CEEQ
Centro de Estudos de Engenharia Química
TRANSFERÊNCIA DE MASSA
NO SISTEMA AR-ÁGUA
Vera Korchevnyuk
Cecílio
Vieira
ORIENTAÇÃO:
Prof. Jaime Puna
André
Gonçalves
Julho 2011
Lab. Tecnologia Química do ISEL
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 1: Pormenor da base da coluna de
paredes molhadas, com a saída da água
Figura 2: Coluna de Paredes
Molhadas
INTRODUÇÃO TEÓRICA:
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.
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:
Qv ar
T H2O (ºC) = 30ºC
(dm3.min.-1)
T H2O (ºC) = 40ºC
T H2O (ºC) = 50ºC
15
30
50
Figura 5:
80
Figura 6:
Figura 7:
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 3: Tubagens para
transporte de ar na instalação
pneumática.
Figura 6: Banho termostatizado, com
controlador de temperatura e recirculação
de água, na coluna.
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
(Carta de Humidades)
RESULTADOS EXPERIMENTAIS:
Humidificação do ar numa Coluna de Paredes
Molhadas
Na base da coluna:
RESULTADOS EXPERIMENTAIS:
Humidificação do ar numa Coluna de Paredes
Molhadas
No topo da coluna:
RESULTADOS EXPERIMENTAIS:
Nomenclatura:
Qar – 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)
TRATAMENTO DE RESULTADOS:
Humidificação do ar numa Coluna de Paredes Molhadas
Variação térmica da água
Variação térmica do ar
T(H20) = 50ºC
49
47
45
43
T(H20) = 40ºC
T (º C )
41
39
37
35
33
T(H20) = 30ºC
31
29
P1
P2
T(H20) = 50ºC
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
T(H20) = 40ºC
T (ºC )
51
T(H20) = 30ºC
P1
P2
T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 80 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 80 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 80 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 80 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 80 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 80 L/min.
TRATAMENTO DE RESULTADOS:
Humidificação do ar numa Coluna de Paredes Molhadas
Variação da humidade absoluta do ar
Variação da entalpia do ar
60
50
H ( k c a l/k g a r s e c o )
P2
40
30
20
P1
10
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
W (kg vap./kg ar seco)
T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 80 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 50 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 80 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 30 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 50 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 80 L/min.
0
P1
P2
T(H20) = 30ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 30 L/min. T(H20) = 30ºC; Qar = 50 L/min.
T(H20) = 30ºC; Qar = 80 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 15 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 30 L/min.
T(H20) = 40ºC; Qar = 50 L/min. T(H20) = 40ºC; Qar = 80 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 15 L/min.
T(H20) = 50ºC; Qar = 30 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 50 L/min. T(H20) = 50ºC; Qar = 80 L/min.
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.