Date post: | 06-Jul-2015 |
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Psicrometría.
Características del aire húmedo y sus procesos
PSICROMETRÍA
• “La psicrometría tiene por objetivo la determinación y el estudio de las propiedades termodinámicas de mezcla aire-vapor de agua.”
Aplicaciones
• La psicrometría resulta entonces útil en:
– El diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos
– El diseño de equipos de refrigeración
– El estudio del secado de alimentos
– Todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire
El aire seco• El aire es una mezcla de gases, su composición varia
ligeramente en función de la posición geográfica y la altitud.
• El calor específico del aire a 1 atm (-40ºC a 60 ºC) varía desde 0,9997 hasta 1,022 kJ/(kg.K), en la mayoría de los casos se usa el valor intermedio: 1,005 kJ/(kg.K)
• La entalpía es equivalente al contenido energético del aire, es un término relativo.
• La temperatura de bulbo seco se muestra por un indicador de temperatura invariable
El vapor de agua
• El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor.
• El vapor en el aire es esencialmente vapor recalentado a baja presión parcial y temperatura.
• Por debajo de los 66ºC el vapor sobresaturado o sobrecalentado sigue las leyes de los gases ideales.
• Entre -71ºC y 124ºC, el calor específico tanto del vapor saturado como del sobrecalentado tiene variaciones mínimas, generalmente se toma un valor de 1,88 kJ/(kg.K).
• Para el cálculo de la entalpía se aumente el calor latente de vaporización.
Pi Nixi = -- = --P NT
Ley de Dalton
P = PA + PB + PC +...+ Pi
Ley de Gibbs Dalton
Las propiedades de una mezcla de gases ideales se
pueden calcular a partir de las propiedades de los gases
constituyentes
mR m = m1 R 1 + m2 R 2 +...+ mi R i
mhm = m1 h1 + m2 h2 +...+ mi hi
mcpm = m1 cp1 + m2 cp2 +...+ mi cpi
P
V
NT = NA + NB + NC +...+ Ni
Fracción molar
Nixi = --NT
Mezcla de gases ideales
Vapor de aguaRv´=461,5 J/kg K
Aire secoRa´=287 J/kg K
Airehúmedo = +
PaV = ma Ra´T PvV = mv Rv´T
A) > R Aire húmedo no saturado
R) = R Aire húmedo saturado
< R Aire húmedo sobresaturado
C
Pv
s
R
A
R
A
Temperatura de rocío R
Mínima Tª que puede tener el aire húmedo sin que el vapor de agua se condense.
P =Pa + Pv
Mezcla aire-vapor
• Las mezclas aire-vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales, aunque éstas pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm.
• Las mezclas de aire-vapor de agua existen en la atmósfera y siguen la Ley de Gibbs-Dalton (La presión total o barométrica del aire húmedo es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por el aire seco y por el vapor de agua).
• El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión.
Mezcla aire-vapor
• El punto de rocío es la temperatura a la que comienza la condensación de la humedad.
• El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la presión parcial ejercida por el vapor de agua (temp. de rocío)
Propiedades del aire húmedo
Humedad relativa Pv
= --Ps
Aire saturado 100
Aire seco 0
Parámetros característicos
Humedad absoluta mv
= --ma
Pv =0,622 ----
P -Pv
kg-----kg a.s.
Grado de humedad
φ = --s
humedad absoluta-------------------humedad de saturación
Entalpía del aire húmedo H = maha + mvhv
h = + (2501+ 1,82 )
Hh = -- = ha+ hvma
hv = 2501+ 1,82
ha = cpa kJ-----kg a.s.
Origen de referencia 0ºC 1 atm
Mezcla aire-vapor• La humedad se define como la masa de vapor de agua por
unidad de masa de aire seco.
• La humedad relativa es la relación entre la fracción molar del vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presión.
• En condiciones en que se cumpla la ley de los gases ideales, la humedad relativa también se puede expresar como el cociente entre la densidad del vapor de agua en el aire y la densidad del vapor de agua saturado a la temp. de bulbo seco del aire
Mezcla aire-vapor
• El calor húmedo es la cantidad de calor que es necesario aplicar para aumentar 1K la temperatura de 1kg de aire seco más la del vapor de agua presente en el mismo.
• El volumen específico de la mezcla se expresa en m3/kg de aire seco, es el volumen que ocupa 1kg de aire seco más el del vapor de agua presente.
Mezcla aire-vapor
• El fenómeno de saturación adiabática del aire se aplica en el secado de alimentos por convección.
• Ocurre en un ambiente completamente aislado al calor donde el aire se pone en contacto con una superficie de agua; en este proceso parte del calor sensible del aire que ingresa se transforma en calor latente.
Técnica de saturación adiabática
Mezcla aire-vapor• Generalmente se utilizan dos temperaturas de bulbo
húmedo: la Tºbh termodinámica y la Tºbh psicrométrica.
• La Tºbh psicrométrica es la que se alcanza cuando el bulbo de un termómetro de mercurio cubierto con un paño húmedo se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a elevadas velocidades (5 m/s).
• La Tºbh termodinámica se alcanza cuando se satura adiabáticamente aire húmedo mediante la evaporación del agua. Para el caso del aire húmedo ambas temperaturas son casi iguales.
Psicrómetro
BS - BH
gasa humedecida
BS BH
Aire
Psicrómetro normal
BSTª de bulbo seco
BHTª de bulbo húmedo
BS = BH aire saturado
BS - BH aire no saturadoMirando en tablas
BS >>> BH (BS - BH)
BS > BH (BS - BH)
disminuye
aumenta
Otros instrumentos de medida
Carta psicrométrica
Humedad relativa
60
H
um
ed
ad a
bso
luta
kg/
kg a
ire
se
co
20
Tª bulbo seco ºC
90 70 50 40 3060
-10 50-5 35 504540 55
30
25
20
15
-10
-5
0
5
10
10
0.005
0.000
0.010
0.015
0.020
0.025
Otras cartas psicrométricas
Ejemplos
• Utilizando la carta psicrométrica:
– Caracterizar el aire de 50°C y 20% de humedad relativa
– Caracterizar el aire de 30°C y 25°C de bulbo húmedo
Procesos psicrométricos
Torres de refrigeración
1
2
B
Agua caliente
Agua fría
A
Airefrío
Airecaliente
. . mB= mas . mB
. . mA= mas . mA
masa agua fríamB= ----------
kg aire seco
. . .mas ( 2 – 1) = mA - mB
Balance de materia
masa agua calientemA= ------------
kg aire seco
. . .mas (h2 – h1) = mAhA - mBhB
Balance de energía
Acondicionamiento de aire
Calentamiento
Enfriamiento
Ventilación
Humidificación
Deshumidificación
Purificación
Procesos deacondicionamiento
Adsorción por carbón
Lavadores de aire
Ventilación
Olores, gases
Secos
Viscosos
Precipitadores electrostáticos
Filtros
Polvos
Supresión
Calentamiento y enfriamiento sensible
1 2
2 1
.Q
BS 1 2
h 1
h 2
1= 21 2
. .Q = mas (h2 - h1) < 0
. m3 h3
3
BS 1 2
h 1
h 2
1
1
2
3
h 3
32
3
Mezcla adiabática de dos corrientes
. m2 h2
. m1 h1
1
2
h 3 - h 2 3 - 2---- = ------ ------
h 1 - h 3 1 - 3
. ma1 . ma2
• Balance energía
3 - 2---- = ------
1 - 3
. ma1 . ma2
• Balance materia
Enfriamiento con deshumidificación
1 2 3.QE
.QC
BS
h 1
h 2
1
1
2
h 3
32,3
1-2 Deshumidificación. . .QE = mas (h1 – h2) - mas ( 1 –2) hf2
2-3 Calentamiento. .Qc = mas (h3 – h2)
Humidificación
1
2
BS
h 1
h 2
1
2
21
Adición de vapor
BS
h 1
h 2
1
1
22
2 1
Inyección de agua líquida
h1 + (2 – 1) hf = h2
h1>> (2 – 1) hf
h 1 h 2
1 2agua
Tela mojada
Enfriamiento evaporativo
BS
h 1=h 2
1
1
2 2
2 1
2´
Ejemplo
• Calcular la energía necesaria para calentar en forma sensible10 kg/s de aire a 30ºC de temperatura de bulbo seco y 80% de humedad relativa hasta alcanzar una temperatura de bulbo seco de 45 ºC.