UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

CONDICIONAMENTO DE AR COM PAINEL EVAPORATIVO DE ALGODÃO

por

Henrique Butzlaff Hübner

Henrique de Antoni

Vinicius Cabreira

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, julho de 2013

2

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo a construção de um resfriador evaporativo de simples

montagem e baixa perda de carga, bem como a instrumentação necessária para a medição da

vazão e da umidade relativa na saída do dispositivo. A construção do resfriador deu-se utilizando

panos de algodão como umidificadores de ar inseridos em um tubo de 100mm de diâmetro e

potes de plástico colados sob o cano de modo a servirem como reservatório de água. Para a

construção do medidor de vazão, um tubo capilar foi usado e fabricou-se um tubo de Pitot, já

para a construção do medidor de umidade relativa, utilizou-se dois P100s para medição das

temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Utilizou-se duas condições de entrada do ar: na

primeira condição o ar era insuflado na condição ambiente, já na segunda condição o ar era

insuflado a 40 °C e baixa umidade relativa e para ambas as condições a velocidade do ar era

5m/s. Os resultados observados mostraram uma alta eficiência do resfriador evaporativo quando

o ar insuflado à temperatura ambiente, sendo que o ar deixou o dispositivo perto da saturação e

com uma redução na temperatura em torno de 4 °C. Para o ar entrando no dispositivo a 40°C a

redução da temperatura foi maior, porém a umidade relativa não foi superior a 90 % indicando

assim que sua eficiência quanto ao resfriamento evaporativo não foi utilizada na sua máxima

potencialidade.

PALAVRAS-CHAVE: resfriamento evaporativo, umidade relativa do ar, medição de vazão.

3

ABSTRACT

This work has as objective the construction of a evaporative cooler of simple assembly

and low pressure drop, as well the necessary instrumentation for measuring flow and relative

humidity at the outlet of the device. The construction of the evaporative cooler was made with

cotton fabrics as air humidifiers inserted in a 100mm diameter tube and with plastic recipients

put above the pipe to act as water reservoirs. For the flow meter’s construction, a capillary tube

was used, and a Pitot tube was made. As for the humidity meter’s construction, it was utilized

two PT100 for the measurements of the dry and wet bulb temperatures. Two conditions of air

inflow were used: at the first condition the air is blown at environmental conditions, while at the

second condition, the air is blown at 40ºC and low relative humidity, to both conditions the speed

of the air was 5m/s. The observed results showed a high efficiency of the evaporative cooler

when the air is blown at environmental temperature, leaving the cooler near its saturation point

with an average temperature reduction of 4ºC. With the air blown at 40ºC the temperature

reduction was higher, but the relative humidity hasn’t reached 90%, indicating that its cooling

efficiency wasn’t used at its maximum potential.

KEY-WORDS: evaporative cooling, relative humidity, air flow velocity measurement.

4

LISTA DE FIGURAS

Figura 01: Diagrama do Resfriador Evaporativo 13

Figura 02: Resfriador Evaporativo 13

Figura 03: Seção Transversal do Resfriador Evaporativo 14

Figura 04: Medição da Velocidade com Tubo de Pitot 14

Figura 05: Posicionamento dos Sensores no Tubo 15

Figura 06: Bancada de Testes (LETA) 15

5

LISTA DE TABELAS

Tabela 01: Variações de temperatura/umidade relativa obtidas com o

resfriador evaporativo. 17

Tabela 02: Resistências dos sensores PT100 18

Tabela 03: Temperaturas de bulbo seco e úmido 18

Tabela 04: Umidade Relativa Obtida com o Resfriador Evaporativo 18

Tabela 05: Diferença de Pressão Estática e Vazão do Escoamento. 19

6

LISTA DE SIMBOLOS

𝐴 Área da seção transversal do tubo m²

𝐸, 𝐵 Coeficientes de calibração adm.

𝐶𝑛 Constantes da equação de pressão parcial adm.

𝛥𝑝 Diferença de pressão Pa

𝜙 Umidade relativa %

𝑔 Gravidade m/s²

ℎ Diferença de elevação m

𝑀𝑎 Massa de ar Kg

𝑀𝑤 Massa de água Kg

𝑀𝑊𝑎 Peso molecular do ar Kg/mol

𝑀𝑊𝑤 Peso molecular da água Kg/mol

µ Grau de saturação %

𝑝 Pressão estática Pa

𝑝𝑎 Pressão parcial do ar Pa

𝑝0 Pressão de estagnação Pa

𝑝𝑤 Pressão parcial d’água Pa

𝑝𝑤𝑠 Pressão parcial do vapor d’água Pa

𝑅𝑡 Resistência Ω

𝑅0 Resistência a 0ºC Ω

𝜌 Massa específica Kg/m³

𝑇 Temperatura ºC

𝑡𝑏𝑢 Temperatura do bulbo úmido ºC

𝑣 Velocidade do fluido m/s

𝑉 Vazão m³/s

𝑣0 Velocidade de estagnação m/s

𝑊 Relação de umidade gw

Kga

𝑊𝑠 Conteúdo de umidade na saturação gw

Kga

𝑊𝑠,𝑏𝑢 Conteúdo de umidade na saturação do bulbo úmido gw

Kga

𝑥𝑎 Fração molar do ar %

𝑥𝑊 Fração molar d’água %

𝑥𝑤𝑠 Fração molar do vapor d’água %

7

SUMÁRIO

RESUMO 2

ABSTRACT 3

LISTA DE FIGURAS 4

LISTA DE TABELAS 5

LISTA DE SÍMBOLOS 6

1.INTRODUÇÃO 8

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 8

3. FUNDAMENTAÇÃO 9

3.1. Equações de Psicrometria 9

3.2. Termoresistências 10

3.3. Medidas de Pressão – Tubo de Pitot 11

3.4. Manômetros 12

4.TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 12

5.VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO 15

6. RESULTADOS 17

7. CONCLUSÃO 19

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 19

8

1. INTRODUÇÃO

A humanidade, observando a natureza, já utiliza o processo de resfriamento evaporativo

desde a antiguidade. Panos molhados pendurados nas janelas na direção dos ventos dominantes e

chafarizes em pátios fechados são alguns dos recursos utilizados há milhares de anos para criar

um microclima agradável, usando o processo de resfriamento evaporativo. E na escala industrial,

as torres de resfriamento de água também utilizam um fluxo de ar para esfriar a água pela

evaporação de parte dela (ECOBRISA,2013).

O resfriamento evaporativo possui como principal característica o fato de ser mais eficiente

quando as temperaturas são mais elevadas, ou seja, quando a necessidade de resfriamento é

maior para o conforto humano. Além disso, o aumento da umidade é benéfico em regiões secas

e, em outras regiões, com a umidificação, o ar insuflado deixa de causar o desconfortável

ressecamento da pele e mucosas do corpo que os sistemas convencionais proporcionam

(CAMARGO, 2003).

O atual trabalho tem como objetivo a construção de um resfriador evaporativo, de forma a

que este tenha baixa perda de carga e boa eficiência resfriativa, juntamente com instrumentação

para a medição da velocidade do fluxo de ar e das temperaturas de bulbo seco e úmido atingidas.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Vários trabalhos comprovam os benefícios e a eficiência energética dos resfriadores

evaporativos que geralmente empregam um ventilador que aspira ar externo através de um painel

evaporativo especial, sobre o qual água é circulada continuamente por uma pequena bomba.

Porém dos trabalhos analisados não foi encontrado nenhum que emprega algodão na fabricação

do painel evaporativo.

TINÔCO et al., 2004, comparou a eficiência de alguns materiais porosos para o emprego

na fabricação de painéis evaporativos com as placas de celulose (fibra vegetal) que são as mais

usuais nos painéis evaporativos. Os materiais utilizados foram a cinasita, a serragem e o carvão

vegetal. Através do experimento constatou-se que os valores de UR do ar proporcionados por

sistemas compostos por carvão e cinasita foram menores que aqueles obtidos nos sistemas

compostos por celulose, indicando que os dois primeiros materiais não foram utilizados em sua

máxima potencialidade de resfriamento. Ao final concluiu-se através dos resultados obtidos, que

é possível recomendar a confecção de placas porosas de cinasita e carvão vegetal, em

substituição às placas de celulose, para serem utilizadas em resfriadores adiabáticos

evaporativos.

SOARES et al., 2011, construiu e testou um resfriador evaporativo que utilizava uma

cortina de água. O sistema era composto por um circuito de circulação de água impulsionada por

uma bomba hidráulica, uma rede de tubulação em PVC formadora da cortina de água, uma calha

condutora de água e um reservatório. Associado a um sistema de ventilação forçada, o

dispositivo apresentou, em três testes, resultados que indicaram que a temperatura do ambiente

pode ser reduzida na faixa de 3 a 4 ºC e com acréscimo de 10 a 12% de umidade relativa. A

máxima eficiência evaporativa obtida foi de 47,6%.

UREÑA et al., 2008, construiu um protótipo de um resfriador evaporativo. O painel

evaporativo do resfriador de ar era composto por camadas de material de papel “Kraft” de alta

qualidade, ondulado e poroso, impregnado por uma resina que lhe confere grande rigidez e

durabilidade. Utilizou-se ainda para a sua construção uma pequenina bomba d´água e um

ventilador e chapas de aço galvanizadas. Ao final concluiu-se que o dispositivo é capaz de

9

desenvolver uma refrigeração significativa determinada pela diminuição da temperatura da

entrada em relação a temperatura de saída. O efeito indesejável foi o aumento da umidade

relativa do ar condicionado.

3. FUNDAMENTAÇÃO

3.1. Equações de Psicrometria

Cartas psicrométricas e equações são métodos convenientes de lidar com as propriedades

termodinâmicas de misturas de vapor de água e ar. Obviamente, um parâmetro importante é a

massa dos dois componentes. O conteúdo de umidade W é utilizado para expressar a massa de

vapor de água por unidade de massa de ar seco, e corresponde ao eixo vertical da carta

psicrométrica.

A equação seguinte expressa o conteúdo de umidade:

𝑊 =𝑀𝑤

𝑀𝑎 (1)

Onde W é a relação de umidade ou umidade absoluta ou conteúdo de umidade em (𝑔𝑤/

𝐾𝑔𝑎). Matematicamente W é adimensional, mas termodinamicamente é dimensional [ASHRAE,

2001].

A quantidade máxima de vapor de água que pode ser misturado com o ar aumenta com a

temperatura. A umidade relativa 𝜙 é a fração molar (ou percentagem) de vapor de água presente

no ar em relação à fração molar de ar que está completamente saturada com humidade a uma

dada temperatura. Esta relação também é a pressão parcial do vapor de água em relação à água a

pressão parcial de vapor de água, quando o ar está saturado.

𝜙 =𝑥𝑊

𝑥𝑤𝑠=

𝑝𝑤

𝑝𝑤𝑠 (2)

Onde ϕ é a umidade relativa e 𝑥𝑊 e 𝑝𝑤 são a fração molar do vapor d’água e a pressão

parcial do vapor d’água (Pa) respectivamente e 𝑥𝑤𝑠 e 𝑝𝑤𝑠 são a fração molar do vapor d’água

para ar saturado e a pressão de saturação do vapor d’água líquida (Pa) respectivamente

[ASHRAE, 2001].

Segundo BAYER, 2012, em vez das tabelas de vapor para proporcionar o valor de 𝑝𝑤𝑠

como função da temperatura, a equação 3 é sugerida para temperaturas entre 0 °C e 200 °C.

𝑝𝑤𝑠 = 𝑒𝑥𝑝 (𝐶8

𝑇+ 𝐶9 + 𝐶10𝑇 + 𝐶11𝑇2 + 𝐶12𝑇3 + 𝐶13𝐿𝑛(𝑇)) (3)

Onde 𝑝𝑤𝑠 é a pressão de saturação do vapor d’água (Pa) sobre a água líquida na faixa de 0

a 200 °C (T na equação em Kelvin) e,

𝐶8 = −5,8002206𝐸3;

𝐶9 = 1,3914993;

𝐶10 = −4,8640239𝐸 − 2;

𝐶11 = 4,1764768𝐸 − 5;

𝐶12 = −1,4452093𝐸 − 8;

𝐶13 = 6,5459673.

10

A equação 4 é usada para calcular o conteúdo de umidade a partir da pressão atmosférica

local 𝑝 e pressão parcial da água 𝑝𝑤, usando a relação de peso molecular 𝑀𝑊𝑤 e 𝑀𝑊𝑎, fração

molar 𝑥 e pressão parcial do ar 𝑝𝑎.

𝑊 =𝑀𝑤

𝑀𝑎=

𝑀𝑊𝑤 𝑥𝑤

𝑀𝑊𝑎𝑥𝑎=

18,01528 𝑥𝑤

28,9645𝑥𝑎= 0,62198

𝑝𝑤

𝑝𝑎= 0,62198

𝑝𝑤

𝑝−𝑝𝑤 (4)

Na última equação 𝑊 é em (gw/Kga) e 𝑝𝑤 e 𝑝 são em (Pa) [BAYER, 2012].

Da mesma forma o conteúdo de umidade na saturação 𝑊𝑠 vale:

𝑊𝑠 = 0,62198𝑝𝑤𝑠

𝑝−𝑝𝑤𝑠 (5)

Se a temperatura de bulbo úmido é conhecida podemos resolver o conteúdo de umidade da

seguinte forma:

𝑊 =(2501−2,381𝑡𝑏𝑢)𝑊𝑠,𝑏𝑢−(𝑡−𝑡𝑏𝑢)

2501+1,805𝑡−4,1868𝑊𝑠,𝑏𝑢 (6)

Onde 𝑊 e 𝑊𝑠,𝑏𝑢 são o conteúdo de umidade e o conteúdo de umidade na saturação para

temperatura de bulbo úmido respectivamente, ambos em (gw

Kga). Já 𝑡𝑏𝑢 e 𝑡 são a temperatura de

bulbo úmido e bulbo seco respectivamente em (°C) [BAYER, 2012].

Segundo BAYER, 2012, se o ar estiver abaixo da saturação pode-se definir o grau de

saturação como:

µ =𝑊

𝑊𝑠 (7)

Onde µ é o grau de saturação para temperatura e pressão constantes.

A equação 2 pode ser expressa da seguinte forma:

𝜙 =µ

1−(1−µ)(𝑝𝑤𝑠/𝑝) (8)

Onde 𝑝 e 𝑝𝑤𝑠 estão em (Pa).

3.2. Termoresistências

As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetros de resistência ou RTD, são

sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da

temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura.

Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de

níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro.

Entre esses materiais, o mais utilizado é a platina pois apresenta uma ampla escala de

temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto

coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x

temperatura e também ter rigidez e dutibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser

obtida em forma puríssima. Padronizou-se então a termoresistência de platina [IOPE, 2013].

11

A equação matemática que rege a variação da resistência em função da temperatura

chama-se de equação Callendar-Van Dusen e que está mostrada abaixo:

𝑅𝑡 = 𝑅0[1 + 𝐸𝑡 + 𝐵𝑡2] (9)

Onde:

𝑅𝑡 = Resistência na temperatura 𝑡 em Ω;

𝑅0 = Resistência na temperatura 0 °C equivalente a 100Ω;

𝐸, 𝐵 são coeficientes determinados pela calibração:

𝐸=3,90802E-3;

𝐵=-5,802E-7;

3.3. Medidas de Pressão – Tubo de Pitot

Para determinar a velocidade do escoamento os seguintes conceitos de pressões são

utilizados:

Pressão total: é obtida quando um fluido em escoamento é desacelerado até a velocidade

zero por meio de um processo sem atrito.

Pressão estática: também chamada de pressão termodinâmica é a pressão “sentida” pela

partícula fluida em movimento.

Pressão dinâmica: é a diferença entre a pressão total e a pressão estática.

Segundo FOX e MCDONALDS, 2012, para um escoamento incompressível, a equação de

Bernoulli pode ser usada para relacionar variações na velocidade e na pressão ao longo de uma

linha de corrente. Desprezando diferenças de elevação, a equação de Bernoulli torna-se:

𝑝

𝜌+

𝑣2

2= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (10)

Se a pressão estática é 𝑝 em um ponto do escoamento no qual a velocidade é 𝑉, então a

pressão de estagnação, 𝑝0, onde a velocidade de estagnação, 𝑣0 é zero, pode ser obtida de:

𝑝0

𝜌+

𝑣02

2=

𝑝

𝜌+

𝑣2

2 (11)

Resolvendo a equação (11) para a velocidade :

𝑣 = √2(𝑝0−𝑝)

𝜌 (12)

Onde 𝑣 é a velocidade do fluído (m/s), 𝜌 é a massa específica (kg/m3), 𝑝 é a pressão

estática (Pa) e 𝑝0 é a pressão de estagnação.

Assim, se a pressão de estagnação e a pressão estática puderem ser medidas em um ponto a

equação (12) dará a velocidade local do escoamento.

12

A pressão de estagnação é medida no laboratório por meio de uma sonda posicionada na

direção do escoamento principal e em sentido oposto a ele. Tal instrumento é chamado de Tubo

de Pitot.

Como a pressão estática pode ser medida com uma tomada de pressão estática. Se

conhecermos a pressão de estagnação no mesmo ponto, então a velocidade do escoamento

poderá ser calculada e consequentemente a vazão:

𝑉 = 𝑣𝐴 (13)

Onde, 𝑉é a vazão (m3/𝑠), 𝑣 é a velocidade do fluído (m/s) e 𝐴 é a área da seção

transversal do tubo (m2) [FOX e MCDONALDS, 2012].

3.4. Manômetros

Segundo FOX e MCDONALDS, 2012, a diferença de pressão entre dois pontos num

fluído estático pode ser determinada pela diferença de elevação entre esses dois pontos. Os

dispositivos utilizados com esse propósito são chamados de manômetros e a equação que permite

calcular essa diferença de pressão é dada abaixo:

𝑝 − 𝑝0 = 𝛥𝑝 = 𝜌𝑔ℎ (14)

Onde 𝑝 é a pressão (Pa) do local de interesse e 𝑝0 a pressão (Pa) do nível de referência, 𝜌

é a massa específica do fluído (kg/m3), 𝑔 é a aceleração da gravidade (m/s2) e ℎ é a diferença

de elevação entre os dois pontos (m).

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

A partir dos conhecimentos obtidos na disciplina de medições térmicas e de uma leitura

sobre os resfriadores evaporativos disponíveis comercialmente construiu-se um resfriador

evaporativo e o medidor de umidade relativa e vazão. Para a construção do resfriador e dos

medidores foram utilizados os seguinte materiais:

Pedaço de cano PVC de 100 mm de diâmetro e comprimento de 95 cm;

Três tiras de pano de algodão;

Três potes de sorvete;

Um pedaço de tubo capilar;

Duas garrafas PET.

A figura a seguir apresenta um diagrama esquemático do funcionamento do resfriador

evaporativo:

13

Figura 01: Diagrama do Resfriador Evaporativo.

O funcionamento de resfriador evaporativo apresentado na figura anterior é da seguinte

forma: o ar é insuflado por um ventilador através do dispositivo que é composto por três painéis

evaporativos. A água proveniente dos reservatórios mantêm os painéis sempre úmidos e seu

excesso pinga através de orifícios na superfície inferior do cano. No final do resfriador

evaporativo há o medidor de vazão e duas entradas para os sensores PT100s que constituem o

medidor de umidade relativa.

As figuras 02 e 03 apresentam o resfriador evaporativo construído para o experimento:

Figura 02: Resfriador Evaporativo.

Ar

Reservatórios de água

Excesso de água pingando

Medidor de vazão

Entradas sensores PT100s

Painel evaporativo

14

Figura 03: Seção Transversal do Resfriador Evaporativo.

Como pode ser visto nas figuras 02 e 03 a construção do resfriador evaporativo deu-se de

forma bastante simples. As tiras de pano de algodão foram dispostas de modo a formar uma filtro

úmido paralelo ao sentido do escoamento e os potes de sorvete foram colados sob o cano com o

objetivo de servirem como reservatório de água mantendo sempre o filtro de pano úmido. Ao

todo foram feitos três filtros de pano de algodão com os seus respectivos reservatórios de água.

A figura a seguir mostra o medidor de vazão construído:

Figura 04: Medição da Vazão com Tubo de Pitot.

Para a construção do medidor de vazão utilizou-se o pedaço de tubo capilar e fez-se um

tubo de Pitot em seguida colou-se na parede do tubo. Também utilizou-se o manômetro

disponível no laboratório, onde em uma ponteira do manômetro foi colocada perpendicular à

seção longitudinal do tubo para a medição da pressão estática e a outra ponteira foi conectada ao

Manômetro Tomada de Pressão Estática

Tomada do Tubo de Pitot

15

tubo de Pitot para a medição da pressão de estagnação. A velocidade era obtida diretamente no

manômetro que já estava calibrado para este fim.

Para o medidor da umidade relativa foram utilizados dois sensores PT100s

disponibilizados pelo laboratório, os quais foram utilizados para a medição da temperatura de

bulbo seco e bulbo úmido. A posição dos sensores para a medição de umidade relativa é

mostrado na figura a seguir:

Figura 05: Posicionamento dos Sensores no Tubo.

Pode ser visto que para a medição da temperatura de bulbo seco a ponteira do sensor foi

apenas inserida no tubo, já para a medição da temperatura de bulbo úmido fez-se uma camisa

com um reservatório de água acoplado sobre o tubo. A medição da resistência dos sensores foi

feita utilizando um multímetro digital disponibilizado também pelo laboratório.

5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO

A validação do resfriador evaporativo foi realizada em uma bancada de testes no

Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA). O esquema da bancada de testes é

visto na figura abaixo:

Figura 06: Bancada de Testes (LETA).

Temp. de Bulbo Seco Temp. Bulbo

Úmido

16

O funcionamento da bancada experimental é da seguinte forma: o ar succionado por um

ventilador escoa até a seção de teste por meio de uma tubulação, onde é instalado o resfriador

evaporativo o sensor de umidade relativa e o medidor de vazão. O experimento foi acoplado à

bancada por meio de um flange já existente na bancada, de diâmetro de 100 mm, o mesmo da

tubulação. Outro flange com as mesmas dimensões foi colocado para a saída (ou descarga) do

experimento.

Esta tubulação possui ainda um aquecedor elétrico e também possui sensores de umidade

relativa que constituem-se de quatro sensores PT100s onde dois destes são instalados antes do

nosso resfriador evaporativo para coletar a temperatura de bulbo úmido e a temperatura de bulbo

seco e dois destes são instalados depois do nosso resfriador evaporativo fazendo a mesma

função. Há também um sensor de vazão do ar que constitui-se em um anemômetro. Ambos os

sensores de umidade relativa e vazão do ar servem para comparar os seus valores medidos com a

medição efetuada com a utilização dos nossos sensores.

Foram utilizadas duas condições de entrada do ar: na primeira condição o ar era aquecido

até a temperatura de 40 °C, já na segunda o ar era insuflado na condição ambiente. Em ambas as

condições a velocidade do ar foi 5 m/s. Para cada condição de entrada do ar foram efetuadas

quatro medições em intervalos de aproximadamente um minuto. Em cada medição coletou-se

com o auxílio de um multímetro digital os valores de resistência dos sensores de bulbo seco e

bulbo úmido provenientes do nosso sensor de umidade relativa construído. Os valores de

temperatura de bulbo seco e bulbo úmido e umidade relativa provenientes dos sensores da

bancada eram obtidos simultaneamente com o uso do software Labview através de uma VI

(Virtual Instrument) específica para este fim. Para cada condição de entrada do ar também

mediu-se a perda de carga do escoamento através de duas tomadas de pressão instaladas na

bancada do laboratório e a velocidade do ar com o nosso medidor de vazão.

Existem diversas fontes de incertezas e erros com relação aos valores obtidos em nossas

medições de vazão e umidade relativa. Como exemplo podemos citar os erros de capilaridade e

de leitura com menisco, erros relacionados ao posicionamento do tubo de Pito, erros

relacionados ao multímetro digital, incertezas com relação ao manômetro e erros relacionadas

aos sensores PT100s.

Erros de capilaridade são causados pela propriedade física que os fluidos têm de subirem

ou descerem em tubos. Essa ação pode fazer com que líquidos fluam mesmo contra a força da

gravidade ou à indução de um campo magnético e podem afetar a leitura através da formação de

um “menisco” devido à tensão superficial.

Devido a uma certa dificuldade na fixação correta do tubo de Pitot, uma vez que ficou

extremamente difícil a visualização da sua posição, nossas medições também apresentam erros

relacionados ao posicionamento do Pitot. Quanto maior o ângulo de ataque formado entre a

velocidade do escoamento e o eixo longitudinal da sonda, maiores são os desvios na medição. A

pressão estática apresenta desvios positivos, pois a sua tomada de medição estará sujeita aos

componentes transversais de velocidade do escoamento, e simultaneamente a pressão de

estagnação diminui, com desvios negativos em relação ao valor esperado.

Erros relacionados ao multímetro digital referem-se a exatidão que vem especificada nos

respectivos manuais. Esta exatidão é normalmente apresentada em duas partes:

• Percentagem da leitura ( ReaDinG) - erro relativo à medição

• Erro de resolução em número de unidades do dígito menos significativo (dgt) -erro

absoluto independente do valor da medição.

17

A incerteza de medição presente no manômetro é a incerteza combinada de diversas fontes,

dentre as quais podemos destacar a incerteza devido a histerese, a incerteza devido a resolução

do manômetro e a incerteza devido a repetitividade.

Erros presentes em nossas medições devido aos sensores PT100s referem-se à qualidade

dos mesmos. A maioria das normas classificam os Pt-100s industriais em Classe A e Classe B,

de acordo com seu limite de erro.

6. RESULTADOS

Na tabela a seguir é apresentado os valores medidos para as diferentes condições do ar na

entrada do resfriador evaporativo obtidas com os equipamentos instalados na bancada do

laboratório:

Tabela 01: Variações de temperatura/umidade relativa obtidas com o resfriador

evaporativo.

Tamb.

Entrada

resfriador

1 2 3 4 Média

Entrada

(resfriador)

Bulbo Seco (ºC) 20,38 20,47 20,45 20,49 20,45

Bulbo Úmido(ºC) 15,26 15,33 15,35 15,37 15,33

Umidade Relativa(%) 57,86 57,75 57,80 57,95 57,84

Saída

(resfriador)

Bulbo Seco(ºC) 16,37 16,09 16,14 16,22 16,21

Bulbo Úmido(ºC) 15,40 15,48 15,51 15,52 15,48

Umidade Relativa(%) 92,78 93,90 93,50 92,80 93,25

T=40ºC

Entrada

resfriador

1 2 3 4 Média

Entrada

(resfriador)

Bulbo Seco(ºC) 39,99 39,96 39,85 39,79 39,90

Bulbo Úmido(ºC) 22,46 22,52 22,51 22,56 22,51

Umidade Relativa(%) 20,81 21,08 21,25 21,50 21,16

Saída

(resfriador)

Bulbo Seco(ºC) 26,79 26,61 26,38 26,39 26,54

Bulbo Úmido(ºC) 21,88 21,91 21,92 21,96 21,92

Umidade Relativa(%) 65,10 66,50 67,70 66,70 66,50

Observando os dados na tabela anterior percebe-se que se conseguiu uma redução

significativa na temperatura do ar. Para o ar entrando na temperatura ambiente conseguiu-se uma

redução na temperatura de aproximadamente 4,2 °C e o aumento na umidade relativa foi de

35,41% chegando-se quase a uma condição do ar totalmente saturado. Para o ar entrando no

resfriador evaporativo a 40 °C conseguiu-se uma redução na temperatura ainda maior, ou seja de

aproximadamente 13,36 °C e o aumento na umidade relativa foi de 45,34%, porém como a

umidade relativa não foi superior a 90% isso indica que o painel evaporativo não atingiu o

máximo de seu potencial de arrefecimento térmico. O fato de se conseguir uma redução maior na

temperatura quando o ar entrando no resfriador evaporativo a 40°C deve-se a umidade relativa

ser menor nesta condição, sendo portanto a umidade relativa um parâmetro estritamente

relacionado com a eficiência do resfriador evaporativo.

Na tabela a seguir é apresentado os valores de resistência dos sensores PT100s obtidos com

o multímetro digital para as diferentes condições de entrada do ar:

18

Tabela 02: Resistências dos sensores PT100s.

Resistência PT100

T ambiente 1 2 3 4 Média

Bulbo Seco 106,29 106,24 106,25 106,27 106,26

Bulbo Úmido 105,93 105,95 105,98 105,98 105,96

T 40°C 1 2 3 4 Média

Bulbo Seco 110,28 110,29 110,24 110,04 110,21

Bulbo Úmido 108,23 108,25 108,25 108,28 108,25

As unidades de medida da tabela anterior são em Ω e na última coluna observa-se a média

das resistências obtidas para as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido.

Com a utilização da equação 9 e com os valores médios de resistência da tabela 02, obteve-

se as temperaturas apresentadas na tabela a seguir:

Tabela 03: Temperaturas de bulbo seco e úmido.

T entrada: Ambiente (20,44°C) 40°C

T bulbo seco (saída): 16,0630 26,2343

T bulbo úmido (saída): 15,2853 21,1834

Na tabela 03 observa-se coerência nas temperaturas de bulbo seco e úmido obtidas com os

nossos sensores para as diferentes condições de entrada do ar com relação as temperaturas

observadas na tabela 01 obtidos com os sensores da bancada. A diferença máxima encontrada

entre os valores das tabelas 01 e 03 foi para a temperatura de bulbo úmido na a condição do ar

entrando a 40 °C, sendo uma diferença de 0,73 °C.

Com a utilização dos dados da tabela 03 e as equações 3, 5, 6, 7 e 8 calculou-se a umidade

relativa na saída do resfriador evaporativo mostrado na seguinte tabela:

Tabela 04: Umidade Relativa Obtida com o Resfriador Evaporativo.

T saída (ºC) Pws (Pa) Ws (g/kg) W (g/kg) µ UR (%)

T entrada

(ambiente)

Bulbo Seco 16,0630 1825,7784 0,0114 0,0105 0,9224 92,3673

Bulbo Úmido 15,2854 1737,0464 0,0108

T entrada

(40°C)

Bulbo Seco 26,2343 3410,0345 0,0217 0,0137 0,6336 64,1503

Bulbo Úmido 21,1834 2515,8499 0,0158

Entrada Passo 1 Passo 2 Passo 3 Passo 4 Final

Na tabela anterior também observa-se coerência dos dados calculados com os dados da

tabela 01 encontrados com os sensores da bancada. Como consequência da maior divergência

entre os valores das tabelas 03 e 01 ser para a temperatura de bulbo úmido e na a condição do ar

entrando a 40 °C, a maior divergência encontrada entre as tabelas 04 e 01 também foi para este

caso, sendo uma diferença de 2,35% na umidade relativa.

A tabela a seguir apresenta a perda de pressão estática e a vazão do escoamento para as

distintas condições do ar na entrada do resfriador:

19

Tabela 05: Diferença de Pressão Estática e Vazão do Escoamento.

ΔP(mmCA) ΔP(Pa) v(m/s) Vazão(m^3/s)

Tent. (amb.) 20,00 196,20 5,00 0,04

Tent.(40°C) 20,00 196,20 5,00 0,04

Na tabela anterior a perda de pressão estática obtida no manômetro foi convertida em

Pascal utilizando a equação 14, sendo a massa específica da água como 1000 𝐾𝑔

𝑚3 e aceleração da

gravidade como 9,81 𝑚

𝑠2 e a vazão foi obtida usando a equação 13.

Através de uma análise da tabela 05 percebe-se que a medida do nosso medidor de vazão

também foi coerente com o anemômetro utilizado na bancada. Devido a resolução do manômetro

utilizado não ser maior, não foi possível observar diferenças na medição da velocidade do ar.

7. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi construído um resfriador evaporativo, de forma simples, e juntamente a

este um aparato de instrumentação necessária para a medição da velocidade do ar e da umidade

relativa na saída do resfriador.

Os resultados obtidos pela instrumentação construída foram compatíveis com os

resultados apresentados pela bancada de testes do laboratório, apresentando um baixo erro

relativo.

O resfriador apresentou para velocidade do ar de 5m/s, uma perda de carga de 196,20 Pa

para ambas temperaturas ensaiadas. Modificando as condições de entrada do ar no resfriador

evaporativo, observou-se que o resfriador atingiu uma diferença de temperatura de 13,36ºC para

o ar entrando a 40ºC e 4,24ºC para o ar entrando na temperatura ambiente. Observou-se ainda

que para a condição do ar em 40 °C na entrada do resfriador a umidade relativa não foi superior

aos 90%, evidenciando-se assim que sua eficiência quanto ao resfriamento evaporativo não foi

utilizada na sua máxima potencialidade.

Como sugestão para a continuação desta pesquisa, algumas modificações poderiam ser

feitas para a melhoria funcional e da eficiência do painel evaporativo, como:

Determinar o comprimento correto do filtro, uma vez que seu comprimento está

diretamente relacionado com a eficiência do painel evaporativo;

Verificar a velocidade do ar mais adequada para se atingir a máxima eficiência;

Instalar uma pequena bomba para fazer a recirculação da água automática.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[2] CAMARGO, J. R., 2003; Resfriamento Evaporativo: Poupando a Energia e o Meio

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[4] ECOBRISA, 2013 - Climatizadores Evaporativos. <http://www.ecobrisa.com.br>. Acesso

em: 06 julho 2013.

20

[5] FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J., 2010; Introdução à Mecânica dos

Fluidos, Editora LTC – Rio de Janeiro, Sétima Edição. Págs. 54, 213 e 214.

[6] IOPE - Instrumentos de Precisão. <http://www.iope.com.br/3ig1_termoresistencias.htm>.

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[7] SOARES, M.; SOUZA, S. N. M.; HALMEMAN M. C. R.; FRACARO G. P. M., 2011;

Desenvolvimento de um Sistema Alternativo de Trocador de Calor para Climatização de

Construções Agroindustriais.

[8] TINÔCO, I. F. F.; FIGUEIREDO J. L. A.; SANTOS R. C.; SILVA, J. N.; PUGLIESI N. L.,

2004; Placas Porosas Utilizadas em Sistemas de Resfriamento Evaporativo.

[9] UREÑA, G. A. B.; GARCIA, E. C. ; SABOYA, S. M., 2008; Etapas Construtivas de um

Protótipo de um Resfriador Evaporativo.

21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Capacidade

de leitura na

faixa indicada

Perda de

carga

Incertezas

Criatividade

Conformidade

com as

normas de

redação do

concurso