura de bulbo úmido ºC

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Linha de Saturação

0

5

10

15

Pressão deSaturação

0.61 1.22 2.33 4.24 7.37 12.33

0 ºC 10 ºC 20 ºC 30 ºC 40 ºC 50 ºC

kPa

Pressão de saturação x Temperatura de bulbo seco

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Umidade Relativa

• Umidade relativa é definida como sendo a razão entre a fração molar do vapor de água no ar úmido e a fração do vapor de água no a saturado a mesma temperatura a pressão total

• Da relação dos gases perfeitos temos:

= pressão parcial do vapor de água

pressão da saturação de água pura a mesma temperatura

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Umidade Relativa

0

5

10

15

Pressão deSaturação

0.61 1.22 2.33 4.24 7.37 12.33

Umidade relativa50%

0.305 0.61 1.16 2.12 3.68 6.16

0 ºC 10 ºC 20 ºC 30 ºC 40 ºC 50 ºC

kPaPressão de saturação x Temperatura de bulbo seco

Umidade relativa

pressão parcial pressão de saturação

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Umidade Absoluta• Umidade absoluta é a massa de água contida em 1 kg de ar

seco

• Baseado na equação dos gases perfeitos

• W = kg vapor de água

kg de ar seco

• W = (pv*V/Rv*T) / (pa*V/Ra*T)

• W = (pv/Rv)/[(pt -pv) /Ra) • Depende da altitute ou da pressão total kPa

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Umidade Absoluta• Umidade absoluta é a massa de água contida em 1 kg de ar seco• Baseado na equação dos gases perfeitos• W = kg vapor de água

kg de ar seco

• W = 0,622*[(pv)/(pt -pv)]

• Onde 0,622 = Ra /Rv = 287 J/kg*K / 461,5 J/kg*K• Depende da altitute ou da pressão total kPa

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Umidade Absoluta kg vapor/kg de ar seco

Carta PsicrométricaPressão de vapor de água em W Umidade AbsolutaTemperatura Pressão Pressão Umidade absoluta W kg vapor/kg ar secoBulbo seco saturada total 100% 50% 25%ºC kPa kPa

0 0.61 101.33 0.0038 0.0019 0.000910 1.22 101.33 0.0076 0.0038 0.001920 2.33 101.33 0.0146 0.0072 0.003630 4.24 101.33 0.0272 0.0133 0.006640 7.37 101.33 0.0488 0.0235 0.011550 12.33 101.33 0.0862 0.0403 0.019560 19.92 101.33 0.1522 0.0678 0.0321

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Umidade Relativa e AbsolutaUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



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Entalpia kJ/kg• A entalpia de uma mistura de ar seco e de vapor de

água é a soma das entalpias dos seus componentes

• Os valores de entalpia são sempre referidos a um estado de referência.

• Assim o ar é admitido com entalpia nula para a temperatura de 0 ºC

• Para o vapor de água o estado de referência (valor nulo da entalpia) é o da água como líquido saturado a 0 ºC

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Entalpia kJ/kg• A entalpia de uma mistura de ar seco e de vapor de água

é a soma das entalpias dos seus componentes

• h = cp*t + W*hv

– Cp calor específico a pressão constante do ar seco = 1.0 kJ/kg*ºC

– t = temperatura da mistura ºC

– hv = entalpia do vapor saturado `a temperatura da mistura kJ/kg

– W = umidade absoluta kg vapor/kg de ar seco

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Entalpia da Mistura

Entalpia W Entalpia Entalpia daTemperatura Pressão de Pressão do ar seco kg/kg ar seco do vapor misturade bulbo secosat. vapor total ha Umidade rel. hv hºC kPa kPa kJ/kg 100% kJ/Kgv kJ/kg kJ/kg

0 0.6108 101.33 0 0.0038 2501 9.43 9.4310 1.227 101.33 10 0.0076 2519 19.20 29.2020 2.337 101.33 20 0.0147 2538 37.26 57.2630 4.2441 101.33 30 0.0272 2556 69.49 99.4940 7.375 101.33 40 0.0488 2574 125.65 165.6550 12.335 101.33 50 0.0862 2592 223.42 273.42

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Volume Específico

• É o volume em m3 de mistura por kg de ar seco

• É também o volume em m3 do ar seco por kg de ar seco– Volumes ocupados pelas substâncias individualmente são iguais

• Da equação dos gases perfeitos

= Ra*T/pa = Ra*T/(pt-pv) m3/kg de ar seco

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Volume Específico m3/kg

Temperat. Pressão Entalpia W Entalpia Entalpia daEntalpia daVolumede bulbo saturada Pressão do ar seco kg/kg ar do vapor mistura mistura específicoseco do vapor total ha Umid. rel. hv h hºC kPa kPa kJ/kg 100% kJ/Kgv kJ/kg kJ/kg m3/kg

0 0.6108 101.33 0 0.0038 2501 9.43 9.43 0.7810 1.227 101.33 10 0.0076 2519 19.20 29.20 0.8120 2.337 101.33 20 0.0147 2538 37.26 57.26 0.8530 4.2441 101.33 30 0.0272 2556 69.49 99.49 0.9040 7.375 101.33 40 0.0488 2574 125.65 165.65 0.9650 12.335 101.33 50 0.0862 2592 223.42 273.42 1.04

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Temperatura Termodinâmica de Bulbo Úmido

• Temperatura termodinâmica de bulbo úmido é obtida pela saturação adiabática do ar.

h1 = h2 - (W2-W1)*hl

• No dispositivo abaixo o termômetro indica a temperatura de bulbo úmido

h1, W1, t1 h2, W2, t2

termômetro

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Entalpia e Temperatura de Bulbo Úmido

• As linhas de entalpia e de bulbo úmido são:

• Coincidentes na saturação

• Entalpias obtidas através das linhas de bulbo úmido cte. São maiores que as reais

• O desvio da entalpia é maior quanto mais seco for o ar.

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Carta PsicrométricaUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



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Carta Psicrométrica

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Psicrômetro

•O Psicrômetro é composto por:

•Termômetro de Bulbo Seco ºC

•Termômetro de Bulbo Úmido ºC

•Mecha embebida em água destilada envolve o bulbo

•Velocidade mínima do ar em torno da mecha 2 m/s

•Ventilação natural

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Psicrometria


Psicrômetro

•O Psicrômetro é composto por:

•Termômetro de Bulbo Seco ºC

•Termômetro de Bulbo Úmido ºC

•Mecha embebida em água destilada envolve o bulbo

•Velocidade mínima do ar em torno da mecha 2 m/s

•Ventilação forçada

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Manômetro

Pressão Absoluta kPa, bar, mmHg, m etc.

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Condicionamento de Ar

• Calor Sensível – variação da temperatura de bulbo seco

• qs (kJ/s) = m (kg/s) * cp (kJ/kg*ºC) * (t2 – t1) (ºC)

• Calor Latente – variação da umidade absoluta

• ql (kJ/s) = m (kg/s) * hlv (kJ/kg) * (W2 – W1) (kg de vapor/kg ar seco)

• Calor Total – variação simultânea de calor sensível e de calor latente

• qt (kJ/s) = m (kg/s) * (h2 – h1) (kJ/kg)

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Resfriamento / Aquecimento



• Umidade Absoluta W cte.

• Ponto de Orvalho cte.

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Resfriamento / Aquecimento



• Devido a alteração da temperatura de bulbo seco– Umidade relativa variável

– Entalpia variável

– Volume específico variável

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Resfriamento e AquecimentoUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



Aquecimento

Resfriamento

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Resfriamento com Desumidificação

• Variação simultânea de calor sensível e de calor latente• Calor Sensível – variação da temperatura de bulbo seco

• qs (kJ/s) = m (kg/s) * cp (kJ/kg*ºC) * (t2 – t1) (ºC)• Calor Latente – variação da umidade absoluta

• ql (kJ/s) = m (kg/s) * hlv (kJ/kg) * (W2 – W1) (kg de vapor/kg ar seco)

• Calor Total – variação simultânea de calor sensível e de calor latente

• qt (kJ/s) = m (kg/s) * (h2 – h1) (kJ/kg)

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Calor latente

Calor total

Calor sensível

PO

Fator de Calor Sensível

FCS = CS /CT1

23 1 – Ambiente

2 – Insuflamento

3 – Ponto de Orvalho

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Exemplo

• Determinar a vazão do ar e as suas propriedades no ambiente, na condição de insuflamento e no ponto de orvalho, conforme os dados abaixo.

• Ambiente: TBS = 24 ºC, Umidade relativa 50%

• Calor total = 35 kW

• Calor sensível = 26 kW

• Insuflamento: Umidade relativa de 90%

• São Paulo, 750 m

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Exemplo

• Determinar a vazão do ar e as suas propriedades no ambiente, na condição de insuflamento e no ponto de orvalho, conforme os dados abaixo.

• Ambiente: TBS = 24 ºC, Umidade relativa 50%

• Calor total = 35 kW

• Calor sensível = 18 kW

• Insuflamento: com TBS de 12 ºC

• São Paulo 750 m

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Resfriamento com DesumidificaçãoUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



Calor sensívelCalor latente

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Desumidificação Química

W = cte

h = cte

Calor sensívelCalor Latente

1 – Ambiente

2 – Saída do secador químico

3 – Resfriamento sensível

1

23

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Exemplo

• Uma indústria química necessita de uma temperatura de bulbo seco de 18 ºC e uma umidade relativa de 50%. O seu calor total interno é de 70 kW e o calor sensível de 35 kW. O ponto de orvalho do ar de insuflamento é de 5 ºC. Local São Paulo 750 m

• Calcular a vazão de ar a ser insuflada m3/s, a vazão de água condensada l/s, o calor total, o calor sensível e o calor latente nos processos de desumidificação química e no resfriamento sensível. Informar as propriedades do ar em cada ponto 1, 2 e 3.

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Desumidificação QuímicaUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



Desumidificação química

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Umidificação

• Dependerá da forma da umidificação:

• Evaporação

• Vapor a mesma temperatura

• Vapor saturado a 100 ºC

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Aquecimento e Umidificação

Calor Latente

Calor Sensível1

23

1 – Ambiente

2 – Após o aquecimento

3 – Ar externo

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Exemplo

• Calcular a carga de aquecimento e de umidificação para elevar 500 m3/h de 10 ºC com umidade absoluta de 8 gr de vapor/kg de ar seco para 20 ºC e 10 gr de vapor/kg de ar seco. Considerar o vapor de água saturado a 20 ºC. Informar os valores das propriedades do ar nos três pontos considerados para São Paulo 750 m

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UmidificaçãoUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



Saturação adiabática

Aquecimento e Umidificação

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Mistura

• Balanço de Massa e de Energia

• TBSm = [(TBSAE * QAE) + (TBSAR * QAR)] / (QAE + QAR)

• hm = [(hAE * QAE) + (hAR * QAR)] / (QAE + QAR)

• Wm = [(WAE * QAE) + (WAR * QAR)] / (QAE + QAR)

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Exemplo

• Calcular o ponto de mistura para as condições abaixo e informar as propriedades do ar nos três pontos:

• Ar externo– TBS = 35 ºC– UR 60%– Vazão de 200 m3/h

• Ar de retorno– TBS = 25 ºC– UR 50%– Vazão de 1.000 m3/h

• São Paulo 750 m

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MisturaUmidade relativa



Umidade absoluta

Kg vapor

kg ar seco



Ar externo

Mistura

Ar de retorno

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