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Ar & Vapor d'Água I

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Tópicos: Introdução | Exemplo: Torre de Resfriamento | Diagrama Psicrométrico e Torre de Resfriamento |


1) Introdução

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Ar e vapor d'água fazem um caso particular de misturas gasosas, de aplicações práticas importantes. Exemplo: no condicionamento de ar, o conforto térmico depende da temperatura e 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.

Seguem descrições das principais grandezas aplicáveis.

• 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.

• 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.

Exemplo de diagrama psicrométrico
Fig 1-I

Embora existam fórmulas teóricas e empíricas relacionando esses parâmetros, na prática é muito usado um gráfico denominado diagrama psicrométrico. A Figura 1-I mostra o esquema, simplificado e apenas ilustrativo, de um diagrama 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 sua esquerda 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 várias grandezas dispondo-se dos valores de apenas duas, além de outros cálculos, como o resultado da mistura de duas correntes de ar.


2) Exemplo: Torre de Resfriamento

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A Figura 2-I (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.

Trocador de calor e torre de resfriamento
Fig 2-I

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. Conforme Figura 2-I (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, colmeias e outros. Podem ser vistas em instalações de ar condicionado e em muitas aplicações industriais.

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.


3) 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.

No diagrama da Figura 3-I, 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%).

Diagrama psicrométrico e torre de resfriamento
Fig 3-I

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 simples. Entretanto, apenas com variáveis psicrométricas, não dá para estabelecer, por exemplo, uma relação entre o calor trocado e as dimensões físicas. 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). O modelo matemático de uma torre de resfriamento pode ser feito com o uso das equações de Merkel e outros meios fora do 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 a partir de 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.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Cengel, Y. A. Michael A. B. Thermodynamics: An Engineering Approach. New York, McGraw-Hill, 2006.
Giek, Kurt. Manual de Fórmulas Técnicas. São Paulo, Hemus.
Rohsenow, W. M. Hartnett, J. R. Cho, Y. I. Handbook of Heat Transfer. McGraw-Hill, 1998.
Yamane, E. Saito, H. Tecnologia do Condicionamento de Ar. São Paulo, Edgard Blücher, 1986.

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