Água no reservatório de ar comprimido

16 de dezembro, 2022 às 12:43 | Postado em Gás e vapor, Termologia, termodinâmica

Caro professor Fernando Lang

Estou cursando Física e uso muito o Pergunte ao CREF.

Encontrei no site diversos posts muito esclarecedores sobre umidade no ar.  No entanto não consegui resolver a minha dúvida sobre o acúmulo de  água no reservatório de ar comprimido na oficina mecânica do meu pai. Em COMPRESSORES: A IMPORTÂNCIA DA DRENAGEM DA ÁGUA ACUMULADA encontrei a seguinte explicação:

A água que acumula no interior do reservatório de ar comprimido do compressor, chamada de condensado, é proveniente do processo de operação do equipamento que gera calor no momento em que está trabalhando. Esse aumento na temperatura do ambiente faz com que as moléculas de água que estão presentes em nossa atmosfera se condensem, passando do estado gasoso para o líquido.

Minha opinião pelo que encontrei em diversos de seus posts é que quanto maior é a temperatura do ar mais vapor de água pode existir. Gostaria de compreender como de fato essa condensação ocorre no compressor de ar. O reservatório de ar comprimido tem um dreno no fundo para tirar água e meu pai o esgota quase que diariamente, saindo uma quantidade grande de água, mais no verão do que no inverno.

Certamente o professor vai elucidar minha dúvida e já lhe agradeço.

Vou analisar a “explicação” em etapas iniciando com a primeira frase: A água que acumula no interior do reservatório de ar comprimido do compressor, chamada de condensado, é proveniente do processo de operação do equipamento que gera calor no momento em que está trabalhando.

Quando o ar é comprimido há realização de trabalho sobre ele, decorrendo da Primeira Lei da Termodinâmica  que sua energia interna aumenta, resultando em um aumento da temperatura do ar. É importante destacar que a absorção de energia pelo ar se deve ao processo de realização de trabalho sobre ele e não ao processo de calor. Então há um erro conceitual, aliás comum, de associar necessariamente o aumento da temperatura a calor.

A segunda parte da “explicação”  – Esse aumento na temperatura do ambiente faz com que as moléculas de água que estão presentes em nossa atmosfera se condensem, passando do estado gasoso para o líquido. – está errada pelas razões que se apontam a seguir.

A máxima quantidade de vapor de água no ar depende da pressão de vapor saturado que é uma característica da água, crescendo com a temperatura. Quanto maior é a pressão de vapor saturado da água, tanto maior é a máxima densidade de vapor de água no ar. E a pressão de vapor saturado cresce  com a temperatura, de acordo com a Lei de Clausius-Clapeyron, muito mais rapidamente do que um gás ideal conforme a figura 1 representa.

Portanto, o ar quente suporta mais vapor de água do que o ar frio e por isso a “explicação” está completamente errada. 

A figura 2, retirada de [1], representa a máxima densidade de vapor de água (umidade absoluta máxima – UA_max) que pode existir no ar em função da temperatura.

A razão pela qual o vapor de água acaba por condensar é que quando o ar é comprimido, os gases e o vapor de água que o compõem aumentam as suas pressões parciais. Quando a pressão parcial do vapor de água atingir o valor da pressão de vapor saturado (dada no gráfico de figura 1) inicia-se a liquefação ou condensação da água, formando-se gotículas de água no ar. O ar comprimido entra no reservatório a uma temperatura maior do que a temperatura ambiente e, conforme está representado no gráfico da figura 2, pode suportar mais vapor sem que haja condensação. A liquefação do vapor de água ocorre quando o gás  que sai do compressor  em pressão elevada e aquecido acaba por resfriar, isto é, o resfriamento do ar comprimido determina sua saturação, e consequentemente o aparecimento de água liquida.

A quantidade de vapor de água que o compressor aspira juntamente com o ar atmosférico define a massa de água líquida que ocorrerá após o ar ser comprimido e resfriado. E esta quantidade depende da umidade relativa na atmosfera e da temperatura da atmosfera. Por exemplo, em um dia úmido (umidade relativa de 100%) no verão quando a temperatura é 30°C o gráfico da figura 2 (ou a tabela encontrada em Quantidade de água em um determinado volume de ar) indica que há 30,4g de vapor de água por metro cúbico de ar aspirado enquanto em um dia de inverno a 5°C há 9,4g apenas. Assim fica explicado porque sai no dreno do reservatório de ar comprimido uma quantidade grande de água, mais no verão do que no inverno.

“Docendo discimus.” (Sêneca)