________________________________________________________________________ METEORO INSTRUMENTOS 1 PSICROMETRIA 1 1. O QUE É? É a quantificação do vapor d’água no ar de um ambiente, aberto ou fechado. 2. PARA QUE SERVE? A importância da quantificação da umidade atmosférica pode ser percebida quando se quer, dentre outros usos: (i) dimensionar de sistemas de acondicionamento para animais e plantas, incluindo ambientes protegidos, como estufas, por exemplo; (ii) estimativa o tempo e a energia necessários para secagem de produtos agrícolas; (iii) controlar a umidade do ar dentro de unidades de armazenamento de hortifrutigranjeiros , cereais, dentre outros; (iv) estudar a incidência de pragas em produtos agropecuários e (vi) estudar a qualidade do ambiente, incluindo o conforto térmico, bem como a incidência de doenças – sejam relativas à saúde, humana ou de outros animais, quanto aquelas que ocorrem em vegetais. 3. QUAIS SÃO OS APARELHOS UTILIZADOS PARA ESTIMAR A UMIDADE DO AR? Os instrumentos utilizados para estimar a umidade do ar são os (i) psicrômetros, (ii) higrômetros e (iii) higrógrafos. Os psicrômetros fornecem duas leituras de termômetros, um de bulbo seco, que mede a temperatura do ar e um outro termômetro, de bulbo molhado, que fornece uma leitura auxiliar. A partir desses dois valores é possível calcular 1 Este material baseia-se no capítulo 2 do livro Meteorologia básica e aplicações de R.L.Vianello e A.R. Alves publicado pela Universidade Federal de Viçosa e nas apostilas Psicrometria I e Psicrometria II de S. Zolnier, publicadas pelo Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa.
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Psicrometria - Meteoro Instrumentostdnet.com.br/meteoro/tabelas/Psicrometria - conceitos.pdf · referida como depressão psicrométrica. Cálculo de e su (a equação é a mesma do
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É a quantificação do vapor d’água no ar de um ambiente, aberto ou fechado.
2. PARA QUE SERVE?
A importância da quantificação da umidade atmosférica pode ser percebida quando se quer, dentre outros usos: (i) dimensionar de sistemas de acondicionamento para animais e plantas, incluindo ambientes protegidos, como estufas, por exemplo; (ii) estimativa o tempo e a energia necessários para secagem de produtos agrícolas; (iii) controlar a umidade do ar dentro de unidades de armazenamento de hortifrutigranjeiros , cereais, dentre outros; (iv) estudar a incidência de pragas em produtos agropecuários e (vi) estudar a qualidade do ambiente, incluindo o conforto térmico, bem como a incidência de doenças – sejam relativas à saúde, humana ou de outros animais, quanto aquelas que ocorrem em vegetais. 3. QUAIS SÃO OS APARELHOS UTILIZADOS PARA ESTIMAR A UMIDADE
DO AR?
Os instrumentos utilizados para estimar a umidade do ar são os (i) psicrômetros, (ii) higrômetros e (iii) higrógrafos.
Os psicrômetros fornecem duas leituras de termômetros,
um de bulbo seco, que mede a temperatura do ar e um outro termômetro, de bulbo molhado, que fornece uma leitura auxiliar. A partir desses dois valores é possível calcular
1 Este material baseia-se no capítulo 2 do livro Meteorologia básica e aplicações de R.L.Vianello e A.R. Alves publicado pela Universidade Federal de Viçosa e nas apostilas Psicrometria I e Psicrometria II de S. Zolnier, publicadas pelo Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa.
uma longa série de variáveis psicrométricas, cada uma delas, utilizada em diferentes situações.
Os higrômetros, fornecem apenas uma estimativa da
umidade relativa. Os higrógrafos, além da leitura, também registram os valores da umidade relativa, no decorrer do tempo. Ambos, podem fazer uso de um feixe de fios de cabelos humanos (que têm a propriedade de se contraírem quando a umidade relativa abaixa e distenderem quando aquela variável aumenta de valor). Podem também ser confeccionados com materiais sintéticos que mudam a condutância elétrica, quando a umidade relativa varia. Assim, quando sujeitos a uma diferença de potencial elétrico conhecido, dependendo da umidade do ar, haverá variação na intensidade da corrente elétrica, proporcional à umidade relativa do ar.
4. QUAIS SÃO OS MÉTODOS DE QUANTIFICAÇÃO DA UMIDADE DO AR?
A partir dos dados fornecidos pelos instrumentos pode-se estimar as variáveis psicrométricas por três métodos diferentes: (i) o analítico; (ii) o gráfico e (iii) o tabular.
O método analítico é o mais preciso dentre todos eles,
embora, eventualmente, possa ser um pouco difícil para aquelas pessoas pouco acostumadas a utilizar um computador ou, pelo menos, uma calculadora científica.
O método gráfico é muito simples e rápido. Entretanto,
dependendo da precisão requerida para as variáveis psicrométricas, não seria muito indicado. Onde a pressão atmosférica do local difere razoavelmente daquela para a qual foi definido o gráfico, é necessário corrigir os valores obtidos no gráfico.
Pelo método tabular é rápido e fácil encontrar os valores
desejados. No entanto, se a necessidade for superior a duas ou três variáveis psicrométricas, ou o número de condições atmosféricas para a determinação das variáveis for elevado, este método pode ser um pouco enfadonho. Na prática este método é utilizado apenas para encontrar-se os valores da umidade relativa.
A seguir serão descritas as variáveis psicrométricas e as
equações para as estimativas pelo método analítico, com um exemplo de cálculo. Para algumas variáveis as tabelas
encontradas no Apêndice podem ser utilizadas. As referências a essas tabelas aparecerão junto com a descrição das variáveis tabeladas.
5. QUAIS SÃO AS VARIÁVEIS PSICROMÉTRICAS?
As variáveis psicrométricas estimáveis são:
• Pressão de vapor de saturação (es) • Pressão de vapor d’água real (e)
• Umidade absoluta ou densidade do vapor d’água (UA) • Densidade absoluta do ar seco (DAS)
• Densidade absoluta do ar (Da) • Umidade específica do ar (q)
• Razão de mistura (r ou w) • Umidade relativa (UR)
• Temperatura do ponto de orvalho (tpo) • Entalpia específica do ar seco (Eh)
5.1. Pressão parcial do vapor de água quando o ar estiver
saturado.
A equação utilizada para o cálculo da pressão parcial exercida pelo vapor de água na condição de ar saturado, sobre uma superfície de água líquida, é a de Tétens.
( )( )
+= t3,237t.5,7
s 10.1078,6e em que, es é pressão de saturação do vapor d’água, em hPa ou mbar, e t é temperatura em oC.
Para aqueles pouco familiarizados com equações exponenciais no Apêndice 1 são apresentados os valores de es em hPa ou mbar, em função da temperatura, variando esta de zero até 50ºC.
EXEMPLO: Qual é pressão parcial exercida pelo vapor de água quando o ar estiver saturado a uma temperatura de 26,5ºC?
( )( ) mbar62,34hPa62,3410.1078,6e 5,263,237
5,26.5,7
s ===
+
Confira o valor no Apêndice 1. 5.2. Pressão parcial exercida pelo vapor de água presente no
ar, na condição real. Estima-se o valor da pressão parcial real exercida pelo
vapor de água pela equação:
e = esu - A . Patm . (t - tu)
em que, e é pressão parcial exercida pela quantidade de vapor d’água presente com a atmosfera na situação real, em hPa ou mbar, em que, esu é pressão de saturação do vapor d’água, em hPa ou mbar, para a temperatura do termômetro de bulbo molhado, tu, em oC; A é uma constante do psicrômetro (A = 0,00067 oC-1 para psicrômetros com ventilação forçada e A = 0,00080 oC-1 para psicrômetros sem ventilação forçada) e Patm é a pressão atmosférica total do local, em hPa ou mbar.
A diferença entre os valores indicados pelos dois termômetros (de bulbo seco e de bulbo molhado), (t – tu) é referida como depressão psicrométrica.
Cálculo de esu (a equação é a mesma do cálculo de es, utilizando agora a temperatura de bulbo molhado, em ºC):
( )( )
+= tu3,237tu.5,7
su 10.1078,6e Estimativa do valor da pressão atmosférica, em mbar ou hPa, quando não se dispõe de um barômetro, pode ser feita pela equação:
2568,5)288
Z.0065,01.(25,1013Patm −=
em que, Z é altitude do local em metros.
Para facilitar os cálculos, os valores das pressões atmosféricas, calculadas pela equação anterior, para locais com altitudes variando de zero a 2000 metros, encontram-se no Apêndice 2.
A transformação das unidades de pressão pode ser feita por regras-de-três:
1013,25 hPa = 1013,25 mbar = 760 mm Hg = 1 atm ≈ 1 bar
EXEMPLO: Qual é pressão parcial exercida pelo vapor de água quando o ar estiver com uma temperatura de 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar?
Confira o valor no Apêndice 2. Como o psicrômetro é do tipo com ventilação forçada o valor da constante A é 0,00067 oC-1. e = esu-A.Patm.(t-tu)=28,43–0,00067.948.(26,5–23,2)=26,33 mbar e = 26,33 hPa A contribuição do vapor de água para a pressão atmosférica, nessas condições é de e = 26,33 hPa. 5.3. Densidade do vapor de água ou umidade absoluta (UA).
É a quantidade (massa), de vapor d’água presente em cada metro cúbico de espaço do ambiente em questão. Em gvapor/m3.
)t15,273(e
.68,216UA+
=
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar, t é a temperatura do ar, informada pelo termômetro de bulbo seco, em ºC. EXEMPLO: Qual é a umidade absoluta do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? Do exemplo anterior vimos que a pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. A temperatura do ar é de 26,5ºC (termômetro de bulbo seco). Então
)5,2615,273(
33,26.68,216UA
+=
UA = 19,04 gramas de vapor de água por metro cúbico.
É a quantidade (massa), em gramas, de ar seco (todos os componentes – nitrogênio, oxigênio, gás carbônico, metano, etc ... – presentes no ar, à exceção do vapor de água, pois esta quantidade já foi definida no item 5.3.) presente em cada metro cúbico de espaço do ambiente em questão. Em gar seco/m3
( ))t15,273(
ePatm.37,348DAS
+−
=
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar, Patm é a pressão atmosférica total do local, em hPa ou mbar, t é a temperatura do ar, informada pelo termômetro de bulbo seco, em ºC. EXEMPLO: Qual é a densidade do ar seco se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? Do exemplo anterior vimos que a pressão atmosférica (Patm) estimada é de 948 hPa, pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. A temperatura do ar é de 26,5ºC (termômetro de bulbo seco). Então, ( )
)t15,273(33,26948
.37,348DAS+
−=
DAS = 1071,52 gramas de ar seco por metro cúbico. 5.5. Densidade do ar (Da).
É a quantidade (massa), em gramas, de ar (todos os componentes – nitrogênio, oxigênio, gás carbônico, metano, etc ... – presentes no ar, neste caso incluindo o vapor de
água) presente em cada metro cúbico de espaço do ambiente em questão. Em gar/m3
DASUADa += em que, UA é a umidade absoluta, em gvapor/m3 e DAS é a densidade do ar seco, em gar seco/m3. EXEMPLO: Qual é a densidade do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? Dos cálculos anteriores que a Umidade absoluta é igual a 19,04 gvapor/m3 e a densidade do ar seco é igual a 1071,52 gar seco/m3. Então, 52,107104,19Da += Da = 1090,56 gramas de ar por metro cúbico.
Note que a massa de 19,04 gramas de vapor de água exercem colaboram com 26,33 hPa para uma pressão atmosférica de 948 hPa. O restante, 928,96 hPa, é a contribuição dos 1071,52 gramas dos outros gases componentes da atmosfera, excluído o vapor de água. 5.6. Umidade específica (q).
É a massa de vapor de água por unidade de massa de ar (todos os componentes – nitrogênio, oxigênio, gás carbônico, metano, etc ... – presentes no ar, neste caso incluindo o vapor de água). Em gvapor/gar, ou kgvapor/kgar.
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar e Patm é a pressão atmosférica total do local, em hPa ou mbar. EXEMPLO: Qual é a umidade específica do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? De exemplo anterior vimos que a pressão atmosférica (Patm) estimada é de 948 hPa, pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. A temperatura do ar é de 26,5ºC (termômetro de bulbo seco). Então,
( )33,26.378,094833,26
.622,0q−
=
q = 0,0175 gramas de vapor a cada grama de ar (ar seco somado
ao vapor de água) ou q = 17,5 gramas de vapor a cada quilograma de ar (ar seco
somado ao vapor de água). 5.7. Razão de mistura (r ou w).
É a massa de vapor de água por unidade de massa de ar seco (todos os componentes – nitrogênio, oxigênio, gás carbônico, metano, etc ... – presentes no ar, à exceção do vapor de água). Em gvapor/gar seco, ou kgvapor/kgar seco.
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar e Patm é a pressão atmosférica total do local, em hPa ou mbar. EXEMPLO: Qual é a umidade específica do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? De exemplo anterior vimos que a pressão atmosférica (Patm) estimada é de 948 hPa, pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. A temperatura do ar é de 26,5ºC (termômetro de bulbo seco). Então,
( )33,2694833,26
.622,0r−
=
r = 0,0178 gramas de vapor a cada grama de ar seco ou r = 17,8 gramas de vapor a cada quilograma de ar seco.
Note a semelhança entre os valores numéricos entre a umidade específica e a razão de mistura. Em razão dessa similaridade, na prática, desde que a precisão requerida não seja muito grande confundem-se deliberadamente as duas variáveis psicrométricas e em muitos casos calcula-se a ambas pela equação:
Patme
.622,0qr ≅≅
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar e Patm é a pressão atmosférica total do local, em hPa ou mbar.
No exemplo, o resultado seria
r = q = 0,0173 gramas de vapor de água por grama de ar (ou ar seco, conforme a variável psicrométrica requerida).
É a razão entre a quantidade de água presente no ar e aquela que o ar teria caso estivesse em condições saturadas na mesma temperatura do ar (termômetro de bulbo seco). Em %.
Para estimar a umidade relativa basta utilizar a equação:
( )100.
tee
URs
=
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar e es é a pressão parcial do vapor de água na situação do ar estar saturado, à mesma temperatura do ar, indicada pelo termômetro de bulbo seco.
As tabelas de umidade relativa, para diversos valores de depressão psicrométrica (t – tu), e para os dois tipos de psicrômetros (com e sem ventilação forçada) podem ser obtidos neste mesmo site.
EXEMPLO: Qual é a umidade relativa do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? De exemplos anteriores vimos que a pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. A temperatura do ar é de 26,5ºC (termômetro de bulbo seco). Então,
100.62,3433,26
UR =
UR = 76,1%
Note que, quando a leituras dos dois termômetros, de bulbo seco (que indica a temperatura do ar) e de bulbo molhado, são iguais, então
É a temperatura na qual a saturação ocorreria se o ar fosse resfriado à pressão constante e sem adição ou remoção de vapor d’água. Em ºC.
( )( )2859,8)elog(
)elog(.3,2374905,186tpo
−−
=
em que, e é a pressão parcial do vapor de água real na atmosfera, em hPa ou mbar.
As tabelas de temperatura do ponto de orvalho, para diversos valores de depressão psicrométrica (t – tu), e para os dois tipos de psicrômetros (com e sem ventilação forçada) podem ser obtidos neste mesmo site. EXEMPLO: Qual é a temperatura do ponto de orvalho do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? De exemplo anterior vimos que a pressão de vapor (e), para essas condições atmosféricas é igual a 26,33 hPa. Então,
( )( )2859,8)33,26log(
)33,26log(.3,2374905,186tpo
−−
=
tpo = 21,9ºC
Isto quer dizer que, se a temperatura cair dos atuais
26,5ºC para 21,9ºC – sem que haja injeção de vapor de água (p.ex. por evaporação) nem retirada, e nem variação da pressão, tanto atmosférica total, como na pressão de vapor de água (neste caso, isto somente ocorreria se houvesse injeção de vapor de água no ar desse ambiente) – ocorreria a saturação e teoricamente iniciar-se-ia a condensação, ou seja
a formação do orvalho. Na prática, a condensação se inicia antes de a umidade relativa atingir 100%. As razões disto não serão discutidas neste texto. 5.10. Entalpia específica (Ee).
É a relação entre o conteúdo de energia do ar e a massa de ar seco. A temperatura de referência utilizada para o cálculo da entalpia é 0oF (-32ºC), de tal forma que o conteúdo de energia do ar seco a essa temperatura é imposto igual a zero. Pode ser estimada, simplificadamente por:
t.007,1L.r15Ee ++≅
em que, Ee é entalpia específica do ar, em kJ/kg de ar seco, r é a razão de mistura, em kg de vapor d’água/kg de ar seco e L é o calor latente de evaporação, em kJ/kg de vapor d’água, estimado por:
t.370,22500L −=
em que, t é a temperatura do ar (bulbo seco), em ºC.
EXEMPLO: Qual é a entalpia específica do ar se a temperatura for igual a 26,5ºC, a temperatura de bulbo molhado for de 23,2ºC, o psicrômetro for do tipo com ventilação forçada e o local estiver a 560 metros acima do nível do mar? De exemplo anterior vimos que a razão de mistura (r), para essas condições atmosféricas é igual a 0,0178 gramas de vapor a cada grama de ar seco. Cálculo do calor latente de evaporação
5,26.370,22500L −= ≅ 2440 kJ/kg de vapor d’água Então,
5,26.007,12440.0178,015Ee ++= Ee ≅ 84,6 kJ/kg de ar seco.
6. MÉTODO GRÁFICO A utilização deste método é mais rápida, sendo
entretanto, menos precisa que o método anterior. Sua operação é simples bastando, basicamente, o conhecimento das temperaturas dos termômetros de bulbo seco (temperatura do ar) e de bulbo molhado.
O gráfico abaixo está condicionado, a rigor, para
psicrômetros com ventilação forçada e pressão atmosférica de 1013,25 hPa (ou 1 atm). Pode, no entanto, ser utilizado sem correções até uma variação, ao redor de 10% daquele valor de referência da pressão atmosférica, para mais ou para menos. Preferencialmente, deve ser utilizado para psicrômetros com ventilação forçada.
Exemplo de utilização do gráfico: Suponha que a temperatura do termômetro de bulbo seco seja de 26,5ºC e a de bulbo molhado 23,2ºC. Admita que a pressão atmosférica esteja no intervalo admissível de uso do gráfico, digamos, os mesmos 948 hPa, do exemplo resolvido anteriormente pelo método analítico e o psicrômetro utilizado tenha sido o do tipo com ventilação forçada.
Pelo gráfico encontra-se e ≅ 26,5 hPa es ≅ 31,2 hPa r ou w (≅ q) ≅ 0,017 kgvapor/kgar seco tpo ≅ 22,3ºC Ee ≅ 21 kcal/kgar seco lembrando que 1 cal = 4,186 J ⇒ ⇒ 1 kcal = 4,186 kJ ⇒ Eh ≅ 21 kcal/kgar seco = 88 kJ/kgar seco
Pelo método analítico encontramos:
e = 26,33 hPa es = 34,62 hPa r ou w (≅ q) = 0,0178 kgvapor/kgar seco tpo = 21,9ºC Ee = 84,6 kJ/kgar seco