Resfriamento Evaporativo

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O que é:

Genericamente, resfriamento evaporativo ocorre quando algum meio ou produto cede calor para que a água evapore. A evaporação de um produto qualquer é um processo endotérmico, isto é, demanda calor para se realizar. Esta transferência de calor pode ser forçada (quando fornecemos o calor) ou induzida (quando criamos condições para que o produto retire calor do meio). Um exemplo bastante conhecido de resfriamento evaporativo é a Torre de Resfriamento, pois nela uma parcela de água é induzida a evaporar, retirando calor da água remanescente, que se resfria por ceder este calor.

No resfriamento evaporativo de ar, o mesmo princípio é utilizado: o ar cede energia (calor) para que a água evapore, resultando numa corrente de ar mais fria à saída do resfriador.

Resfriamento Evaporativo

História:

O homem já utiliza o resfriamento evaporativo há muito tempo. Afrescos do antigo Egito (2500 AC) mostram escravos abanando jarros (de paredes porosas) com água, para resfriar o conteúdo.

Isto é feito ainda hoje em dia nos filtros e moringas de barro cozido. Uma fração da água armazenada evapora através da parede do vaso, resfriando o líquido remanescente.

Na Roma antiga e na Idade Média, reservatórios de água com paredes umidificadas foram utilizados. A genialidade de Leonardo Da Vinci levou-o a idealizar um resfriador evaporativo em forma de roda d’água.

Exemplos próximos:

Embora nem sempre nos demos conta, com alguma freqüência sentimos os efeitos do resfriamento evaporativo:

  • Quando nos aproximamos de uma cachoeira e notamos o ar mais fresco;
  • Quando saímos de uma piscina (deixamos a água, que está mais fria e entramos em contato com o ar, que está mais quente) e temos aquela sensação de frio;
  • Quando, num dia quente, acontece uma “Chuva de Verão” e observamos a quase instantânea queda da temperatura;

A Temperatura de Bulbo Úmido (TBU) que é lida num termômetro com o bulbo envolvido por uma gaze úmida, é a temperatura mais baixa que o ar ambiente pode assumir no local, e corresponde à condição de ar saturado obtida pela evaporação da água na região junto ao bulbo.

Muitos outros exemplos podem ser citados, mas acreditamos que o nosso leitor já tenha compreendido a idéia do RESFRIAMENTO EVAPORATIVO. É simples, mas não custa enfatizar que é com ele que a Terra controla a temperatura sobre sua superfície.

Princípio:

O ar atmosférico é uma mistura de ar seco e vapor de água. Para uma dada condição de temperatura e pressão esta mistura tem capacidade de conter uma quantidade máxima de vapor d’água (ar saturado = 100% de umidade relativa ou 100% UR). Na prática esta condição de ar saturado só é observada durante e logo após uma chuva. Normalmente o ar encontra-se insaturado (UR<100%) e, portanto, apto a absorver mais umidade.

Quanto mais seco o ar (menor UR), maior a quantidade de vapor de água que pode ser absorvida.

Para que haja esta absorção é necessário que a água utilizada passe da fase líquida para a fase vapor. Esta mudança de fase demanda uma quantidade de energia que é retirada do meio, no caso o ar, resfriando-o.

Existe um princípio básico nas reações físico-químicas segundo o qual quanto maior a superfície de contato entre os reagentes, maior a velocidade da reação. Assim sendo, devemos procurar aumentar a área de contato entre a água e o ar. Como o ar já se encontra diluído e ocupando todos os espaços disponíveis, resta-nos a água para dispersar.

Processos utilizados:

Uma maneira de “expandir” a água é através de chuveiros, sprays ou atomização. São métodos bastante eficientes, que atingem elevados índices de umidificação e abaixamento de temperatura. Recomenda-se, no entanto, que este tipo de umidificação seja efetuado dentro do resfriador. Quando lançada no ambiente, mesmo que micro-pulverizada, a água pode encontrar uma região já saturada, o que fará com que não seja absorvida pelo ar e se precipite, molhando o que estiver em seu caminho até o solo. Mesmo sistemas com umidostatos e válvulas solenóides, que cortam o fluxo de água quando determinada umidade relativa é atingida, tendem a gotejar nos bicos até a estabilização da pressão de água no sistema.

Outra maneira adotada é a de utilizar superfícies de contato, isto é, utilizando materiais com elevada superfície exposta. A água é distribuída na parte superior de colmeias ou mantas e desce por canais pré-formados ou aleatórios, molhando todo o meio. O ar atravessa transversalmente a colmeia ou a manta, entrando em contato íntimo com o meio umidecido e absorvendo umidade até bem próximo da saturação.

As principais vantagens deste método são:

  • A parte molhada do sistema fica restrita ao equipamento;
  • Nunca se ultrapassa o ponto de saturação, pois o ar só absorve a umidade que pode comportar, deixando no equipamento a água excedente;
  • Este processo realiza ainda uma lavagem do ar, retendo poeira e sujeiras na colmeia ou na manta, as quais são continuamente lavadas pela água excedente.

Os resultados globais atingidos por qualquer dos sistemas acima descritos dependem ainda do fluxo do ar. É necessária a adequação de vazão e velocidade para que se obtenham as melhores condições ambientais.

Estas considerações são normalmente levadas em conta pelos fabricantes dos equipamentos.

Energia envolvida:

Quando 1 litro de água (1kg) se evapora, consome aproximadamente 580 kcal. É a mesma quantidade de energia necessária para resfriar 58 litros de água de 30°C até 20°C. Ou para resfriar 208m³ de ar (242kg) dos mesmos 30°C até 20°C.

Como se pode observar pelos números acima, a energia envolvida na mudança de fase da água (calor latente) corresponde a uma grande variação de temperatura da mesma (calor sensível).

Temos aqui a resposta para uma pergunta bastante freqüente: o uso de água gelada melhora a eficiência do resfriador? NÃO, pois o ganho em redução de temperatura é insignificante frente ao obtido pela evaporação.

Redução de temperatura:

De acordo com o já exposto, sabemos que a redução de temperatura será tanto maior quanto menor for a umidade relativa do ar captado. Assim sendo, para uma mesma temperatura na entrada do resfriador, podemos ter diferentes temperaturas de saída conforme varie a umidade relativa do ar na entrada.

A “Tabela de Redução de Temperatura por Meio do Sistema de Resfriamento Evaporativo” em anexo apresenta os valores obtidos para equipamento com colmeias de umidificação.

Para equipamentos corretamente projetados e fabricados, duas regras práticas podem ser adotadas para se saber as temperaturas a serem atingidas em uma determinada região.

  • A temperatura do ar resfriado será aproximadamente 1°C acima da temperatura de bulbo úmido(TBU) do ar captado.
  • A temperatura do ar resfriado será aproximadamente 3°C abaixo da temperatura de saída da água de uma torre de resfriamento eventualmente existente no local (desde que esta esteja operando corretamente).

Um fato muito importante a ser observado é que a umidade relativa varia ao longo de um dia normal. Tendo em vista que a umidade absoluta (gramas de vapor de água/kg ar seco) não se altera muito ao longo do dia, a menos que ocorram chuvas ou se esteja próximo a regiões cobertas por água (mar, rios, represas, etc.), a umidade relativa vai variar inversamente com a temperatura. Assim, quanto mais quente o período do dia, menor a umidade relativa e melhor o desempenho do resfriamento evaporativo.

As curvas "Performance Padrão em um Dia Tipico de Verão" mostram as temperaturas resultantes do sistema evaporativo em um dia típico de verão em função do ar captado, para diferentes condições climáticas.