ANÁLISE DE SISTEMA DE OBTENÇÃO DE ÁGUA ATRAVÉS DE DESUMIDIFICAÇÃO DO AR COM USO DE CÉLULA PELTIER

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA

CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ

ANÁLISE DE SISTEMA DE OBTENÇÃO DE ÁGUA ATRAVÉS DE DESUMIDIFICAÇÃO DO AR COM USO DE CÉLULA PELTIER

Luiz Carvalho Rocha

Raphael Tavares Cachoeira

Projeto de Graduação apresentado ao curso

de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro Mecânico.

Prof. Orientador: Carlos Eduardo Guedes Catunda

Rio de Janeiro

Novembro de 2016

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Resumo^[a]

O presente estudo tem por objetivo analisar um sistema de obtenção de água a partir do vapor presente no ar atmosférico. Para tal foi construído um protótipo de sistema capaz de gerar água através do resfriamento do vapor contido no ar. Para isso foi utilizada uma célula Peltier como bomba de calor para resfriar uma superfície buscando obter condensação de vapor. Foram realizadas medições da performance do protótipo construído e as mesmas foram comparadas com cálculos realizados utilizando modelos matemáticos psicrométricos adaptados para esse estudo. Os resultados obtidos mostram que o modelo psicrométrico utilizado pelos autores está bem correlacionado com o sistema utilizado no estado. Foi obtida uma capacidade média de extração de água de 22,40 kg/m²/dia, o que apresenta concordância com experimentos realizados por outros autores para sistemas do mesmo tipo. O consumo médio de energia foi de 0,11 kWh durante os experimentos, o que indica um potencial de viabilidade econômica alto para o sistema proposto. Comparando os valores de condensado obtido e esperado, obteve-se uma eficiência média de extração de 3%, o que indica que o modelo matemático proposto e o protótipo ainda podem ser melhorados de modo a refinar os dados obtidos.

Palavras chaves: Célula Termoelétrica, Desumidificação, Efeito Peltier, Psicrometria, Vapor D’água.  

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Abstract

The objective of the present study is to analyze a system for water extraction from the vapour present in the Atmospheric air. For this study, the authors constructed a prototype of this system capable of generating water through the cooling of the vapor contained in the air. A Peltier cell was used as a heat pump to cool a surface in order to obtain water condensation. The performance of the system was measured and compared with calculations made with a psychrometric model adapted for this study. The results obtained show the psychrometric model utilized by the authors is well correlated with the system. An average water extraction capacity of 22,40 kg/m²/day was obtained, which agrees with experiments performed by other authors for systems of the same type. The average energy consumption was 0.11 kWh during the experiments, indicating a potential economic feasibility for the proposed system. Comparing the obtained and expected condensate values, an extraction average of 3% was obtained, which indicates that the utilized mathematical model and the prototype can still be improved in order to refine the obtained data.

Keywords: Thermoelectric Cell, Dehumidification, Peltier Effect, Psychrometry, Water Vapour.  

Sumário

1. INTRODUÇÃO        1

1.1 Motivação        1

1.2 Justificativa        2

1.3 Objetivo        2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA        3

2.1 Psicrometria        3

2.2 Formação do Orvalho        5

2.3 Qualidade da Água        10

2.4 Sistemas de Processamento de Vapor de Água (AWVP)        11

2.4.1 Condensador por Resfriamento de Superfície        12

2.4.1.1 Resfriamento de Superfície Através de Bomba de Calor        13

2.4.1.2 Resfriamento de Superfície Através de Radiação        14

2.4.2 Condensador por Absorção e Regeneração de Vapor        15

2.4.3 Condensador por Convecção Controlada ou Induzida         16

2.5 Células de Refrigeração Através do Efeito Peltier        17

2.5.1 Efeito Peltier        17

2.6 Modelos Matemáticos        22

2.6.1 Modelo Psicrométrico        22

2.6.1.1 Pressão de Saturação        22

2.6.1.2 Umidade Absoluta        23

2.6.1.3 Umidade Relativa        24

2.6.1.4 Entalpia        24

2.6.1.5 Balanço de Energia e Massa        25

2.6.2 Modelo Termoelétrico        26

2.6.2.2 Efeito Peltier        26

2.6.2.3 Efeito Joule        27

2.6.2.4 Condução de Calor entre as Faces da Placa        27

2.6.2.5 Calor Total trocado pelas Faces        28

3. METODOLOGIA        29

3.1 Calculadora Psicrométrica        29

3.2 Ensaios em Escala de Bancada        31

3.3 Aquisição e Medição dos Dados        33

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO        35

4.1 Aspectos Climatológicos        35

4.2 Resultados dos Experimentos com o Protótipo        37

5. CONCLUSÃO        46

5.1 Sugestões para Trabalhos Futuros        47

Referências        49

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Lista de Figuras

Figura 1: Disponibilidade de Água no Planeta [2] adaptado.        1

Figura 2: Proporção dos Componentes do Ar [8] Adaptado        3

Figura 3: Carta Psicrométrica para o Nível do Mar [9]        4

Figura 4: Efeito da Temperatura da Superfície de Refrigeração na Performance de Evaporador [12] Adaptado        6

Figura 5: Influência de Maior Área de Superfície de Condensação na Performance de Evaporador [12] Adaptado        6