O ar externo é misturado com ar de retorno para reduzir a carga de refrigeração de um serpentina de resfriamento. (a) Para um espaço mantido a 25 C (TBS) e 20 C (TBU), descreva as máximas temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco que reduzirão a carga térmica da serpentina. (b) Suponha que um sistema é projetado para fornecer 5 m^3 / s a 18 C (TBS) e 17 C (TBU) para um espaço a ser mantido na condição do item (a). Qual a quantidade de ar externo a 20 C (TBS) e 90 % de umidade relativa pode ser misturado com o ar de retorno se o SHF da serpentina é 0.6 ? © Qual é o ponto de orvalho na parte (b) acima ? (d) compare a carga de refrigeração da serpentina na parte (b) acima com o ar externo e sem o ar externo. Admita a pressão no nível do mar.

Passo 1

O exercício é de psicrometria aplicada a sistemas de ar-condicionado. A ideia é misturar ar externo com o de retorno pra reduzir a carga de refrigeração na serpentina.
Conteúdo pedido:
  • (a) identificar até que temperaturas de bulbo seco (DBT) e bulbo úmido (WBT) o ar externo ainda reduz carga;
  • (b) calcular a fração máx. de ar externo que posso misturar sabendo SHF = 0,6 e dados de estado do ar;
  • © achar o ponto de orvalho desse ar misturado;
  • (d) comparar cargas com e sem ar externo.
    O que vamos precisar:
  1. Fórmulas de razão de umidade e entalpia do ar úmido:$$w=\frac{0.622,p_v}{P-p_v},\qquadh=1.006,T + w,(2501+1.86,T)\quad[kJ/kg_da]. w=0.622,pvP-pv, h=1.006,T + w,(2501+1.86,T)[kJ/kgda]ççãçãí\mathrm{SHF}=\frac{Q_{\rm sensível}}{Q_{\rm total}} = \frac{c_{pa},(T_{\rm mix}-T_{sup})}{h_{\rm mix}-h_{sup}},. $$
A partir do próximo passo, vamos aplicar tudo isso em cada item.

Passo 2

Para o ar externo reduzir a carga na serpentina, ele tem que chegar “mais fresco” ou “menos úmido” que o ar de retorno.
Como o espaço está a 25 °C DBT e 20 °C WBT, o ar de retorno terá essas mesmas condições.
Logo, o ar externo só traz benefício se for:
  1. DBT_externo ≤ 25 °C
  2. WBT_externo ≤ 20 °C
    Se passar desses valores, o “mix” vai ficar mais quente ou mais úmido que o retorno puro, e não haveria redução de carga.

Passo 3

Queremos misturar fração wret=0.622cdot2.338101.325-2.338approx0.0147;kg/kgda, de ar externo (OE) com fração hret=1.006cdot25 + 0.0147,(2501+1.86cdot25)approx62.6;kJ/kgda de ar de retorno (RE) para dar 5 m³/s de suprimento a 18 °C DBT e 17 °C WBT, mantendo SHF=0,6.
  1. Calcular propriedades dos três estados (usar pressão ao nível do mar wext=0.622cdot2.104101.325-2.104approx0.0131,):
    • Retorno (25 °C, 20 °C WBT):
      saturação a 20 °C → hext=1.006cdot20 + 0.0131,(2501+1.86cdot20)approx53.4;kJ/kgda kPa wsup=0.622cdot1.927101.325-1.927approx0.0121, hsup=1.006cdot18 +0.0121,(2501+1.86cdot18)approx48.6;kJ/kgda
      - Externo (20 °C, 90 % UR):
      saturação a 20 °C → Tmix=(1-y),25 + y,20=25-5y, kPa → wmix=(1-y),0.0147 + y,0.0131=0.0147-0.0016y, kPa
      hmix=1.006,Tmix+wmix,(2501+1.86,Tmix) SHF =cpa(Tmix-Tsup)hmix-hsup =0.6 longrightarrowresolve em y
      - Suprimento (18 °C, 17 °C WBT):
      saturação a 17 °C → boxedymax=0;(0%) kPa
  2. Mistura:
  3. Impor SHF=0.6:
Ao montar a equação e resolver (detalhes algébricos dão um polinômio de 2º grau), obtemos raízes e . Ambas são >1, ou seja, não há fração viável de ar externo que satisfaça SHF=0.6.
Conclusão: a mistura não consegue atingir SHF=0.6 com essas condições, logo a maior fração de ar externo que efetivamente reduz carga é

Passo 4

Como na prática wmix=wret=0.0147, pv,mix=wmix,P0.622+wmixapprox2.34;kPa, o “ar misturado” é só o de retorno. Logo a razão de umidade e pressão de vapor são as do retorno:
$$w_{mix}=w_{ret}=0.0147,\quad
p_{v,mix}=\frac{w_{mix},P}{0.622+w_{mix}}\approx2.34;\mathrm{kPa}.\boxed{T_{dp}\approx20{,}1;^\circ\mathrm{C}.}$$

Passo 5

Carga de refrigeração na serpentina (fluxo mássico total Q=dot m,(hret-hsup) =6,(62.6-48.6)approx6times14.0approx84;kW):
  • Sem ar externo (ou seja, só retorno):$$Q=\dot m,(h_{ret}-h_{sup})
    =6\,(62.6-48.6)\approx6\times14.0\approx84\;\mathrm{kW}.$$  
    
  • Com a mistura viável ( ), é exatamente a mesma coisa, pois não entrou ar externo.
Portanto a carga fica em torno de 84 kW tanto com ar externo (que acaba não entrando) quanto sem.

Resposta

(a) Para reduzir carga, ar externo deve ter DBT ≤ 25 °C e WBT ≤ 20 °C.
(b) A fração viável de ar externo é .
© Ponto de orvalho ≈ 20,1 °C.
(d) Carga da serpentina ≈ 84 kW em ambos os casos.

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