Ar condicionado apostila, Resumos de Refrigeração e Ar Condicionado

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ÍNDICE

A temperatura e a pressão barométrica do ar atmosférico variam muito com as condições do tempo e a localização geográfica, principalmente com a altitude. Ao elevar-se acima do nível do mar, a pressão barométrica diminui, de acordo com a expressão de Laplace:

H log P = log P 0 -  , 1,84 + 0,067t (^) m

onde tm é a temperatura média do ar na região compreendida entre o

nível do mar e a altura H dada em km.

1.3 PSICROMETRIA

1.3.1 FINALIDADE.

A Psicrometria é a parte da termodinâmica que tem por objetivo o estudo das propriedades do ar úmido. Alguns campos de aplicação da Psicrometria são a indústria alimentícia; a indústria de papel; processos industriais de secagem, pintura e armazenamento; refrigeração; ventilação; ar condicionado; e meteorologia.

1.3.2 LEI DE DALTON.

A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma das pressões parciais de cada componente na mesma temperatura da mistura. Define-se a pressão parcial de cada componente como a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho o volume da mistura, na temperatura da mistura. Exemplo: para o caso de ar úmido têm-se:

P (^) at = Pressão atmosférica P (^) at = P (^) a + P (^) v P (^) a = Pressão parcial do ar seco P (^) v = Pressão parcial do vapor de água.

1.3.3 PRESSÃO DE VAPOR SATURADO.

Há duas condições para evaporação da água líquida. 1 - Energia térmica deve ser fornecida à água. 2 - A pressão de vapor do líquido deve ser maior do que a do vapor da água no ambiente. A água em um ambiente gasoso que não é vapor puro, mas uma mistura de ar seco e vapor de água, se comporta de maneira análoga e, para a maioria dos objetivos práticos, a relação entre temperatura de saturação e a pressão de saturação é a mesma para a água líquida em contato apenas com seu vapor. Conclui-se portanto um fato muito importante: a pressão de vapor de saturação depende somente da temperatura.

As seguintes equações podem ser usadas para relacionar a pressão de vapor de água com a temperatura até 100ºC:

log P (^) s = 10,28 - (2316/T) (1.1)

onde T é a temperatura em Kelvin e P a pressão em kgf/m 2 .

log Ps = 9,1466 - (2316/T) (1.2)

onde P é a pressão em mmHg.

log Ps = 28,59051 - 8,2logT + 0,0024804T - 3142,31/T (1.3)

Sobre o gelo, a equação a ser usada é a seguinte:

log P (^) s = 10,5380997 - 2663,91/T,

onde é P a pressão em bar.

1.3.4 TEMPERATURA DE BULBO SECO.

Temperatura de bulbo seco (TBS) é a temperatura da mistura indicada em um termômetro. Em geral, a TBS é conhecida simplesmente por temperatura da mistura.

1.3.5 TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO.

Um termômetro, cujo bulbo esteja envolto em uma mecha de algodão, ou outro material similar, embebido em água destilada, constitui-se em um termômetro de bulbo úmido. Quando esse arranjo é colocado em contato com uma corrente de ar úmido, um processo simultâneo de transferência de calor e massa ocorrerá. Inicialmente, em virtude do ar não estar saturado, parte da água da mecha começará a se vaporizar, reduzindo a temperatura do bulbo do termômetro. Em se estabelecendo esse diferencial de temperatura, entre a mecha de algodão e a corrente de ar, calor será cedido do ar para a mecha. Assim, estabelece uma espécie de equilíbrio dinâmico , através do qual todo calor cedido pelo ar será utilizado para evaporar a água da mecha. Para essa condição, o termômetro registrará um valor conhecido por temperatura de bulbo úmido (TBU).

1.3.6 PRESSÃO PARCIAL DO VAPOR NA MISTURA.

A pressão parcial do vapor na mistura Pv, por sua vez, pode ser determinada

experimentalmente por meio do psicrômetro, o qual se baseia no fenômeno pelo qual a evaporação de água em presença do ar é tanto mais intensa quanto mais afastado da pressão de saturação se encontra o vapor de água contido no mesmo. O psicrômetro é constituído de dois termômetros idênticos, um dos quais tem o depósito de Hg (bulbo) umedecido permanentemente molhado (Fig. 1.1).

Isto é definido como a razão entre a pressão parcial de vapor de água numa dada temperatura t e a pressão parcial que o vapor de água teria se o ar úmido estivesse saturado na mesma temperatura t.

Pressão parcial do vapor de água P (^) v UR =  =  Pressão de saturação de água pura P (^) s

Deve-se observar o fato de que as pressões parciais tanto no numerador como no denominador referem-se à mesma temperatura. O diagrama Ts para o vapor de água ilustra o significado da UR (Fig. 1.2).

Fig.1.

O vapor de água na sala se encontra na condição 1 TBS = temperatura de bulbo seco da sala Pv = Pressão parcial do vapor de água na sala Ps = Pressão de saturação na mesma temperatura

1.3.9 UMIDADE ABSOLUTA.

Nos problemas que surgem na prática, a respeito de ar úmido, as suas características, como sejam, os volumes dos componentes, massa de água na mistura, umidade absoluta e umidade relativa, variam, permanecendo constante unicamente a massa do ar seco. Daí a vantagem e mesmo a necessidade de referir as suas principais características à unidade de massa do ar seco. Umidade Abosoluta (UA) é definido como a massa de vapor de água em Kg que está associada com 1 Kg de ar seco numa mistura vapor de água-ar. Conhecida também por conteúdo de umidades (g) , unidade específica (UE) e razão de umidade.

UA = m (^) v / m (^) a

A determinação do UA pode ser feita usando a Lei de Dalton e aplicando a Lei Geral dos Gases a cada um dos dois componentes. Tanto o vapor de água como o ar podem ser admitidos como gases perfeitos nas aplicações usuais de ar condicionado. Ar pode ser admitido como um gás perfeito porque sua temperatura é elevada em relação à temperatura de saturação, ao passo que o vapor de água tem

comportamento de gás perfeito porque sua pressão é baixa em relação à pressão de saturação,

mv = P (^) vV (^) v / R (^) vTv para o vapor de água

e ma = P (^) aV (^) a / R (^) aTa para o ar seco

logo,

PvVvRaTa UA =  , como V (^) v = Va e T (^) v = T (^) a R (^) vT (^) vP (^) aV (^) a

R (^) aPv R (^) a M (^) v 18, UA =  , sendo  =  =  = 0, RvPa R (^) v M (^) a 28,

A razão entre R (^) a e Rv é denominada densidade relativa do vapor de água com relação ao ar seco e, depende da razão entre massa molecular do vapor de água e do ar seco. Logo, pode-se escrever

UA = 0,622 P (^) v/Pa

isto é,

P (^) v UA = 0,622  Kg/kg de ar seco (1.5) (P (^) at - P (^) v)

EXEMPLO 1.2:

Determinar a UR e UA a TBS=30ºC e TBU=26ºC (psicrômetro giratório), para uma pressão barométrica 95,0 kPa.

Solução: P (^) s (Pressão de vapor saturado) a TBU igual a 26ºC = 3,360 kPa

(tabela de vapor saturado). Constante do psicrômetro giratório

A = 6,66.

• ºC - . Utilizando a eq.(1.4) encontra-se,

P (^) v = 3,360 - 6,66.

• .95(30 - 26) = 3,107 kPa

As tabelas psicrométricas com pressão barométrica padrão de 101,325 kPa fornecem P (^) v = 3,023 kPa. Isto não é muito diferente do

que o valor calculado para 95,0 kPa, mas a diferença se torna cada vez maior e mais significante à medida que a pressão barométrica se afasta de 101,325 kPa. Ps (pressão de vapor saturado) a TBS igual a 30ºC = 4,

kPa. Logo,

(P (^) at - Ps) Assim o fator  ≅ 1 e GS = UR (P (^) at - P (^) v)

1.3.11 PONTO DE ORVALHO.

Ponto de orvalho (TPO) é a temperatura abaixo da qual inicia- se a condensação, à pressão constante, do vapor de água contido no ar. A determinação da TPO não é muito precisa. Na Fig. 1.3 observa-se que este ponto é atingido na linha de vapor saturado.

1.3.12 VOLUME ESPECÍFICO.

É o volume em m³ de 1kg de ar seco e a massa de vapor de água associada. Na mistura o vapor ocupa o mesmo volume do ar seco mas cada um possui sua própria pressão parcial. Pela Lei de Dalton, a soma destas duas pressões parciais é a pressão total da mistura. Assim, aplicando a Lei dos Gases pode-se determinar o volume úmido de três modos: 1 - fazendo uso da massa e da pressão parcial do ar seco 2 - fazendo uso da massa e da pressão parcial do vapor de água 3 - fazendo uso da massa e da pressão total da mistura.

1.3.13 ENTALPIA.

A entalpia do ar úmido é a soma da entalpia de seus componentes, H = maha + mvh (^) v ,

a entalpia específica é sempre referida a massa de ar seco

H m (^) v h =  = h (^) a +  hv , ou seja m (^) a ma

h = h (^) a + gh (^) v (1.6)

1.3.14 TEMPERATURA DE SATURAÇÃO ADIABÁTICA.

Fig. 1.

Considere o saturador adiabático da Fig. 1.4. O ar é forçado a entrar em contato com um borrifo de água numa câmara isolada termicamente. À saída do equipamento, o ar está na condição de saturação e em equilíbrio termodinâmico com a água. A parcela da água evaporada é reposta com a mesma temperatura da água do reservatório (T). O processo ocorre em regime permanente e à pressão constante. Um balanço de energia para a corrente de ar entre entrada e saída do saturador:

h 1 = h 2 - (g 2 - g 1 )hL (1.7)

Fig. 1.

onde hL é a entalpia do líquido saturado à temperatura do

reservatório (T). Mantida a pressão constante, as propriedades g 2 , h 2

e hL são função apenas de uma dada temperatura, a qual assinala-se

por T. Deduz-se então, pela eq. 1.7 que a temperatura T é uma função de h 1 e g 1. Assim, a temperatura T passa a ser uma propriedade

Termodinâmica do ar úmido que entra no aparelho, conhecida por temperatura de bulbo úmido termodinâmica. Note que a temperatura da corrente de ar que deixa o equipamento (T) é a mesma da água de aspersão, situação difícil de se estabelecer. Dessa forma, o saturador é uma idealização útil para se definir a temperatura de bulbo úmido termodinâmica. A saturação do ar nesse sistema ocorre numa câmara adiabática, onde apenas a corrente do ar e a água trocam calor, e daí, decorre uma outra designação para T, temperatura de saturação adiabática (TSA). Em termos práticos, a TSA (função do estado termodinâmico do ar úmido) e a TBU (resultado de um processo simultâneo de transferência de calor e massa) são bastante próximas à mistura ar seco e vapor de água em condições ambientes. A velocidade mínima de corrente de ar que circula pelo termômetro de bulbo úmido é da ordem de 5 m/s.

2. INSTALAÇÕES.

2.1 TIPOS DE INSTALAÇÕES.

As instalações de condicionamento do ar podem ser classificadas conforme segue.

a - quanto a expansão

direta

indireta

b - quanto a condensação

a ar

a água

a evaporativa

natural

forçada com retorno sem retorno

c - quanto ao tipo de instalação

. aparelhos individuais; . instalações centrais; . instalações centrais com circulação de água gelada nas serpentinas (fan-coils); . instalações centrais com termoacumulação.

d - quanto ao tratamento do ar

. aquecimento . refrigeração . desumidificação . umidificação . aquecimento com umidificação . refrigeração com desumidificação . refrigeração com desumidificação e reaquecimento . condicionamento completo.

e - quanto ao ar insuflado

. insuflamento de ar único (Fig. 2.1) . insuflamento de ar duplo (Fig. 2.2) . insuflamento de ar primário (Fig. 2.3).

f - quanto à localização do equipamento

. local (aparelhos de janela e split system) . pequenas centrais (unidades compactas, tipo selfcontained). . grandes centrais . semicentrais

• 1. PROPRIEDADES DO AR
• 2. TIPOS DE INSTALAÇÕES
• 3. PROCESSOS DE CONDICIONAMENTO DE AR
• 4. RESFRIAMENTO PELA EVAPORAÇÃO
• 5. DUTOS
• 6. DIMENSIONAMENT DE DUTOS
• 7. DISTRIBUIçÃO DE AR
• 8. COMO FAZER UM PROJETO
• 9. BIBLIOGRAFIA
• 10. ANEXOS
• Fig.2.
• Fig.2.
• Fig.2.

M

- mistura de ar de retorno com ar exterior

M

- mistura do ar tratado com ar de retorno de by pass

INVERNO - mistura ar de retorno com o ar exterior; filtra

R - serpentina de refrigeração

A - serpentina de aquecimento

U - umidificadores

S - separadores de gotas

F - filtro

OUTONO OU PRIMAVERA - mistura do ar de retorno com o ar ex

com desumidificação; reaquecimento.

VERÃO - mistura de ar de retorno com o ar exterior; filtra

Fig.2.6. Condicionamento completo (inverno-verão)

Fig.2.8. Expansão indireta de água gelada.

(2) ar retorno TBS = 14°C; v 2 = 0,825 m

3 /kg de ar seco TBU = 13°C; g 2 = 9,000 g/kg de ar seco

Fig. 3.

2 - Com os valores do volume específico obtém-se as respectivas vazões em massa de ar seco:

1m

3 /s ma1 =  = 1,12 kg/s 0,895 m 3 /kg

3m

3 /s ma2 =  = 3,64 kg/s 0,825 m 3 /kg

3 - Pelo princípio da conservação de massa, eq. 3.

ma1g 1 + ma2g 2 3,64x9,000 + 1,12x15, g 3 =  =  m (^) a1 + ma2 3,64 + 1,

g 3 = 10,575 g/kg de ar seco

4 - Recorrendo à carta psicrométrica, determina-se as outras condições da mistura: TBS = 18,8ºC ; h 3 = 46 kj/kg

5 - De maneira análoga e pelo princípio da conservação da energia, obtém-se:

h 1 = 76,0 kj/kg; h 2 =36,5 kj/kg

h 1 ma1 + h 2 ma2 76,0x1,12 + 36,5x3, h 3 =  =  = 45, m (^) a1 + ma2 4,

6 - A TBS poderá também ser calculada por proporções através do relacionamento de massas:

t 1 ma1 + t 2 ma2 35x1,12 + 14x3, t 3 =  =  = 18,94°C m (^) a1 + ma2 4,

É uma resposta errada, tanto numericamente como pelo método de cálculo. Entretanto, o erro é pequeno, suficientemente preciso para todos os objetivos práticos. O valor de t 3 obtido diretamente

da carta psicrométrica é 18,8ºC.

3.2 AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO SENSÍVEL.

O aquecimento sensível ocorre quando o ar, sem a presença de vapor de água, passa através de uma bateria de resistências elétricas ou uma superfície de aquecimento a vapor. O resfriamento sensível ocorre quando o ar úmido, sem que haja condensação, passa através de uma serpentina de resfriamento. A essência de ambos os processos é que a variação de estado deve ocorrer ao longo de uma linha de conteúdo de umidade constante. As variações das propriedades físicas do ar úmido são apresentadas abaixo:

Aquecimento sensível Resfriamento sensível TBS aumenta diminui h aumenta diminui v aumenta diminui TBU aumenta diminui UR diminui aumenta g constante constante TPO constante constante Pv constante constante

EXEMPLO 3.

Calcular a carga térmica de uma serpentina para aquecer em 20°C, 90 MCM de ar úmido nas condições iniciais de TBS = 21°C e TBU = 15°C. Se as condições de água quente fornecida à serpentina para realizar este aquecimento são: entrada 85°C e saída 75°C. Calcular a massa de água necessária em kg/min.

Solução: Utilizando a carta psicrométrica (Fig.4.3), obtém-se os estados 1 e 2 do ar nas condições iniciais e após o aquecimento: