Aquecimento do ar por resistencia eletrica

lniciou-se pelo aquecimento do ar atraves da ligal(iio de conjuntos distintos de resistencias eletricas (616, 1518 e 1672 W). Neste procedimento monitorou-se as temperaturas de bulbo seco e bulbo umido do ar extemo, do ar ap6s o sistema de ventilal(iio e do ar ap6s as camaras de produtos deterioraveis, temperatura de bulbo seco do ar na entrada das camaras de produtos deterioraveis (1, 2 e 3), temperaturas de contato em cada um dos conjuntos de resistencias eletricas, temperatura de bulbo seco do ar na camara de aquecimento, temperatura de contato da superficie extema da camara de aquecimento, velocidade do ar e potencias eletricas requeridas pelo sistema de ventila~tao e atraves de cada conjunto de resistencias eletricas em funcionamento.

Avaliac;B.o energetica e exergetica ... 75

Neste experimento variou-se a velocidade do ar de suC98o nos seguintes patamares: 0,1; 0,25; 0,35; 0,50; 0,75; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00 e 3,50 m/s, sendo que oar extemo era succionado atraves da camara de resfriamento de produtos perecfveis, circulado pelo sistema de dutos posteriores, passava pelo conjunto de resistencias eletricas, percorria o duto inferior das camaras de produtos deterioraveis e, safa,para o ambiente extemo, pela parte superior da ultima camara de produtos deterioraveis.

Com as velocidades de 0,1 a 1,5 m/s operou-se, somente, com o primeiro conjunto de resistencias ( 616 W ); de 2,0 a 3,0 m/s acionou-se o segundo conjunto de resistencias ( 1672 W ) e, finalmente, com a velocidade de 3,5 m/s utilizaram-se todos os conjuntos de resistencias eletricas.

As medidas de todas as temperaturas foram monitoradas e armazenadas em intervalos de 1 0 segundos, enquanto que os outros parametres, acima citados, eram registrados a cada mudanya de velocidade do ar, o que ocorria em intervalos de 15 minutes, aproximadamente.

Os valores lidos, a cada segundo, atraves do sistema de aquisiyao de dados, eram analisados e, somente os valores medics de 1 0 em 1 0 segundos foram armazenados, a fim de evitar valores extremes indesejaveis.

De posse dos dados efetuou-se a analise energetica e exergetica do equipamento e respective processo psicrometrico, atraves do seguinte procedimento.

m.

• PATML

TBSC, TBUC₁

m.

PATML+t.P

TBSC₂ TBUC₂

Figura 4.2.2.1. Esquema simplificado do processo de aquecimento do ar por resistencia eletrica e esbo<;:o do diagrama psicrometrico entre o estado inicial e final.

0 balance de energia do processo de aquecimento do ar, por resistencias eletricas, pode ser representado pela seguinte equayao:

161 onde,

ma = fluxo massico de ar seco de entrada e safda, kga/s

76 Paulo Martins Leal

hal =

entalpia do ar seco no ponto 1 , kJ/kga

wl ⁼

umidade absoluta do ar no ponto 1 ' kgvlkga

h,

₁

=

ental pia do vapor de agua, contido no ar, no ponto 1, kJ/kgv

q =

energia calorffica fomecido ao ar pelas resistencias eletricas, kJ/s

12

haz =

entalpia do ar seco no ponto 2, kJ/kga

W

₂

=

umidade absoluta do ar no ponto 2, kgv/kga

h,

₂

=

entalpia do vapor de agua, contido no ar, no ponto 2, kJ/kgv

Como e urn processo que, teoricamente, ocorre sem a variayao da umidade absoluta, o balanyo de massa pode ser definido pela seguinte formulayao:

162

entao,

ma1

=

^ma2

=

^ma 163

A eficiencia energetica (E), adimensional, pode ser descrita da seguinte forma:

£= ma[(ha2 ⁺ w

²

^{hv2)- (ha1 + w1 hv1)]}

P.ERAR

¹⁶⁴

ou

165

on de

P.E.RAR = ptotencia eletrica requerida pelas resistencias do ar, W.

Na analise exergetica, o balan~o de exergia, no processo de aquecimento do ar por resistencia eletrica, pode ser representado pela seguinte equa~ao:

. . . .

Ex

₂

= ^Ex

1

+ExQ -1

₁₆₆

on de:

~ = fluxo exergetico do ar no ponto 2, kJ/s

fSG

⁼ fluxo exergetico do ar no ponto 1, kJ/s

AvalialfAo energStica e exergStica ... 77

FxQ

= fluxo exergetico fornecido pela fonte de calor, kJ/s

I

= irreversibilidades ocorridas durante o processo devido a perdas por transferencia de calor e por fluxo com atrito, kJ/s.

Uma questao fundamental, com respeito ao balanc;:o exergetico do sistema e das variaveis associadas ao referido processo que nele se desenvolve (trabalho, calor, entropia gerada, exergia destrufda, etc.), e a definic;:ao dos limites do volume de controle, que representa o sistema na analise termodinamica a ser realizada. lsto e importante, porque todas as variaveis mencionadas, anteriormente, podem modificar seus valores ao se mudar os limites do volume de controle. Em particular, a entropia e a exergia destrufda reconhecem, exclusivamente, os efeitos daqueles processes irreversfveis que ocorrem no interior do volume de controle selecionado.

Pode-se definir a irreversibilidade total como sendo a soma das irreversibilidades internas (exergia destrufda) e externas (exergia perdida).

A exergia destrufda (El<d) e calculada atraves da lei de Gouy-Stodola, como sendo:

167

on de:

Ex,

= exergia destrufda, causa das irreversibilidades internas do processo, desenvolvido no volume de controle definido.

A exergia perdida, que esta associada as irreversibilidades externas do processo, sendo parte do processo global analisado, se desenvolve fora do volume de controle selecionado para a analise termodinamica. Por outro lado, nota-se que as perdas de exergia se devem ao fato de existirem fluxes que, contendo exergia, nao teem ou nao lhes dao uma utilidade posterior, para que esta mesma exergia seja aproveitada.

De acordo com a revisao bibliogratica viu-se que para que urn sistema tenha exergia e porque deve estar em desequilfbrio com o ambiente que o rodeia. Portanto, o vapor, o ar quente ou frio, o gelo e o ar comprimido estao em desequilfbrio com o meio circunvizinho. Viu-se, tambem, que quanto mais controlado esta urn determinado processo, menos irreversfvel ele e e, por conseguinte, menos exergia pode ser destrufda.

Todavia, para que urn sistema se encontre em estado de equilfbrio sao necessarias tres condic;:oes: equilfbrio mecanico, equilfbrio termico e equilfbrio qufmico. Estas tres condic;:oes impoem tres tipos de processes irreversfveis, a saber:

lrreversibilidade mecanica, que e devido ao desequilfbrio da variavel mecanica do sistema: sua pressao; tal desequilfbrio mecanico aparece quando se tern processes com fluxes sofrendo fricc;:ao e atrito.

lrreversibilidade termica, que e devido a uma diferenc;:a finita de temperatura.

Pois o calor e transferido, expontaneamente, dos corpos de temperatura mais alta para os corpos de temperatura mais baixa, perdendo parte da exergia contida. Obviamente que, quanto maior e esta diferenc;:a finita de temperatura maior sera a entropia gerada e, portanto, mais exergia sera destrufda.

lrreversibilidade qufmica, que e devido a urn desequilfbrio qufmico, tais como os processes de mistura, separac;:ao e reac;:oes qufmicas.

78 Paulo Martins Lea!

Para se determinar a exergia total do ar (Ex1 e Ex2) da equa9ao 166 e necessaria aplicar a equa9ao abaixo. Tal formula foi tratada por SZARGUT et al. (1969) e WEPFER et al. (1979), sendo sumarizada por MORAN (1982), desprezando-se os efeitos da energia cinetica e potencial.

fluxo exergetico total, por kilograma de ar seco no ponto 2, kJ/s.kg calor especffico do ar seco no ponto 2, kJ/kga.K

calor especffico do vapor de agua, contido no ar, no ponto 2, kJ/kgv.K temperatura absoluta do ar no estado iniciai,K

temperatura absoluta do ar no estado finai,K logarftmo na base neperiana,

168

umidade absoluta do ar no ponto 2, em moles de vapor de agua /1 mol de ar seco,

constante do ar seco, kJ/kga.K

pressao atmosferica local, na entrada do volume de controle, kPa pressao na sa fda do volume de controle, kPa.

Avaliayiio energetica e exergetica ... 79

169

onde:

Ex"' = fluxo exergetico total de um ar seco, kJ/kg •.

Ja o fluxo exergetico do ar no estado inicial (1),

Ex,,

e igual a zero, pois o estado inicial (1) coincide com o estado de referenda (0), portanto,

Ex

_I

=0

170

0 fluxo exergetico devido a potencia calorifica pode ser equacionada como sendo:

. ( T J.

Ex = 1 - -

¹

Q

Q

T

^RAR

RAR

171

onde:

T RAR =temperatura absoluta das resistencias eletricas, K

QRAR = fluxo calorifico fornecido pelas resistencias , na temperatura T RAR. kJ/s

Segundo VALERO & LOZANO (1994), em processes psicrometricos, principalmente, de secagem e condicionamento de ar e conveniente trabalhar com um ambiente de referencia especifico para cada situa~tao e, supondo, agora, que se conhe9a a pressao, temperatura e composi~tao (p, t, w) de um fluxo de ar umido, a entalpia e exergia podem ser calculadas, em kJ/kg. de ar seco, empregando as seguintes express6es aproximadas:

hau =

^{CPa (}

1 + 1,805w)( T- 273,15) + 2500w z

^{CPa (}

1 + 1,805w)t + 2500w

¹⁷²

e

(T TJ ^P

Exau

^=CPa

7;;(1 + 1,805w) - -1-ln- +0,287(1 + 1,608w)ln- +

:z;; :z;; Po

( )

(1+1,608w)( Jl,608w]

+0, 287 1 + 1,608w

0

~

1 + 1,608w ^w

₀

173

80 Paulo Martins Leal

As irreversibilidades I, geradas pelo equipamento, neste processo podem ser definidas aqui, utilizando-se do desenvolvimento realizado por BEJAN (1979, 1980 e 1982) e apresentado de maneira sucinta no capitulo anterior, como sendo a exergia destrufda ( irreversibilidades internas ).

Neste trabalho, a lrreversibilidade (I) foi deterrninada como sendo a incognita das equagoes dos balangos exergeticos. Portanto, para este processo, a irreversibilidade I foi calculada atraves da equagao 166, isto e;

. . . .

l=(Ex, +ExQ)-Ex

_{2 174}

Conforme rnencionado anteriormente, a eficiencia exergetica (TJ) nao tern uma unica forma de ser expressa e, portanto, neste trabalho foi analisado duas formas, a saber, a tradicional (TJT) e a eficiencia racional de Kotas (TJK), que estao definidas conforme descrito abaixo:

No documento UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA AGRICOLA. .fau();\j. ORIENTADOR: Prof. Dr. JOSE TADEU JORGE MARQO DE 1997 CAMPINAS, SP (páginas 111-117)