Mistura ar e vapor d'água - Introdução

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A mistura de ar e vapor d'água é um caso particularmente importante, em especial no estudo e cálculos de sistemas de condicionamento de ar, uma vez que o conforto térmico não depende apenas da temperatura, mas também da quantidade de vapor d'água presente no ar.

A quantidade máxima de água que o ar pode conter sob uma determinada temperatura equivale à quantidade de vapor d'água com pressão parcial igual à pressão de saturação da água nesta temperatura. Nessas condições, o ar é dito saturado. Se a quantidade é menor, o ar é dito não saturado e o vapor d'água está no estado superaquecido.

Várias propriedades são consideradas para a mistura ar-vapor d'água:

• Temperatura de bulbo seco: é a temperatura indicada por um termômetro comum.

• Temperatura de bulbo úmido: é a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo está envolto por um pavio molhado.

• Umidade absoluta: massa de vapor d'água por unidade de massa de ar seco.

• Umidade relativa: relação entre a pressão parcial do vapor d'água e a pressão de saturação do vapor na mesma temperatura.

Fig 01

• Ponto de orvalho: é a temperatura na qual o vapor d'água contido no ar se condensa. Equivale à temperatura de saturação da água na pressão parcial do vapor contido.

Embora existam fórmulas teóricas e empíricas relacionando tais parâmetros, na prática é muito usado um gráfico denominado diagrama psicrométrico.

A Figura 01 deste tópico mostra o esquema, simplificado e apenas ilustrativo, de um diagrama psicrométrico com somente 3 parâmetros.

Os diagramas práticos contém todos os citados e outros como entalpia da mistura.

A linha de 100 % de umidade relativa indica o ar saturado. Assim, qualquer ponto à esquerda da mesma significa presença de água líquida (neblina), uma vez que não é possível uma quantidade de vapor maior do que a quantidade das condições de saturação.

O diagrama permite a determinação gráfica de todos os parâmetros dispondo-se dos valores de apenas dois e outros cálculos como o resultado da mistura de duas correntes de ar.

Torres de resfriamento

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A Figura 01 (a) dá o esquema de um trocador tubular simples. Os fluidos são fisicamente separados e a troca ocorre pela condução / convecção de calor através das paredes das tubulações. A quantidade de calor trocada aumenta com o aumento da área de troca, isto é, a área de dutos que separam os dois fluidos.

Para melhor eficiência, os dispositivos práticos fazem uso de arranjos que maximizam a área de troca, como serpentinas, espirais, feixes de tubos, aletas (em radiadores), etc. Esse tipo de trocador é aqui comentado apenas para efeito de comparação. Mais detalhes não são objeto desta página.

Fig 01

Torres de resfriamento fazem um tipo especial de trocador de calor. No trocador anterior, os fluidos são separados. Nas torres, ambos os fluidos - ar e água - estão fisicamente em contato. Nessa condição, a troca se dá principalmente por evaporação, o que se mostra mais eficiente.

O princípio de funcionamento é bastante simples. Conforme Figura 01 (b), um ventilador no topo provoca um fluxo ascendente de ar que encontra o fluxo descendente da água. Na prática existem outros arranjos e também recursos para maximizar o contato do ar com a água, como chapas, colméias e outros.

São bastante usadas. Podem ser vistas em instalações de ar condicionado e em muitas indústrias.

Em muitos casos, torres formam uma espécie de central de resfriamento, isto é, os fluidos de vários equipamentos são resfriados por água que passa por trocadores tubulares e a água aquecida é resfriada por uma ou várias torres de resfriamento.

Considerando a definição anterior de temperatura de bulbo úmido, pode-se concluir que, teoricamente, a menor temperatura que a água resfriada pode ter é a temperatura de bulbo úmido do ar de entrada.

Diagrama psicrométrico e torre de resfriamento

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Na torre de resfriamento, o contato direto entre água e ar produz duas parcelas de troca de calor: a sensível devido ao aumento de temperatura do ar e a latente devido à evaporação da água.

Considera-se uma torre de resfriamento ideal. Nela, não há troca através das paredes e o ar evapora o máximo possível de água, isto é, na saída ele tem a máxima quantidade de vapor d'água que pode conter, significando que está saturado.

Fig 01

No diagrama da Figura 01, estão indicadas as variações das condições térmicas do ar ao passar pela torre ideal. Na entrada, ponto E, ele está nas condições do ambiente. Na saída, ponto S, ele está saturado (umidade relativa 100%).

Então, o aumento de entalpia Δh corresponde à quantidade total de calor trocado com a água. O aumento de temperatura de bulbo seco ΔT é devido à parcela de calor sensível trocada e o aumento de umidade absoluta Δum, à parcela de calor latente removido da água.

A princípio, pode parecer que o projeto de uma torre é bastante simples. Mas não é bem assim. Só pelas variáveis psicrométricas, não dá para estabelecer, por exemplo, uma relação entre o calor trocado e as dimensões físicas da mesma. Deve-se considerar que a água evaporada precisa ser reposta e, portanto, a saída de água será uma mistura desses dois fluxos.

Nas torres reais, o ar na saída não está 100% saturado, uma parte da água é arrastada em forma de gotículas, isto é, não é evaporada e também deve ser reposta.

O modelo matemático de uma torre de resfriamento pode ser feito com o uso das equações de Merkel e outros meios. Mas, por enquanto, não estão no escopo desta página.

Na prática, se há necessidade de uma torre de resfriamento, os fabricantes dispõem de tabelas ou softwares que permitem a seleção do modelo adequado. Basta informar os dados básicos, como vazão da água, temperaturas previstas de entrada e de saída da água, condições térmicas (temperatura de bulbo seco e temperatura de bulbo úmido) do ar no local.

Condicionamento de ar

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A Figura 01 abaixo dá o esquema típico do fluxo de ar em um sistema de condicionamento. Não houve preocupação de manter a disposição parecida com a real, pois depende do tipo de equipamento, do porte da instalação, etc. Além disso, há outros elementos, como filtros, que não estão representados. Considera-se uma aproximação do ideal, isto é, não há troca de calor pelos dutos que conduzem o ar.

O ar é insuflado nas condições psicrométricas E. No ambiente, ele recebe uma quantidade de calor por unidade de tempo Q, mudando as condições para F e retornando ao equipamento de condicionamento.

O fluxo de calor Q é composto por uma parcela sensível (de fontes que produzem aumento de temperatura, como equipamentos no ambiente, pessoas, radiação solar, condução através de paredes, etc) e uma parcela latente (de fontes que produzem aumento de umidade, como pessoas, equipamentos de cozimento, banhos de laboratório, etc). Q é usualmente denominado carga térmica do ambiente.

Notar que as condições psicrométricas do ar retornado (F) são, teoricamente, as condições desejadas (normalmente expressas em temperatura de bulbo seco e umidade relativa) para o ambiente.

Fig 01

O ar de retorno entra no equipamento condicionador junto de um fluxo de ar de renovação (condição A), externo ao ambiente condicionado. Isso é absolutamente necessário, pois se fosse um circuito fechado, o metabolismo das pessoas iria reduzir gradativamente a proporção de oxigênio no ar. E também para evitar a concentração de odores gerados no ambiente.

Após passar pelo ventilador, o ar de retorno e o de renovação estão misturados, resultando em ar na condição B, que passa pela serpentina.

A serpentina de resfriamento é o dispositivo que reduz a temperatura e umidade do ar. Instalações de grande porte fazem uso em geral de água gelada produzida por uma máquina de refrigeração. Em aparelhos mais compactos, incluindo os de janela, a serpentina é próprio evaporador do circuito de refrigeração (aqui não comentado).

Se existisse, uma serpentina ideal removeria toda a umidade possível, deixando o ar com uma temperatura baixa e com 100% de umidade relativa (saturado). Numa serpentina real, isso não ocorre.

Fig 02

Para simular uma serpentina real, considera-se uma ideal, isto é, o ar que sai (C) está saturado com um by-pass do ar que entra (B). Na saída, ambos se misturam, resultando em ar nas condições D.

O ar D passa por um aquecimento (em geral com resistências elétricas) para reduzir a umidade, produzindo o ar E, insuflado no ambiente. Isso pode ser visto de forma mais clara no diagrama psicrométrico.

As linhas mais grossas no diagrama da Figura 02 indicam as transformações e misturas.

O ar de renovação A é misturado com o de retorno F, resultando nas condições B, na reta AF (a posição depende das vazões de cada. B estará tanto mais próximo de F quanto maior for a vazão de F em relação a A e vice-versa).

De forma similar, no modelo dado para a serpentina real, ar B se mistura com C (saturado), resultando em ar nas condições D.

A variação de entalpia entre o ar de retorno (F) e o insuflado (E) é o calor removido do ambiente. A variação de temperatura corresponde ao calor sensível e a de umidade, ao calor latente.

A resistência de desumidificação não adiciona água ao ar e, portanto, a variação DE se dá na linha horizontal, somente com aumento de temperatura de bulbo seco.

E por que por que há necessidade da resistência de desumidificação?. Afinal, resfriar o ar e depois aquecer parece algo ineficiente. Mas é o recurso para um controle preciso da umidade do ambiente. Considerando os parâmetros de um projeto, dificilmente haveria um equipamento que resultasse nos pontos D e E coincidentes. Além disso, seria difícil compensar as naturais mudanças de condições externas e de carga térmica do ambiente. Entretanto, em muitos casos práticos, isso é dispensado. Em geral, ela é usada quando há real necessidade de controle preciso das condições do ar no ambiente.

Curiosidade relacionada: por dia, uma pessoa respira 11 metros cúbicos ou mais de ar.