TRANSFERÊNCIA DE MASSA NO SISTEMA AR-ÁGUA

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TRANSFERÊNCIA DE MASSA TRANSFERÊNCIA DE MASSA

NO SISTEMA AR

NO SISTEMA AR - - Á Á GUA GUA

André Gonçalves

CEEQ

Centro de Estudos de Engenharia Química

Vera Korchevnyuk

Cecílio Vieira

ORIENTAÇÃO:

Prof. Jaime Puna

Julho 2011

Lab. Tecnologia Química do ISEL

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OBJECTIVOS:

1º) - Observar os fenómenos de transferência de massa e de calor no sistema ar-água que ocorrem numa coluna de paredes molhadas e, interpretar a leitura de um diagrama psicrométrico.

2º) – Determinar parâmetros termodinâmicos associados ao sistema ar - vapor de água, nomeadamente, humidade, calor húmido, volume húmido e entalpia.

Figura 2: Coluna de Paredes Molhadas

Figura 1: Pormenor da base da coluna de paredes molhadas, com a saída da água

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INTRODU

INTRODUÇÇÃO TEÃO TEÓÓRICA: RICA:

A coluna de paredes molhadas, em vidro, existente no Lab. de Tecnologia Química, opera em modo de contra-corrente, onde, a água entra pelo topo desta, sendo conduzida junto às paredes da referida coluna, saindo a uma temperatura inferior.

Por outro lado, na base da coluna, circula em sentido ascendente, ar comprimido, praticamente seco, saindo do topo da coluna, com maior temperatura e, significativamente, com bastante mais humidade.

A altura e o diâmetro da coluna foram construídos com o intuito de maximizar o tempo de contacto entre a água e o ar, de modo a tornar mais significativa, a transferência de massa da água que se evapora, para a atmosfera.

A determinação dos restantes parâmetros de caracterização do ar (humidade absoluta (W), humidade de saturação (Ws), temperatura do termómetro húmido (Tw), ponto de orvalho (To), pressão de vapor da água (Pv H₂O), calor específico (Cs), volume específico do ar seco (Vs), saturado (Vas) e húmido (Vh)), são obtidos, com recurso a um diagrama psicrométrico, com base na leitura da temperatura do termómetro seco (Ts) e da humidade relativa (Wr). A percentagem de humidade (Wp) é calculada através de W/Ws x 100, tal como a entalpia do ar, em função de Ts e de W.

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PARTE EXPERIMENTAL:

Realizaram-se diversos ensaios para determinação dos parâmetros anteriormente referidos, em função da temperatura da água que circula na coluna e, para cada valor desta grandeza, variou-se o caudal volumétrico de ar. As condições operatórias da coluna de paredes molhadas foram as seguintes:

Figura 5: Figura 6: Figura 7:

Qv ar

(dm³.min.^-1) T H2O (ºC) = 30ºC T H2O (ºC) = 40ºC T H2O (ºC) = 50ºC

15

30

50

80

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Figura 3: Tubagens para transporte de ar na instalação

pneumática.

Figuras 3, 4 e 5 (da esq. para a dir.):

Pormenor da coluna de paredes molhadas (ao centro e no topo, com a saída do ar) e, imagem do compressor.

Figura 6: Banho termostatizado, com

controlador de temperatura e recirculação de água, na coluna.

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DIAGRAMA PSICROMÉTRICO (Carta de Humidades)

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RESULTADOS EXPERIMENTAIS:

Humidificação do ar numa Coluna de Paredes Molhadas

Na base da coluna:

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No topo da coluna:

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Nomenclatura:

Q_ar – caudal volumétrico de ar (dm³.min.^-1) T(_H2O) – temperatura da água (ºC)

Ts – Temperatura do termómetro seco do ar (ºC) Tw – temperatura do termómetro húmido do ar (ºC) W – humidade absoluta do ar (kg _{vap. H2O}/kg _{ar seco}) Wr - % de humidade relativa do ar

Ws – humidade de saturação do ar (com Wr = 100%) Wp – % de humidade do ar = W/Ws x 100

Pv(_H2O) – pressão de vapor de água existente no ar

To – temperatura de orvalho do ar (condensação do vapor de água existente no ar) Cs – calor húmido do ar (kcal.kg^-1.ºC^-1)

Vs – volume específico de ar seco (m³.kg^-1)

Vas – volume específico de ar saturado (m3.kg-1) Vh – volume húmido (m3.kg-1)

H – entalpia específica do ar húmido (kcal.kg^-1)

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Variação térmica do ar

26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

P1 P2

T (ºC)

T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min.

TRATAMENTO DE RESULTADOS:

Variação térmica da água

29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

P1 P2

T (ºC)

T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 50 L/min.

T(H₂0) = 50ºC

T(H₂0) = 40ºC

T(H₂0) = 30ºC

T(H₂0) = 50ºC

T(H₂0) = 40ºC

T(H₂0) = 30ºC

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Variação da entalpia do ar

0 10 20 30 40 50 60

P1 P2

H (kcal/kg ar seco)

Variação da humidade absoluta do ar

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

P1 P2

W (kg vap./kg ar seco)

TRATAMENTO DE RESULTADOS:

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Conclusões: Analisando os resultados experimentais obtidos e o correspondente tratamento de resultados, é possível de constatar que, por um lado, em todas as experiências efectuadas, o balanço entálpico, resultante da transf. calor entre a água (que arrefece) e o ar (que aquece ligeiramente), resulta precisamente nesse sentido, agudizando-se mais com o aumento da temperatura de entrada da água e, pouco com o aumento do caudal de ar. O mesmo acontece na transf. massa, através da quantidade de água evaporada, a qual se manifesta no aumento considerável de humidade absoluta do ar, desde a entrada até à saída da coluna. Da mesma forma se pode concluir quanto ao aumento considerável da entalpia do ar desde a entrada na coluna até à saída da mesma, agudizando-se este aumento com a subida da temperatura da água e, com pouca influência resultante do aumento do caudal de ar. Todos os restantes parâmetros resultantes da leitura da carta de humidades, estão de acordo com o esperado.

Refªs Bibliográficas:

-Frank White; “Fluid Mechanics”, McGraw Hill, 1994

- Coulson, J. M., Richardson, J. F., “Tecnologia Química”, Volume I, 3ª Edição, Fundação Calouste Gulbenkian, 1977

Agradecimentos: Ciência Viva; ISEL – Centro Estudos Eng. Química; Prof. Jaime Puna e Prof.ª. Celeste Serra.