Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

(Parte 6 de 10)

Para se realizar uma medição confiável, em um determinado nível de exatidão, é necessário utilizar uma técnica segura e apropriada. Para isto, necessitamos definir precisamente o objetivo da medição, selecionar um método adequado de medição validado por uma calibração confiável, realizar a medição corretamente sem introduzir erros e, finalmente, interpretar com bom senso o resultado da medição.

2. O que é a Umidade?

A palavra umidade significa a presença de vapor d’água no ar ou em outro gás. O vapor d’água é o estado gasoso da água, e pode ser imaginado como algo similar a qualquer outro tipo de gás. É normalmente transparente, e participa com aproximadamente um centésimo (ou um porcento) no ar ao nosso redor.

A umidade surge na prática porque, do mesmo modo que a água quente emite o vapor característico, a água fria, incluindo-se o gelo, também exala vapor d’água. Onde quer que haja água ou gelo, existe um processo de evaporação, ou seu oposto, a condensação. A intensidade com que isto ocorre depende de uma série de fatores, dos quais o mais importante é a temperatura. De modo análogo, outros líquidos ou materiais sólidos, a maioria dos quais possui alguma água incorporada, também desprendem, ou às vezes absorvem, vapor d’água. É evidente que o vapor d’água também pode ser encontrado em locais onde não existe nenhum líquido ou sólido nas vizinhanças, a exemplo do que ocorre nas camadas remotas da atmosfera terrestre.

O ar possui uma determinada capacidade de absorver o vapor d’água. Como dito anteriormente, esta capacidade depende principalmente da temperatura. Em geral, quanto mais quente o ar, mais vapor d’água ele pode absorver.

Em uma determinada temperatura, o ar que contiver a sua máxima capacidade de absorção de vapor é dito estar saturado. A umidade relativa de uma amostra de ar expressa o seu nível de saturação de vapor d’água. Uma variedade de outros parâmetros (absolutos) são utilizados para expressar a quantidade de vapor presente no ar, independentemente da temperatura ou do nível de saturação.

1 MERCOFRIO 98 – Feira e Congresso de Ar Cond., Refrigeração, Aquecimento e Ventilação do Mercosul Cláudia dos Santos - claudias@ipt.br - Kazuto Kawakita - kawakita@ipt.br IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. - Laboratório de Vazão São Paulo - SP - Brasil

3. Métodos de Medição de Umidade

Os diferentes parâmetros e unidades utilizadas na medição de umidade são todas interrelacionadas, algumas das quais como funções da temperatura e pressão, e também do teor de umidade contido no gás. Isto significa que existe freqüentemente uma opção de escolha para o parâmetro a se medir. A umidade relativa, em particular, pode ser medida diretamente utilizando alguns tipos de instrumentos disponíveis comercialmente.

Entretanto, a mesma pode ser derivada indiretamente, por exemplo, a partir de medições de temperatura e de ponto de orvalho.

Princípios de Operação de Vários Higrômetros

A umidade influencia uma ampla gama de processos físicos, químicos e biológicos. Em decorrência deste fato, existem diversos tipos de efeitos relacionados com a umidade que podem ser explorados para a indicação das mudanças de umidade. A descrição de alguns do métodos mais importantes para a medição da umidade em gases são fornecidos a seguir.

Higrômetros Mecânicos

Os higrômetros mecânicos exploram as propriedades de expansão e de contração de materiais orgânicos conforme as variações de umidade. O elemento sensor pode ser confeccionado a partir do cabelo humano, catgut (material utilizado em cordas de violino, raquetes de tênis, etc.; obtido através da torção de intestinos de ovelhas e outros animais), tecidos e plásticos.

Psicrômetros de bulbos seco e úmido

Um psicrômetro de bulbos seco e úmido é constituído de um par de sensores de temperatura sobre os quais o ar é forçado a escoar. Um dos sensores é inserido em um meio poroso (uma mecha ou tecido), o qual é mantido úmido pela ação de capilaridade a partir de um reservatório de água.

A água se evapora da mecha a uma taxa específica e dependente da umidade do ar, sendo que este processo de evaporação faz com que o sensor seja resfriado. As temperaturas dos sensores, denominadas de temperaturas de bulbo seco e úmido são utilizadas no cálculo da umidade do ar. A umidade, nesse caso, pode ser determinada tanto através de programas de cálculo quanto através de tabelas como as da BS 4833: 1986 (1992) Hygrometric tables for use in the testing and operation of environmental enclosures. Alguns tipos de psicrômetros são equipados com uma eletrônica que calcula automaticamente a umidade a partir das medições de temperatura de tal modo a que a umidade relativa ou o ponto de orvalho possam ser lidos diretamente no display do instrumento.

Para que o princípio no qual se baseia a operação deste tipo de medidor de umidade seja plenamente utilizado, é recomendável que o mesmo possua incorporado um pequeno ventilador para promover a aspiração do ar, a uma determinada velocidade, sobre os sensores úmido e seco. Outras formas de medidores, a exemplo do psicrômetro não-aspirado de Mason, ou mesmo o psicrômetro manual giratório (conhecido também por reco-reco), são menos eficazes na utilização do princípio descrito e, desse modo, estão mais propensos a fornecer medições errôneas da umidade.

Medidores por Impedância Elétrica (Capacitivos ou Resistivos)

O sensor utilizado neste tipo de medidor é fabricado a partir de um material higroscópico, cujas propriedades elétricas se alteram na medida em que o mesmo absorve as moléculas de água. As mudanças na umidade são medidas em termos de alterações na capacitância ou resistência elétrica do sensor, ou mesmo na combinação das duas. A maioria dos sensores de impedância modernos utilizam a tecnologia de filmes finos. Os higrômetros elétricos são normalmente portáteis e compactos, sendo que a forma mais usual deste instrumento é composta de uma pequena sonda ligada por meio de um cabo, ou mesmo conectada diretamente ao corpo principal do medidor.

Existem atualmente disponíveis sondas de perfil especial para aplicações particulares. Estas sondas são normalmente equipadas com uma espécie de filtro para protegê-las de contaminações, apesar de que esta proteção pode prejudicar o tempo de resposta do sensor. Os higrômetros de impedância são normalmente equipados também com um sensor de temperatura. As leituras são fornecidas diretamente em um display, algumas vezes com a possibilidade de escolha do parâmetro desejado (P.e. umidade relativa ou ponto de orvalho), e podendo inclusive dispor de uma saída na forma de um sinal elétrico proporcional.

Sensores Capacitivos

Respondem mais efetivamente à umidade relativa do que ao ponto de orvalho, apresentando uma melhor linearidade em baixas umidades relativas. Em geral os sensores capacitivos não sofrem danos pela condensação (100% de umidade relativa), contudo, se isto ocorrer, a calibração pode apresentar um desvio.

Sensores Resistivos

Analogamente aos sensores capacitivos, respondem mais efetivamente à umidade relativa do que ao ponto de orvalho. Por outro lado, apresentam uma melhor linearidade em umidades elevadas. A maioria dos sensores resistivos não toleram a condensação sobre o elemento sensor. Entretanto, alguns modelos possuem dispositivos de proteção que evitam a condensação, por exemplo através de um aquecimento automático do sensor. Um tipo específico de sensor resistivo é por vezes referido como “Eletrolítico” devido ao uso de um polieletrólito como elemento higroscópico do sensor. Entretanto, este sensor não deveria ser confundido com os sensores eletrolíticos que utilizam a eletrólise como mecanismo sensor.

Sensores de Ponto de Orvalho por Impedância

São um caso especial dos higrômetros de impedância, utilizados mais para a medição em unidades absolutas do que em termos da umidade relativa. Seguindo um princípio geral similar, o sensor pode ser composto de óxido de alumínio ou de outros metais, ou mesmo uma base de silicone para o elemento ativo. Este tipo de sensor responde à pressão parcial do vapor. Normalmente, o sinal é convertido em outras unidades absolutas, resultando em valores apresentados pelo instrumento em termos de ponto de orvalho ou ppmv (parte por milhão em volume). Estes medidores podem apresentar uma ampla faixa de medição, incluindo-se gases muito secos.

Higrômetros por Condensação

A temperatura de ponto de orvalho pode ser medida através do resfriamento gradual de uma amostra do gás até que ocorra a condensação do vapor d’água, e observando a temperatura em que isto ocorre.

Em um higrômetro de ponto de orvalho óptico, a condensação do vapor d’água no forma de orvalho ou gelo é induzida a ocorrer sobre a superfície de um pequeno espelho dentro do instrumento. O início da condensação é detectado opticamente pela ocorrência de alterações no modo em que o espelho reflete ou espalha um feixe de luz incidido sobre o mesmo. A leitura pode ser registrada no instante da condensação, ou o espelho pode ser mantido àquela temperatura possibilitando que uma série de leituras seja obtida. Os projetos e concepções utilizados variam, alguns apresentando o sensor incorporado em uma espécie de sonda, e outros fazendo a amostragem do ar através de um tubo. Enquanto que as sondas podem ser razoavelmente compactas, o corpo principal do medidor é relativamente grande e não portátil. As leituras são apresentadas na forma de temperatura de ponto de orvalho, possuindo também uma saída eletrônica do sinal.

Outros sensores de ponto de orvalho não-ópticos detectam a condensação eletricamente, ou através de outros métodos tal como a mudança na freqüência de ressonância de um cristal de quartzo.

Higrômetros de Cloreto de Lítio Saturado

O elemento sensor, que é um sal higroscópico, absorve o vapor d’água do ar. Uma tensão elétrica é aplicada através do sal e uma corrente proporcional atravessa o mesmo de acordo com a quantidade de vapor d’água que foi absorvida. No mesmo instante, a corrente elétrica também aquece o sal. Ao final, é alcançado um balanço entre a absorção e o aquecimento. A temperatura em que este equilíbrio ocorre é, então, relacionada com a pressão de vapor d’água. O instrumento é normalmente disponível na forma de uma sonda, com as leituras apresentadas na forma de ponto de orvalho.

Eletrolítico (pentóxido fosforoso)

O sensor consiste de um filme de um poderoso secante, pentóxido fosforoso (P2O5), que absorve fortemente o vapor d’água contido no gás ao seu redor. Uma tensão elétrica é aplicada através do P2O5, o que provoca a eletrólise, dissociando a água em seus constituintes - hidrogênio e oxigênio. A corrente que flui neste processo é relacionada, através da Lei de Faraday, à quantidade de água eletrolisada. Assim, o valor da corrente é utilizado como indicador da umidade do gás que está sendo medido. Estes sensores são adequados à medição de umidades bastante baixas, embora eles exijam que a vazão do gás seja estável e determinada. Este instrumento mede a concentração de água por unidade de volume, com as leituras apresentadas em uma das unidades absolutas, tais como partes por milhão por volume ou pressão de vapor. Eles são normalmente mais utilizados na configuração de amostragem do gás por meio de um tubo, do que na forma de uma sonda.

Higrômetros Espectroscópicos

Em geral, uma técnica espectroscópica é aquela onde a composição de uma mistura de gás é determinada através da análise do modo como as substâncias absorvem ou emitem luz de comprimentos de onda e freqüências particulares. Toda substância química possui uma banda de freqüências característica, e ela pode estar nas faixas do ultravioleta ou do infravermelho do espectro. A técnica espectroscópica pode ser uma alternativa útil se for necessária a medição das concentrações de outras substâncias, além da do vapor d’água.

A técnica espectroscópica utilizada tanto para a umidades altas quanto para as moderadas é baseada na absorção infravermelha. A água absorve a radiação infravermelha em vários comprimentos de onda na faixa de 1mm a 10mm. A intensidade da radiação transmitida é mediada em um destes comprimentos de onda e comparada com aquela obtida para um comprimento de onda de referência, utilizando uma fotocélula para detecção. A quantidade desta radiação absorvida pelo gás é proporcional à concentração espacial (ou pressão parcial) do vapor d’água.

As técnicas espectroscópicas podem ser também utilizadas para a medição de concentrações extremamente baixas de vapor d’água, da ordem de algumas partes por bilhão (ppb). Existem várias versões desta tecnologia sofisticada, incluindo-se a APIMS (atmospheric pressure ionisation mass espectrometry), a FT-IR (Fourier-transform infrared spectroscopy), e a TDLAS (tunable diode laser absotion espectroscopy). Medidores de Umidade por Mudança de Cor Existem indicadores de umidade que indicam as mudanças de umidade através de alterações na cor de uma tira de papel ou de outro material. O material sensor é impregnado com cloreto de cobalto, e a mudança de cor ocorre como resultado de uma reação química da umidade com esta substância química. Outras técnicas de medição baseadas na alteração de cor envolvem o bombeamento de gás através de uma pequena garrafa recheada com cristais que mudam de cor de acordo com a umidade do gás.

Outros Métodos

Obviamente, a relação apresentada está longe de ser completa. Outros métodos e princípios que têm seus usos em aplicações particulares incluem:

Acústico

A alteração da velocidade de transmissão do som no ar (ou em outros materiais) pode ser um indicador da umidade.

Expansão Adiabática

O efeito do resfriamento do ar em uma expansão produz uma névoa se a temperatura de ponto de orvalho for alcançada.

Gravimétrico

Baseia-se na pesagem da umidade absorvida por um material. Lyman-alpha. A absorção e emissão de luz ultravioleta pelo ar é um indicativo da pressão parcial do vapor d’água.

Fibra Óptica

A perda ou reflexão da luz pelas camadas da fibra indicam alterações na umidade. Índice de Refração Óptica. A velocidade da luz no ar depende de sua composição, incluindo o vapor d’água.

Piezoelétrico (oscilador de quartzo)

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