Tcc dagora[1]

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
𝑞 𝑥
"
= −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
𝑞 𝑥
"
= −𝑘
𝜕𝑇
𝜕𝑥
𝑞 𝑦
"
= −𝑘
𝜕𝑇
𝜕𝑦
𝑞 𝑧
"
= −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
𝐸 𝑛 = 𝜎𝑇𝑠
4
(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 = 𝜀𝜎𝑇𝑠
4
(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
𝑞 𝑟𝑎𝑑 = ℎ 𝑟 𝐴(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
𝒋 𝐴 = −𝜌𝐷𝐴𝐵∇𝑤 𝐴 (2.11)
Ou
𝑱 𝐴
∗
= −𝑐𝐷𝐴𝐵∇𝑥 𝐴 (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
𝑤 𝐴(𝒏 𝐴 + 𝒏 𝐵) = 𝜌 𝐴 𝒗 (2.13)
Onde nA e nB são os fluxos mássicos das espécies A e B, respectivamente, e são expressos
por
𝒏 𝐴 = 𝜌 𝐴 𝒗 𝐴 𝒏 𝐵 = 𝜌 𝐵 𝒗 𝐵 (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
𝒏 𝐴 = −𝐷𝐴𝐵∇𝜌 𝐴 + 𝜔 𝐴(𝒏 𝐴 + 𝒏 𝐵) (2.16)
Sendo que −𝐷𝐴𝐵∇𝜌 𝐴 representa a contribuição difusiva e 𝜔 𝐴(𝒏 𝐴 + 𝒏 𝐵) 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 =
𝑀 𝐴 𝑝 𝐴
𝑀 𝐵(𝑃−𝑝 𝐴)
(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 𝑀 𝐴⁄
1 𝑀 𝐵⁄ +𝑈 𝑀 𝐴⁄
(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 =
𝑀 𝐴 𝑃 𝐴
′
𝑀 𝐵(𝑃−𝑃 𝐴
′ )
(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(%) = 100
𝑝 𝐴
𝑃 𝐴
′ (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

29
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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