Processos de ar condicionado
Contenido
En instalaciones completas de climatización, el acondicionamiento del aire se hace mediante Unidades de Tratamiento de Aire (UTA), que son aparatos modulares en los que en cada módulo se realiza un tratamiento y se agrupan en función de las condiciones finales de aire requeridas. El tratamiento de aire más completo, es la climatización, en la que se necesitan la mayor parte de los módulos existentes, para garantizar las condiciones del bienestar térmico") de las personas. Probablemente por esta razón, las UTAs se conocen normalmente como climatizadores. Los módulos de calor y frío, funcionan con baterías de agua caliente y fría respectivamente, que obtienen de generadores independientes; la producción de agua caliente suele confiarse a calderas "Caldera (calefacción)") y la de agua fría a máquinas frigoríficas llamadas enfriadoras.
Módulo de ventilação
O módulo localizado na cabeceira de qualquer UTA é sempre um ventilador que movimenta um fluxo mássico de ar retirado do ambiente a ser tratado, passa-o por todos os módulos instalados em sua sucção e o impulsiona, uma vez tratado, de volta ao ambiente.
Nas instalações em que existe uma grande rede de retorno ou naquelas em que existe freecooling (free-cooling) do ar, são instalados dois ventiladores; um na entrega e outro no retorno, que normalmente têm a mesma vazão e com pressão disponível correspondente à perda de pressão da parte da rede de distribuição que abastecem.
Filtrado
A função de filtragem é cumprida no módulo de filtragem e nos estágios de filtragem instalados em pontos-chave da distribuição. Consiste em tratar o ar com filtros apropriados para remover poeira, impurezas e partículas em suspensão. O grau de filtragem necessário dependerá do tipo de instalação de condicionamento a realizar.
Para limpar o ar são utilizados filtros normalmente do tipo mecânico, compostos por substâncias porosas pelas quais o ar é forçado a passar e nos quais deixa em suspensão as partículas que carrega.
Nas instalações comuns de conforto são utilizados filtros de poliuretano, lã de vidro, microfibras de fios sintéticos ou metálicos tecidas com diferentes malhas de aço ou alumínio embebidas em óleo.
O filtro é o primeiro elemento, e muito comumente, também o último a ser instalado na circulação de ar, pois protege não só os ambientes condicionados, mas também o próprio equipamento de condicionamento.
Aquecimento sensível
No aquecimento sensível, o ar passa pelo módulo de aquecimento, que consiste em uma serpentina por onde geralmente circula a água proveniente de uma caldeira “Caldeira (máquina)”). Durante a passagem, o ar aumenta sua temperatura de para e sua entalpia sem modificar a umidade específica, de forma que na entrada:
E na saída:
Subtraindo membro de membro:.
é a energia térmica recebida por cada kg de ar, para ir de até . A umidade máxima correspondente terá aumentado, portanto sua umidade relativa terá diminuído.
A potência da bateria térmica será o produto da energia recebida por kg, multiplicada pela vazão de massa.
Nos sistemas com expansão direta, a serpentina de água quente é substituída pelo condensador de uma máquina de refrigeração ou bomba de calor, de forma que é a condensação do refrigerante que fornece o calor necessário, por troca direta com o ar.
Mistura
No aquecimento sensível, a diminuição da umidade relativa aliada à recirculação contínua de um fluxo, sem qualquer tipo de renovação, faz com que após um curto período de tempo o ar se deteriore, e principalmente no condicionamento de conforto (ar condicionado), o usuário sente a secura e a rarefação do ar.
Por isso, as instalações apenas de aquecimento não são as mais aconselháveis. Uma melhoria no sistema é incorporar ventilação, ou seja, uma entrada de uma quantidade de ar externo que dilui a concentração[3] de contaminantes no ar.
Se for adicionada uma quantidade de ar exterior, em algum momento ocorre uma mistura de dois fluxos de ar com condições diferentes. O ar novo do edifício ou ar de ventilação entra através de uma grelha de entrada de ar, localizada no exterior, numa área denominada módulo de mistura, onde o ar novo é misturado com o ar de retorno das instalações, regulando os respetivos fluxos através de persianas de acionamento manual ou automático.
Realizando um equilíbrio de matéria e energia obtemos:
Por conservação de massa:.
Pela conservação da quantidade de vapor ou balanço hídrico:.
Onde é a razão de umidade (kg vapor d’água/kg) das correntes.
Para conservação de energia:.
Onde está a entalpia em (J/kg) das correntes.
Destas três equações obtemos:
Também é usado com uma boa aproximação:
Resfriamento sensível
No resfriamento sensível, o ar passa pelo módulo de refrigeração, que consiste em uma serpentina por onde circula a água de um chiller. Na passagem, o ar diminui sua temperatura de para e sua entalpia diminui sem modificar a umidade específica"). Para que o processo ocorra desta forma, é necessário que a temperatura da bateria, ou da água que circula por ela, esteja acima da temperatura de orvalho correspondente ao estado 1. Caso contrário, haverá condensação "Condensação (mudança de estado)") e portanto diminuição da umidade específica").
Caso contrário, tudo é o oposto do aquecimento sensível. A capacidade de absorção de umidade diminui e, portanto, a umidade relativa aumenta.
será negativo, pois . O sinal não tem mais significado do que indicar a direção do fluxo da energia térmica, que neste caso é extraída em vez de contribuída.
Umidificação sem mudança de temperatura seca
É a transformação na qual o teor de vapor do ar úmido aumenta sem modificar sua temperatura seca. Este processo é conseguido adicionando uma pequena quantidade de vapor de água ao ar. A quantidade de vapor adicionada por kg de ar seco será:.
e geralmente é feito por um gerador de vapor.
Quando o vapor é adicionado a uma temperatura igual ou superior a 100 °C, o processo resultante determina umidificação e leve aquecimento do ar. De qualquer forma, a variação da temperatura seca é muito pequena, por isso na prática é considerado um processo isotérmico.
Neste processo há uma mistura de duas massas, ar e vapor d'água, então a soma delas será:
Fazendo um balanço da quantidade de água que você precisa:.
Substituindo:.
Portanto:.
De forma menos precisa pode ser calculado com vazões volumétricas, ou seja:.
Desumidificação sem alteração da temperatura seca
É a transformação inversa da anterior e pode ser realizada com algum tipo de produto dessecante ou absorvente que elimine a umidade do ar sem alterar sua temperatura, como a sílica gel.
Resfriamento e desumidificação
Quando uma corrente de ar úmido passa sobre uma superfície fria mantida a uma temperatura abaixo do seu ponto de orvalho, ela condensará parte da água que contém e, portanto, sua umidade diminuirá. Idealmente, o ar sairia do sistema com temperatura seca igual à temperatura da bateria e com umidade relativa de 100%.
A temperatura de orvalho da bateria, , é a temperatura do ar tratado na sua saída e coincide muito aproximadamente com a temperatura do fluido frio que circula no interior dos tubos, devido à pequena resistência térmica da sua parede.
Da entalpia perdida pelo ar, parte será calor sensível (diminuição da temperatura seca) e outra parte será calor latente (diminuição do vapor d'água).
O calor total retirado da bateria é aquele extraído do ar, mais o calor transportado pela água condensada. Este segundo termo é negligenciado porque geralmente é muito pequeno:
Resfriamento e umidificação adiabática
Um processo é adiabático quando é realizado sem troca de calor com o ambiente externo. Ocorre quando um fluxo de ar passa por uma cortina de água. A água, acionada por uma bomba, é pulverizada no ar e vaporiza parte dele, aumentando a umidade específica do ar. Se a câmara fosse suficientemente longa, o ar sairia saturado. A temperatura da água deve ser igual à temperatura úmida do ar.
O ar evolui, mantendo constante a temperatura úmida. Isto implica que o ar sai praticamente com a mesma entalpia que entrou, embora com um teor de humidade específica superior. O ar esfria porque cede o calor necessário para a vaporização da água, que é incorporada ao ar como calor latente.
Na prática, as câmaras nunca são tão longas que o ar saia completamente saturado, portanto a umidificação terminará em algum momento antes de atingir a saturação. Considerando que o ar entra na câmara na condição 1 e sai na condição 2, a eficiência de umidificação será:.
com a temperatura do ar úmido e igual à temperatura da água e y , as condições de saturação.
Esta equação fornece as condições de saída do ar ao passar por uma cortina de água que está a uma temperatura e tem eficiência.
A umidificação de uma corrente de ar usando água líquida pulverizada é obtida com módulos chamados depuradores. Também se consegue, embora com menor eficiência, através de um módulo com painel adiabático.