Tcc dagora[1]

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI CAMPUS ALTO PARAOPEBA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA Montagem de um Climatizador de Baixo Custo Ouro Branco MG 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

CAMPUS ALTO PARAOPEBA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

Montagem de um Climatizador de Baixo Custo

Ouro Branco – MG

2013

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

CAMPUS ALTO PARAOPEBA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

Montagem de um Climatizador de Baixo Custo

Autora: Dágora Soares de Souza

Orientador: Juan Canellas Bosch Neto

Monografia apresentada ao Colegiado do Curso de Graduação em Engenharia Química

da Universidade Federal de São João Del-Rei como parte dos requisitos necessários à

convalidação da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Química.

Ouro Branco – MG

2013

iii

MONOGRAFIA SUBMETIDA À BANCA EXAMINADORA DO CURSO DE GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA QUÍMICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI COMO

PARTE DOS REQUISITOS PARA CONVALIDAÇÃO DA DISCIPLINA TRABALHO DE

CONCLUSÃO DE CURSO.

AVALIADORES:

____________________________

Prof. Juan Canellas Bosch Neto

(DEQUE/CAP/UFSJ)

____________________________

Prof. Enio Nazaré de Oliveira Junior

(DQBIO /CAP/UFSJ)

iv

RESUMO

Com o aquecimento global, associado ao aumento da densidade demográfica, existe a

demanda por equipamentos que possam condicionar e controlar as propriedades do ar em

ambientes fechados de forma a proporcionar conforto térmico aos indivíduos ali presentes.

Nesse trabalho foi apresentado um breve estudo teórico sobre os processos de transferência

de calor e massa associados à climatização de ambientes e a montagem de um climatizador

a baixo custo, realizando alguns ensaios experimentais para uma avaliação preliminar de seu

desempenho. O climatizador foi montado com êxito e através dos resultados dos ensaios

experimentais obtidos pode-se observar que não houve uma queda significativa de

temperatura ambiente e que houve um aumento significativo da umidade relativa do ar. Logo,

o protótipo desenvolvido está funcionando apenas como um umidificador e possivelmente se

o tamanho do protótipo fosse ampliado para o mesmo volume de ar da sala, teria-se uma

melhor resposta em termos de temperatura. Sugere-se a realização de um maior número de

ensaios experimentais e a modelagem matemática do sistema para o confronto dos dados

experimentais com o modelo matemático e sua validação.

v

ABSTRACT

With global warming, associated with increased population density, there is a demand for

equipment that may affect and control the properties of indoor air to provide thermal comfort

to individuals who are present. In this paper, we presented a brief theoretical study of the

processes of heat and mass transfer associated with ambient air conditioning and the

assembly of a low-cost air conditioner, performing some experimental tests for a preliminary

evaluation of its performance. The air conditioner was successfully mounted and through the

results of laboratory tests obtained it can be observed that there was not a significant drop in

temperature and that there was a significant increase in relative humidity. Therefore, the

prototype is functioning only as a humidifier and possibly if the size of the prototype were

enlarged to the same volume of room air, it could have a better response in terms of

temperature. It is suggested to carry out a greater number of experimental and mathematical

modeling for the comparison of experimental data with the mathematical model and its

validation.

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Transferência de calor unidimensional por condução (difusão de energia)............12

Figura 2.2: Desenvolvimento da camada-limite na transferência de calor por convecção.......13

Figura 2.3: Psicrômetro...........................................................................................................18

Figura 2.4: Carta psicrométrica do sistema ar-água, sob pressão atmosférica........................19

Figura 2.5: Componentes de uma carta psicrométrica............................................................19

Figura 2.6: Utilização da carta psicrométrica para determinação da umidade relativa do ar....20

Figura 2.7: Utilização do programa computacional CYTSoft 2.2 para determinação da umidade

relativa do ar............................................................................................................................21

Figura 2.8: Fatores que afetam o conforto térmico..................................................................22

Figura 2.9: Ciclo de refrigeração a compressão de vapor........................................................24

Figura 2.10: Sistema de um climatizador evaporativo com painel de contato ar-água.............25

Figura 3.1: Montagem do protótipo (a) vista frontal e (b) vista do interior da caixa de isopor....27

Figura 3.2: Montagem do protótipo (vista lateral).....................................................................27

Figura 4.1: Visualização esquemática dos resultados.............................................................29

vii

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Descrição, Unidade

A componente líquido

B componente gasoso

c concentração molar, kmol.m-3

DAB coeficiente de difusão binária, m2.s-1

E poder emissivo

h coeficiente de transferência de calor por convecção, W.m-2.K-1

hr coeficiente de transferência de calor por radiação, W.m-2.K-1

J*A fluxo molar difusivo, kmol.s-1.m-2

jA fluxo mássico difusivo, kg.s-1.m-2

k condutividade térmica, W.m-1.K-1

MA massa molecular do componente A, g.mol-1

MB massa molecular do componente B, g.mol-1

nA fluxo mássico da espécie A, kg.s-1.m-2

P pressão, atm

P' pressão de saturação, atm

PA pressão parcial do componente A (vapor), atm

q"x fluxo térmico na direção do eixo x, W.m-2

q"y fluxo térmico na direção do eixo y, W.m-2

q"z fluxo térmico na direção do eixo z, W.m-2

qrad calor líquido trocado por radiação, W

T temperatura, K

T∞ temperatura do fluido, K

TBS temperatura de bulbo seco, °C

TBU temperatura de bulbo úmido, °C

Ts temperatura da superfície, K

Tviz temperatura da vizinhança

U umidade absoluta

UR(%) umidade relativa

US umidade de saturação

v velocidade média molecular, m.s-1

viii

wA fração mássica da espécie A

xA fração molar da espécie A

y fração molar na fase gasosa

ε Emissividade

ρ massa específica, kg.m-3

σ constante de Stefan-Boltzmann, W.m-2.K-4

ix

SUMÁRIO

Folha de Rosto........................................................................................................... ii

Folha de Aprovação.................................................................................................... iii

Resumo....................................................................................................................... iv

Abstract....................................................................................................................... v

Lista de Figuras.......................................................................................................... vi

Lista de Símbolos....................................................................................................... vii

1 - INTRODUÇÃO....................................................................................................... 10

2 - REVISÃO DE LITERATURA................................................................................. 11

2.1 - Transferência de Calor....................................................................................... 11

2.1.1 - Condução................................................................................................... 11

2.1.2 - Convecção.................................................................................................. 12

2.1.3 - Radiação.................................................................................................... 13

2.2 - Transferência de Massa..................................................................................... 14

2.2.1 - Transferência de Massa Molecular............................................................ 14

2.2.2 - Transferência de Massa Convectiva.......................................................... 15

2.3 - Umidificação....................................................................................................... 16

2.3.1 - Carta Psicrométrica.................................................................................... 18

2.3.2 - Determinação da Umidade Relativa do Ar................................................. 20

2.4 - Conforto Térmico................................................................................................ 21

2.4.1 - Trocas de Calor entre o Corpo Humano e o Ambiente.............................. 21

2.5 - Sistemas de Climatização.................................................................................. 23

3 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL....................................................................... 26

3.1 - Materiais............................................................................................................. 26

3.2 - Montagem........................................................................................................... 26

3.3 - Ensaios Experimentais e o Funcionamento do Protótipo................................... 27

4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................. 28

5 - CONCLUSÃO........................................................................................................ 30

6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 31

10

1 – Introdução

A climatização é um tema que vem sendo bastante estudado devido à necessidade de

se condicionar e controlar as propriedades do ar em ambientes fechados. O desenvolvimento

de equipamentos de climatização permitiu que houvesse maior conforto térmico em locais

antes considerados demasiados quente, frio, úmido ou seco. Em indústrias, casas ou

escritórios, as condições de temperatura e umidade são alteradas para que a pessoa presente

no ambiente não se sinta desconfortável ao gastar energia para se adaptar, podendo se

concentrar em suas atividades principais.

Com a caracterização dos aspectos que influenciam, não somente, a produtividade e

qualidade do trabalho humano, mas também de equipamentos, o condicionamento do ar

passou a ser um fator determinante para garantir a execução eficiente de tarefas e o perfeito

funcionamento das máquinas em certos ambientes.

O ar atmosférico é uma mistura de ar seco e vapor de água e para uma dada condição

de temperatura e pressão esta mistura tem capacidade de conter uma quantidade máxima de

vapor d’água. Sendo assim, é possível aproveitar esta capacidade do ar de armazenar água

em forma de vapor para otimizar as condições de certo ambiente utilizando um sistema de

climatização e visando o conforto térmico dos indivíduos ali presentes.

Este processo, chamado de resfriamento evaporativo, consiste na utilização da

evaporação de água através da passagem de um fluxo de ar, provocando uma redução na

temperatura e elevação de sua umidade relativa, sendo mais eficiente quando a temperatura

do ar externo é mais elevada e sua umidade relativa é menor, ou seja, quando a necessidade

de resfriamento é maior para otimizar as condições ambientais.

Atualmente, os sistemas de condicionamento de ar por compressão a vapor e o de

ventilação são os mais utilizados. A importância do resfriamento evaporativo tem evoluído nas

últimas décadas, devido a fatores como a crescente crise de energia, os problemas ambientais

causados pelos gases clorofluorcarbono (CFC) e hidroclorofluorcarbono (HCFC) usados em

condicionadores de ar, bem como a baixa eficiência dos sistemas de ventilação,

principalmente nos meses mais quentes do ano (OLIVEIRA, 2011).

Este trabalho de conclusão de curso teve como objetivo principal a montagem de um

climatizador de baixo custo, utilizando os princípios do resfriamento evaporativo. Para isso foi

necessário um estudo dos processos de transferência de calor e massa, que estão

intimamente associados aos processos de resfriamento e umidificação. Após a montagem de

um protótipo de climatizador, foram realizados alguns ensaios experimentais para avaliação

de seu desempenho.

11

2 - Revisão de Literatura

2.1 - Transferência de Calor

Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito devido a uma diferença

de temperaturas no espaço. Sempre que existir uma diferença de temperaturas em um meio

ou entre meios, haverá, necessariamente, transferência de calor (INCROPERA et al., 2008).

Existem três modos de transmissão de calor: condução, convecção e radiação.

Quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário, que pode ser um sólido

ou um fluido, usamos o termo condução para nos referirmos à transferência de calor que

ocorrerá através do meio. Em contraste, o termo convecção se refere à transferência de calor

que ocorrerá entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles estiverem a

diferentes temperaturas. O terceiro modo de transferência de calor é chamado de radiação

térmica. Todas as superfícies com temperatura não nula emitem energia na forma de ondas

eletromagnéticas. Dessa forma, na ausência de um meio interposto participante, há

transferência de calor líquida, por radiação, entre duas superfícies a diferentes temperaturas

(INCROPERA et al., 2008).

2.1.1 - Condução

Trata-se da transmissão de calor molécula a molécula, havendo necessidade de um

meio material, ocorrendo sempre de um ponto de maior temperatura para um de menor

temperatura. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de

partículas mais energéticas para partículas menos energéticas devido a interações entre elas

(QUITES; LIA, 2013).

O processo de condução térmica pode ser quantificado através da equação de taxa

denominada lei de Fourier. Para a parede plana unidimensional, mostrada na Figura 2.1 com

uma distribuição de temperaturas T(x), a equação da taxa é representada na forma

𝑞𝑥" = −𝑘

𝑑𝑇

𝑑𝑥 (2.1)

O fluxo térmico q”x (W.m-2) é a taxa de transferência de calor na direção x por unidade de área

perpendicular à direção da transferência e ele é proporcional ao gradiente de temperatura

dT/dx, nesta direção. O parâmetro k é uma propriedade de transporte conhecida como

condutividade térmica (W.m -1.K -1) e é uma característica do material (INCROPERA et al.,

2008).

12

Figura 2.1: Transferência de calor unidimensional por condução (difusão de energia).

Fonte: INCROPERA et al., 2008.

Se a temperatura variar em todas as três dimensões, então escrevemos uma equação

como a Equação 2.1 para cada uma das direções coordenadas

𝑞𝑥" = −𝑘

𝜕𝑇

𝜕𝑥 𝑞𝑦

" = −𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑦 𝑞𝑧

" = −𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑧 (2.2, 2.3, 2.4)

Se cada uma dessas equações for multiplicada pelo vetor unitário apropriado e as equações

resultantes forem somadas obtemos

𝒒" = −𝑘∇𝑇 (2.5)

Que é a forma tridimensional da lei de Fourier. Essa equação descreve o transporte molecular

de calor em meios isotrópicos. Por “isotrópico” queremos dizer que o material não possui

direções preferenciais e portanto a condução se dá com a mesma condutividade térmica k em

todas as direções (BIRD; STEWART; LIGHTFOOT, 2004).

2.1.2 - Convecção

A transferência de calor por convecção envolve a troca de energia entre uma superfície

e um fluido adjacente. Deve ser feita uma distinção entre a convecção forçada, em que o

escoamento é causado por um agente externo, tal como um ventilador ou uma bomba, e

convecção livre ou natural, em que o escoamento do fluido é induzido por forças originadas a

partir de diferenças de densidades (massas específicas) causadas por variações de

temperatura no fluido. (WELTY et al., 2000, tradução nossa).

A convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao

movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do

movimento global, ou macroscópico, do fluido (INCROPERA et al., 2008).

Vamos considerar o escoamento de um fluido sobre a superfície aquecida da Figura

2.2. Uma consequência da interação entre o fluido e a superfície é o desenvolvimento de uma

região no fluido através da qual sua velocidade varia entre zero, no contato com a superfície

(y = 0), e um valor infinito u∞, associado ao escoamento do fluido. Essa região do fluido é

conhecida por camada-limite hidrodinâmica ou de velocidade. Além disso, se as temperaturas

13

da superfície e do fluido forem diferentes, existirá uma região no fluido através da qual a

temperatura variará de Ts, em y = 0, até T∞, associada à região do escoamento afastada da

superfície. Essa região, conhecida por camada-limite térmica, pode ser menor, maior ou ter o

mesmo tamanho daquela através da qual a velocidade varia (INCROPERA et al., 2008).

Figura 2.2: Desenvolvimento da camada-limite na transferência de calor por convecção.

Fonte: INCROPERA et al., 2008.

A equação de taxa de transferência de calor por convecção foi expressa pela primeira

vez em 1701 por Newton, e é referida como a equação da taxa de Newton ou lei do

resfriamento de Newton (WELTY et al., 2000, tradução nossa). É representada pela seguinte

equação

𝑞" = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) (2.6)

Onde q”, o fluxo de calor por convecção (W.m-2), é proporcional à diferença entre as

temperaturas da superfície e do fluido, Ts e T∞, respectivamente.

O parâmetro h (W.m-2.K-1) é chamado de coeficiente de transferência de calor por

convecção. Ele depende das condições na camada-limite, as quais, por sua vez, são

influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do escoamento do fluido e por uma

série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido (INCROPERA et al., 2008).

2.1.3 - Radiação

A radiação é formalmente definida como a energia transferida por ondas

eletromagnéticas. Todas os corpos emitem continuamente energia em virtude de sua

temperatura, a energia assim é definida radiação térmica. Essa forma de transferência permite

a troca de energia entre corpos sem a presença de um meio comunicante (SOUZA, 2005).

A radiação que é emitida por uma superfície tem sua origem na energia térmica da

matéria delimitada pela superfície e a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área

(W.m-2) é conhecida como poder emissivo, E, da superfície. Há um limite superior para o poder

emissivo, que é determinado pela lei de Stefan-Boltzmann

14

𝐸𝑛 = 𝜎𝑇𝑠4 (2.7)

Onde Ts é a temperatura absoluta (K) da superfície e σ é a constante de Stefan-Boltzmann (σ

= 5,67 x 10-8 W.m-2.K-4). Tal superfície é chamada de radiador ideal ou corpo negro

(INCROPERA et al., 2008).

O fluxo térmico emitido por uma superfície real é menor do que aquele emitido por um

corpo negro à mesma temperatura e é dado por

𝐸 = 𝜀𝜎𝑇𝑠4 (2.8)

Onde ε é uma propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade. Com valores

na faixa de 0 ≤ ε ≤ 1, essa propriedade fornece uma medida da eficiência na qual uma

superfície emite energia em relação ao corpo negro. Ela depende do material da superfície e

de seu acabamento (INCROPERA et al., 2008).

Um caso particular que ocorre com frequência é a troca de radiação entre uma

pequena superfície a Ts e uma superfície isotérmica, muito maior, que envolve completamente

a menor. Esta vizinhança poderia ser, por exemplo, as paredes de uma sala ou de um forno,

cuja temperatura Tviz seja diferente daquela da superfície contida no seu interior (Tviz ≠ Ts). A

troca líquida de calor por radiação pode ser expressa por

𝑞𝑟𝑎𝑑 = ℎ𝑟𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇𝑣𝑖𝑧) (2.9)

Sendo A a área de troca térmica (m2) e hr o coeficiente de transferência de calor por radiação

(W.m-2.K-1) (INCROPERA et al., 2008).

2.2 - Transferência de Massa

Quando um sistema contém dois ou mais componentes, e suas concentrações variam

ponto a ponto, há uma tendência natural da massa ser transferida, minimizando as diferenças

de concentração dentro do sistema. O transporte de um componente de uma região de maior

concentração para uma de menor concentração é chamado de transferência de massa

(WELTY et al., 2000, tradução nossa).

A transferência de massa pode ocorrer pelo movimento molecular aleatório ou como

consequência do movimento do meio. O primeiro caso constitui a contribuição difusa ao

transporte de massa e o segundo a contribuição convectiva ao transporte de massa.

2.2.1 - Transferência de Massa Molecular

O transporte dá-se em nível molecular, no qual há movimento aleatório das moléculas,

cujo fluxo líquido obedece à segunda lei da termodinâmica. Há ação substancial da

concentração do soluto no espaço considerado, em que a força motriz associada é o gradiente

15

de concentração do soluto. Esse fenômeno é conhecido como difusão e pode ser escrito

segundo a expressão

(𝑀𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎) =1

(𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒)× (𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑧) (2.10)

Na qual a resistência ao transporte está associada à interação soluto - meio (CREMASCO,

2009).

A equação da taxa para a difusão mássica (ou molar) é conhecida como primeira lei

de Fick e para a transferência da espécie A em uma mistura binária de A e B, ela pode ser

escrita na forma vetorial como

𝒋𝐴 = −𝜌𝐷𝐴𝐵∇𝑤𝐴 (2.11)

Ou

𝑱𝐴∗ = −𝑐𝐷𝐴𝐵∇𝑥𝐴 (2.12)

Sendo jA o fluxo mássico difusivo da espécie A (kg.s-1.m-2), que representa a quantidade de A

que é transferida por difusão por unidade de tempo e por unidade de área perpendicular à

direção da transferência. Essa grandeza é proporcional à massa específica da mistura, ρ = ρA

+ ρB (kg.m-3), e ao gradiente da fração mássica da espécie A, wA = ρA/ρ (INCROPERA et al.,

2008).

O fluxo da espécie pode também ser avaliado em base molar, na qual J*A (kmol.s-1.m-

2) é o fluxo molar difusivo da espécie A, c é a concentração molar total da mistura e xA a fração

molar da espécie A.

A constante de proporcionalidade DAB (m2.s-1) é conhecida como coeficiente de difusão

binária. É uma grandeza empírica, que depende da pressão, temperatura e composição do

sistema. Como se poderia esperar a partir da consideração da mobilidade das moléculas, os

coeficientes de difusão são geralmente mais elevados para os gases (no intervalo de 5 x 10-6

a 1 x 10-5 m2/s), do que para líquidos (no intervalo de 10-10 a 10-9 m2/s), que são mais elevados

que os valores reportados para os sólidos (no intervalo de 10-14 a 10-10 m2/s) (WELTY et al.,

2000, tradução nossa).

Na ausência de dados experimentais, tem sido desenvolvidas expressões

semiteóricas, que fornecem aproximações, ás vezes válidas como valores experimentais

devido a dificuldades encontradas em sua medição (WELTY et al., 2000, tradução nossa).

2.2.2 - Transferência de Massa Convectiva

A transferência de massa posta de acordo com a Equação 2.10 pode ocorrer em nível

macroscópico, cuja força motriz é a diferença de concentração e a resistência ao transporte

16

está associada à interação soluto - meio e à ação externa. Essa ação externa relaciona-se

com as características dinâmicas do meio e a geometria do lugar onde se encontra. Esse

fenômeno é conhecido como convecção mássica e consiste no auxílio ao transporte de

matéria como consequência do movimento do meio (CREMASCO, 2009). A contribuição

convectiva em termos mássicos é expressa por

𝑤𝐴(𝒏𝐴 + 𝒏𝐵) = 𝜌𝐴𝒗 (2.13)

Onde nA e nB são os fluxos mássicos das espécies A e B, respectivamente, e são expressos

por

𝒏𝐴 = 𝜌𝐴𝒗𝐴 𝒏𝐵 = 𝜌𝐵𝒗𝐵 (2.14, 2.15)

E a grandeza v representa a velocidade média molecular do sistema, sendo vA e vB as

velocidades médias moleculares das espécies A e B, respectivamente.

A contribuição convectiva é útil para avaliar o efeito da velocidade do meio na

distribuição da concentração do soluto. Se essa velocidade vier a ser causada por agentes

mecânicos externos ao que acontece no interior da região de transporte, tem-se a convecção

mássica forçada. Todavia, quando o movimento do meio for ocasionado pela combinação do

gradiente de concentração do soluto, o qual provoca variação na densidade do meio, e de

uma ação volumar, sem a ação de agentes mecânicos, tem-se a convecção mássica natural

(CREMASCO, 2009).

Dessa forma, combinando-se os transportes difusivo e convectivo, o fluxo mássico

total da espécie A pode ser melhor representado pela forma vetorial

𝒏𝐴 = −𝐷𝐴𝐵∇𝜌𝐴 + 𝜔𝐴(𝒏𝐴 + 𝒏𝐵) (2.16)

Sendo que −𝐷𝐴𝐵∇𝜌𝐴 representa a contribuição difusiva e 𝜔𝐴(𝒏𝐴 + 𝒏𝐵) a contribuição

convectiva (WELTY et al., 2000, tradução nossa).

2.3 - Umidificação

Umidificação e desumidificação consistem em processos onde há transferência

simultânea de calor e de massa, onde estão envolvidos dois componentes e duas fases. A

fase líquida, na maioria dos casos, a água, é um dos componentes, e a fase gasosa é

constituída por um gás não-condensável, usualmente o ar, no qual está presente uma certa

fração do vapor da fase líquida (FOUST et al., 1982).

Umidade é a massa de vapor por unidade de massa de gás seco. Entende-se por

vapor a forma gasosa do componente que também está presente na forma líquida, e gás é o

componente presente apenas na forma gasosa (MCCABE; SMITH; HARRIOTT, 2005,

tradução nossa). O componente da fase líquida será referenciado como componente A, e o

gás como componente B. A umidade absoluta U é expressa por

17

𝑈 =𝑀𝐴𝑝𝐴

𝑀𝐵(𝑃−𝑝𝐴) (2.17)

Sendo P a pressão total do sistema, pA a pressão parcial do vapor, MA e MB as massas

moleculares dos componentes A e B, respectivamente.

A umidade pode ser relacionada à fração molar da fase líquida pela equação

𝑦 =𝑈 𝑀𝐴⁄

1 𝑀𝐵⁄ +𝑈 𝑀𝐴⁄ (2.18)

Uma vez que U/MA é usualmente menor que 1/MB, a fração molar y é frequentemente

considerada diretamente proporcional à umidade absoluta U (MCCABE; SMITH; HARRIOTT,

2005, tradução nossa).

O gás está saturado quando o vapor está em equilíbrio com o líquido na temperatura

do gás. A pressão parcial do vapor no gás saturado é igual à pressão de saturação do líquido

à temperatura do gás. Se US é a umidade de saturação e P’A é a pressão de saturação do

líquido,

𝑈𝑆 =𝑀𝐴𝑃𝐴

𝑀𝐵(𝑃−𝑃𝐴′ )

(2.19)

Umidade relativa é definida como a razão entre a pressão parcial do vapor e a pressão

de saturação do líquido à temperatura do gás e é expressa em base percentual. 100 % de

umidade relativa significa que o gás está saturado. Pela definição

𝑈𝑅(%) = 100𝑝𝐴

𝑃𝐴′ (2.20)

Outra propriedade importante do sistema ar-água, é a temperatura de bulbo úmido. A

temperatura de bulbo úmido (TBU) corresponde à temperatura que uma pequena massa de

água atinge ao ser imersa, adiabaticamente, na mistura ar-água (SILVA, 2009).

A temperatura de bulbo úmido pode ser obtida através de um psicrômetro. O

psicrômetro é um aparelho que consiste em dois termômetros, fixados sobre um mesmo

suporte: um com o seu bulbo seco, chamado de termômetro de bulbo seco, e o outro com o

seu bulbo molhado, chamado de termômetro de bulbo molhado. Este último tem esse nome

porque seu bulbo é envolvido por um tecido, algodão ou algo do gênero, embebido em água.

Sua temperatura, denominada temperatura de bulbo úmido, é sensivelmente menor do que a

do termômetro de bulbo seco, que marca a temperatura ambiente. Essa diferença de

temperatura entre os termômetros é o dado fundamental para a avaliação da umidade

presente no ar (SILVA, 2009). Abaixo, na Figura 2.3, está representado o esquema de um

psicrômetro.

18

Figura 2.3: Psicrômetro.

Fonte: ESPECTRO CIENTÍFICO, 2013.

2.3.1 - Carta Psicrométrica

Psicrometria é o estudo de misturas de ar e vapor de água. É importante entender este

tema e como as propriedades psicrométricas influenciam e afetam o ambiente que está sendo

controlado. Uma carta psicrométrica é uma representação gráfica de todas as condições

possíveis de misturas de ar e vapor de água. Limitações práticas resultam na criação de

gráficos únicos para o nível do mar e para diferentes altitudes, bem como gráficos retratando

intervalos de temperaturas baixas, normais e elevadas (PAOLI, 2012, tradução nossa).

A carta psicrométrica oferece informações sobre a umidade, sobre a saturação

relativa, sobre o volume úmido e sobre o calor úmido ou sobre a entalpia total, a partir de

grandezas que se podem medir com facilidade como as temperaturas e temperaturas de bulbo

úmido (FOUST et al., 1982). Uma carta vale para um certo componente não-condensável e

um certo componente condensável, numa pressão total fixa.

Existem várias formas de se expressar um diagrama psicrométrico, mas o mais

utilizado tem a umidade absoluta como ordenada e a temperatura de bulbo seco como

abscissa. A Figura 2.4 mostra a carta psicrométrica para o sistema ar-água sob pressão

atmosférica e a Figura 2.5 mostra os componentes de uma carta psicrométrica.

19

Figura 2.4: Carta psicrométrica do sistema ar-água, sob pressão atmosférica.

Fonte: UFPEL, 2013.

Figura 2.5: Componentes de uma carta psicrométrica.

Fonte: OLIVEIRA, 2009.

A linha de 100% de umidade relativa indica o ar saturado. Assim, qualquer ponto a

esquerda da mesma significa presença de água liquida (neblina), uma vez que não e possível

20

uma quantidade de vapor maior do que a quantidade das condições de saturação (OLIVEIRA,

2009).

2.3.2 - Determinação da Umidade Relativa do Ar

De posse das temperaturas de bulbo seco (TBS) e bulbo úmido (TBU), é possível

determinar facilmente a umidade relativa do ar com o auxílio de uma carta psicrométrica.

Abaixo, na Figura 2.6, está exemplificado o caso para TBS = 30 °C e TBU = 27 °C. A umidade

relativa, neste caso, está bem próxima de 80%.

Figura 2.6: Utilização da carta psicrométrica para determinação da umidade relativa do ar.

Para uma determinação mais precisa, é possível a utilização de softwares, como o

CYTSoft. A área de trabalho ampliada do CYTSoft está apresentada na Figura 2.7, onde DB

é a temperatura de bulbo seco, WB é a temperatura de bulbo úmido e RH a umidade relativa.

Para uma temperatura de bulbo seco igual à 30 °C e um temperatura de bulbo úmido igual à

27 °C, à pressão atmosférica, a umidade relativa do ar é 79,42%.

21

Figura 2.7: Utilização do programa computacional CYTSoft 2.2 para determinação da

umidade relativa do ar.

2.4 - Conforto Térmico

O calor produzido no corpo é determinado pelo nível de atividade da pessoa, sendo

também variável com a idade e o sexo. Este calor é trocado com o ambiente exterior por

condução, convecção, radiação e evaporação. A condução não assume geralmente grande

relevância. A convecção depende da temperatura e velocidade do ar exterior. A radiação

depende da temperatura média radiante e a evaporação depende da umidade do ar e da sua

velocidade (ÁGUAS, 2000).

Os parâmetros mais importantes do conforto térmico subdividem-se em duas classes

(ÁGUAS, 2000):

• Parâmetros individuais: atividade e vestuário;

• Parâmetros ambientais: temperatura do ar, umidade do ar, velocidade do ar e temperatura

média radiante.

Esses e outros paramêtros também podem ser observados na Figura 2.8, abaixo.

22

Figura 2.8: Fatores que afetam o conforto térmico.

Fonte: STOECKER; JONES, 1985.

O conforto térmico é um resultado de uma combinação e/ou adaptação dos parâmetros

tanto do ambiente quanto do próprio corpo humano. Nesse contexto, a ISO 7730 (1994) define

conforto térmico como o estado de espírito que exprime a satisfação com o ambiente térmico

e considera que a insatisfação pode ocorrer em razão do aquecimento ou resfriamento do

corpo como um todo ou de partes determinadas, o qual recebe a designação de desconforto

localizado. Esse desconforto localizado pode ser causado por altas velocidades do ar, por

grandes diferenças de temperatura nas alturas da cabeça e dos tornozelos, por grande

assimetria de temperatura radiante ou pelo contato com superfícies frias ou quentes. Logo, a

ISO 7730 (1994) recomenda limites para estes tipos de desconforto nas atividades leves

(PINTO, 2011).

2.4.1 - Trocas de Calor entre o Corpo Humano e o Ambiente

O corpo humano gera calor por executar atividades físicas e pelo metabolismo. Uma

parte do calor gerado é para manter constante a temperatura interna do organismo próxima a

37°C e o excesso é eliminado pelas trocas de calor entre o corpo e o ambiente através de

evaporação do suor, convecção, radiação e condução (PINTO, 2011).

23

O primeiro mecanismo termorregulador a ser disparado é a vasodilatação periférica,

que aumenta a temperatura da pele, incrementando perdas de calor por convecção e por

radiação. O segundo mecanismo disparado é também o mais importante para a sensação de

conforto térmico: o suor. Os poros sempre estão produzindo o suor, que vai sendo evaporado

no seu interior. Esta evaporação incrementa as perdas de calor do corpo. Quando a

temperatura da pele aumenta muito e quando o ar está muito úmido, o suor não pode

totalmente ser evaporado, ficando na superfície. Também pode haver a redução automática

do metabolismo a fim de diminuir a produção interna de calor no organismo (LAMBERTS;

DUTRA; PEREIRA, 1997)

As perdas de calor por evaporação de água estão relacionadas com o calor

transportado do interior do corpo para a pele e a evaporação do suor sobre a mesma. A

intensidade da perda de calor por evaporação da água depende da área de pele e da diferença

da pressão de vapor d’água sobre a pele e o restante do ar ambiente (PINTO, 2011).

A umidade do ar tem influência sobre a evaporação do suor na pele. Quanto mais seco

o ar maior a evaporação do suor e melhor é a sensação de frescor na pele, o que pode levar

um trabalhador a executar suas atividades com uma sensação térmica mais amena do que a

temperatura do ar indicada pelo termômetro. Em contrapartida, quanto mais próximo de

saturação estiver a umidade relativa do ar, menor a evaporação de suor e maior a

possibilidade da elevação da temperatura interna corporal. Isto poderá causar a sensação de

que o ambiente está muito mais quente do que a temperatura indicada pelo termômetro

(PINTO, 2011).

A ventilação é um aspecto importante do conforto térmico. Ela ajuda a remover, por

convecção, o calor gerado pelo corpo. Ao remover o ar saturado próximo da pele, o movimento

do ar facilita a evaporação do suor e o resfriamento do corpo (PINTO, 2011).

2.5 - Sistemas de Climatização

Sistemas de climatização, ou AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado),

asseguram pelo menos duas das funções seguintes: aquecimento, arrefecimento,

umidificação e desumidificação; tendo por principais objetivos (MARQUES, 2005):

- O controle da temperatura interior do ar ambiente, equilibrando as cargas internas sensíveis,

retirando ou introduzindo energia térmica ao local, por motivo de acumulação ou perdas de

calor;

- O controle da umidade do ar ambiente, equilibrando as cargas latentes, seja por umidificação

ou por desumidificação;

- Eliminar do ambiente a tratar as diversas impurezas, tais como odores, produtos nocivos,

etc.;

24

- Renovar o ar ambiente, introduzindo ar novo, por forma a limitar principalmente os níveis de

dióxido de carbono.

As instalações de AVAC integral mantêm as condições de temperatura e umidade

relativa do ar dentro de valores constantes, com mais ou menos precisão, consoante os

requisitos do ambiente e realizando as quatro funções termodinâmicas já referidas. Contudo,

existem instalações de climatização parcial, cujo objetivo é garantir apenas duas ou três das

quatro funções possíveis de tratamento do ar (MARQUES, 2005).

Os sistemas convencionais de climatização de ambientes funcionam através de ciclos

de refrigeração por compressão de vapor. O ciclo de refrigeração é um sistema fechado por

onde circula um refrigerante de modo a manter continuamente sua evaporação no local em

que se deseja o resfriamento do material e, em seguida, retomar às suas características

iniciais. O ciclo de refrigeração é composto basicamente de um compressor, um condensador,

uma válvula de expansão e um evaporador. Na Figura 2.9, vemos o diagrama de um ciclo de

refrigeração a compressão de vapor (FLORES, 2009).

Figura 2.9: Ciclo de refrigeração a compressão de vapor.

Fonte: FLORES, 2009.

Iniciando o ciclo de refrigeração pelo compressor, que succiona o gás refrigerante à

baixa pressão (pressão de sucção) e baixa temperatura e, o comprime, elevando sua pressão

e temperatura (pressão de descarga). O gás refrigerante muda de fase no condensador e

torna-se líquido à alta pressão e temperatura. Ao passar através da válvula de expansão, esse

líquido perde pressão e baixa sua temperatura, tornando-se líquido pulverizado à baixa

pressão e temperatura. Esse líquido à baixa pressão e temperatura passa através do

25

evaporador, muda de fase pela retirada de calor do ambiente que se deseja resfriar, e torna-

se vapor à baixa pressão e temperatura quando retorna à sucção do compressor, repetindo o

ciclo (FLORES, 2009).

Os sistemas convencionais de refrigeração do ar não são eficientes quanto ao

consumo de energia e apresentam alto custo, se comparado com sistemas passivos de

refrigeração de ambientes. Os sistemas passivos vem sendo estudados com frequência no

mundo todo. Os sistemas de refrigeração passiva mais comuns no país são: barreiras de

radiação solar, inércia térmica de refrigeração, ventilação seletiva e refrigeração evaporativa

(NASCIMENTO, 2005).

Os sistemas de refrigeração evaporativa apresentam a configuração apresentada na

Figura 2.10, abaixo.

Figura 2.10: Sistema de um climatizador evaporativo com painel de contato ar-água.

Fonte: ECOBRISA, 2013.

Neste sistema, o climatizador de ar possui um ventilador que força o ar externo através

de um painel evaporativo, sobre o qual a água circula continuamente pela ação de uma

bomba. Nesta passagem do ar pelo painel, há a troca de calor entre a água e o ar. A água

que evapora garante uma maior umidade do ar resfriado e é reposta por uma bóia que mantém

o nível do reservatório constante (LOPES; GABARRA; LIMA, 2006).

Porém, o aparelho possui algumas condições para um bom funcionamento. A troca

contínua do ar ambiente por ar resfriado é fundamental para manter as condições de conforto

térmico no ambiente. O recirculamento do ar já resfriado não é interessante em questões de

resfriamento já que com o aumento da umidade do ar a diminuição de temperatura será

26

menor. Esta característica faz com que o aparelho possa ser usado com portas abertas sem

prejudicar o conforto térmico assim como o funcionamento do aparelho (LOPES; GABARRA;

LIMA, 2006).

O resfriamento oferecido pelo climatizador por evaporação depende

fundamentalmente da umidade relativa do ar, tendo uma relação inversamente proporcional.

Isto é, quanto menor a umidade relativa do ar, maior é o resfriamento obtido pelo aparelho

(LOPES; GABARRA; LIMA, 2006).

3 - Metodologia Experimental

3.1 - Materiais

Montou-se um protótipo de um climatizador de baixo custo utilizando os seguintes

materiais:

- 1 caixa de isopor de 5,0 litros;

- 1 bomba de aquário com regulagem de vazão;

- 1 mangueira transparente com um metro de comprimento;

- 1 metro de tecido filó;

- 2 garrafas pet de 0,5 litros;

- 1 ventilador com três posições e 60 watts de potência.

3.2 - Montagem

Uma caixa de isopor foi utilizada para armazenar água, que foi resfriada por duas

garrafas pet contendo água congelada em seus interiores. Uma bomba de aquário foi utilizada

para bombear a água contida na caixa de isopor através de uma mangueira até o topo do

protótipo. A parte da mangueira que se encontrava no topo do protótipo foi perfurada para que

a água pudesse escoar como gotículas através do fluxo de ar gerado pelo ventilador. Um

tecido permeável (filó) foi utilizado para evitar e conter respingos na área exterior do protótipo

e aumentar a superfície de contato entre gotículas e o fluxo de ar. A montagem do protótipo

pode ser facilmente visualizada nas Figuras 3.1 e 3.2.

27

Figura 3.1: Montagem do protótipo (a) vista frontal e (b) vista do interior da caixa de isopor.

Figura 3.2: Montagem do protótipo (vista lateral).

3.3 - Ensaios Experimentais e o Funcionamento do Protótipo

Para avaliação experimental do protótipo foram medidas as variações de temperatura

e da umidade relativa do ar com e sem a presença de um sistema de climatização para uma

sala com volume igual a 72 m3. Foram utilizados dois termômetros, o primeiro mediu a

28

temperatura de bulbo seco e o segundo termômetro teve seu bulbo envolvido com algodão

embebido em água para a medição da temperatura de bulbo úmido. A partir das duas

temperaturas medidas foi possível, através da carta psicrométrica, determinar a umidade

relativa do ar nas proximidades do protótipo.

A bomba de aquário foi ligada, mantendo a água circulando no sistema e sendo

resfriada pelas duas garrafas pet. Assim que a temperatura da água estabilizou foi ligado o

ventilador na posição máxima de vazão de ar e, dessa forma, a água que escoava na forma

de gotículas no topo do protótipo recebia o fluxo de ar e evaporava, ao mesmo tempo que

umidificava o ambiente. Foram medidas as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido na

saída de ar do protótipo e com isso pode ser determinada a umidade relativa do ar mediante

a leitura na carta psicrométrica.

Os ensaios foram conduzidos em dois dias com diferentes condições de temperatura

ambiente e umidade relativa do ar. Com isso obteve-se resultados para os ensaios realizados.

4 - Resultados e Discussão

Os resultados dos ensaios experimentais preliminares estão descritos nas Tabelas 1

e 2, sendo que, na Tabela 2 o tempo das medições foi ampliado.

Tabela 1: Resultados dos ensaios experimentais realizados no dia 29/01/2013 (dia chuvoso).

Propriedades do ar

Tempo inicial Tempo final

(0 minutos) (30 minutos)

Temperatura de bulbo seco - TBS (°C) 25 °C 24 °C

Temperatura de bulbo úmido - TBU (°C) 23 °C 22 °C

Umidade relativa - UR (%) 84,9 °C 88,5 °C

Temperatura da água na caixa de isopor = 11°C

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Tabela 2: Resultados dos ensaios experimentais realizados no dia 12/03/2013 (dia

ensolarado).

Propriedades do ar t = 0 t = 15 min t = 30 min t = 1h t = 2h

TBS (°C) 29,5 30 30 29 27

TBU (°C) 25 27 27 26 26

UR (%) 68,9 79,4 79,4 79,4 91,3

Na Figura 4.1 tem-se uma visualização esquemática do resultado obtido pelo protótipo

em funcionamento.

Figura 4.1: Visualização esquemática dos resultados.

Através dos resultados obtidos pode-se observar que não houve uma queda

significativa de temperatura ambiente e que houve um aumento significativo da umidade

relativa. Logo o protótipo desenvolvido está funcionando apenas como um umidificador.

Possivelmente se o tamanho do protótipo fosse ampliado para o mesmo volume de ar da sala,

teria-se uma melhor resposta em termos de temperatura.

30

5 - Conclusão

No presente trabalho de conclusão de curso apresentou-se uma breve revisão

bibliográfica sobre transferência de calor, massa e climatização. Foi realizada a montagem do

protótipo a baixo custo e alguns ensaios preliminares. Observou-se que não houve uma queda

significativa de temperatura ambiente e que houve aumento significativo da umidade relativa

do ar após a utilização do protótipo. Logo, conclui-se que o protótipo desenvolvido está

funcionando apenas como um umidificador. Possivelmente se o tamanho do protótipo fosse

ampliado teria-se uma melhor resposta em termos de temperatura.

Para trabalhos futuros sugere-se a realização de um maior número de ensaios

experimentais e a modelagem matemática do sistema com o confronto dos dados

experimentais com o modelo matemático obtido.

31

6 - Referências Bibliográficas

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