Date post: | 18-Nov-2014 |
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John R. AgudeloProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Psicrometría: ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano, así como los métodos para controlar las características térmicas del aire húmedo.
Composición estándar del aire seco
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Humedad relativa
Es la relación del vapor de agua real en el aire, comparado a la máxima cantidad que estaría presente a la misma temperatura, expresada como un porcentaje (%).
g
v
vg
vv
g
v
P
P
TRP
TRP
m
m
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
v
g
p
p
Humedad específica
Representada con el símbolo w, se define como elcociente entre la masa de vapor contenida en el aire yla masa de aire seco.
seco aire de kg
agua de vapor de kg
a
v
m
mw
a
v
p
pw 622,0
va ppp
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
0,622 v
v
pw
p p0,622
g
g
pw
p pv
g
p
p
El aire húmedo
El aire húmedo se supone que está constituido por unamezcla de aire seco y vapor de agua. Si llamamos ma a lafracción de aire seco y mw a la fracción de vapor de agua,se cumplirá:
v am m m
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
m a v a a v vH H H m h m h
m a vh h wh En kJ/kg de aire seco
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
m a vh h wh
,a pa ref a refh c T T h
,v g ref pv refh h c T T
Asumiendo como referencia: ha, ref = 0 para Tref = 0 C para el aire yhg, ref = 2501.7 kJ/kg para T Tref = 0 C para el agua
1.005ah T C
2501.7 1.82vh T C
1.005 2501.7 1.82mh T C w T C
Volumen específico del aire húmedo:
Referido a masa de aire seco
a a a
as a a a v
VR T R T R TVv
m p V p p p
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Temperatura de bulbo secoEs la temperatura medida con un termómetro ordinario.
Temperatura de bulbo húmedoEs la temperatura que resulta de la evaporación del agua, en una gasa húmeda, colocada sobreun termómetro común.
T° Bulbo seco T Bulbo húmedo
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Temperatura de rocío
• Temperatura del aire tras enfriarse hasta alcanzar saturación• a w = cte• a p = cte
• Es la temperatura de saturación, a la cual tiene lugar la condensación del vapor de agua
Sin cambio en la presión de vapor
• Procedimiento de cálculo
• Presión de vapor:
• Temperatura de saturación a pv
• Tablas del agua
• Cálculo: 2858.10log
56.2148log85.35
v
vr
p
pKT
w
wppv
622.0
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
1
1,
1,
w
h
m
m
a
3
3,
h
ml
2,
2,
2,
sat
m
a
w
h
m
Saturador adiabático
pp
pw 622.0
vTg
v
p
p
vam CTCTh 8.17.2501005.1
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Balances
22,33,11,0 vaalvaa whhmhmwhhm
1
1,
1,
w
h
m
m
a
3
3,
h
ml
2,
2,
2,
sat
m
a
w
h
maaa mmm
2,1,
3,1,2, lvv mmm
123, wwmm al
2,22,3,121,11,0 valva hwhhwwhwh
2,2,1,1,
2,2,2,1,2,,
3,1,
3,2,212,
3,1,
3,2,21,2,
1
bhfbsg
bhfgsatbsbhap
lg
lgap
lv
lvaa
ThTh
ThwTTc
hh
hhwTTc
hh
hhwhhw
bhg
bhg
satTpp
Tpw
2,
2,
2, 622.0
Dichas propiedades esenciales del aire son:
Temperatura de bulbo seco.Temperatura de bulbo húmedoTemperatura del punto de rocíoHumedad relativaHumedad específicaContenido de humedad y volumen específicoEntalpía de saturación.
La carta psicrométrica, es probablemente el mejor modo de mostrar lo que sucede al aire y al vapor de agua, cuando cambian estas propiedades.
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
La carta es publicada por ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers), y es la más comúnmente usada en la industria.
Para determinar todas las propiedades del aire húmedo, sólo se necesita conocer dos de lasanteriores propiedades y el resto de ellas sepueden encontrar con facilidad
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Composición diagrama psicrométrico
Líneas de humedad absoluta oespecífica
La escala de la humedad absoluta es laescala vertical (ordenada) que seencuentra al lado derecho de la carta psicrométrica.
Las líneas de humedad absolutaCorren horizontalmente de derecha aIzquierda.Se puede ver que la cantidadde humedad en el aire depende delpunto de rocío del aire. Líneas de humedad absoluta en gramos/Kg
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Líneas de humedadrelativa
Las líneas de humedad relativa
constante, son las líneas curvas
que se extienden hacia arriba y
hacia la derecha. Se expresan
siempre en tantos por ciento, y
este valor se indica sobre cada
línea.
Líneas de humedad relativa %
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Líneas de temperatura delbulbo seco constante
Esta escala es la horizontal (abscisa),en la parte baja de la carta, según semuestra en la figura. Las líneas quese extienden verticalmente, desdela parte baja hasta la parte alta de lacarta.
Son constantes porque cualquierpunto a lo largo de una de estaslíneas corresponde a la mismatemperatura de bulbo seco indicadaen la escala de la parte baja.
Líneas de temperatura de bulbo seco C
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
líneas de temperatura debulbo húmedo constantes
Corren diagonalmente deizquierda a derecha y de arribahacia abajo, en un ángulo deaproximadamente 30° de lahorizontal. También se lesdice constantes, porque todoslos puntos a lo largo de una deestas líneas, están a la mismatemperatura de bulbo húmedo.
Líneas de temperatura de bulbo húmedo °C
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Líneas de volumenespecífico constante
Estas líneas están en un ánguloaproximado de 60° con lahorizontal, y van aumentandode valor de izquierda aderecha.
Por lo general, el espacio entrecada línea, representa uncambio de volumen específicode 0.05 m3/kg. Cualquier puntoque caiga entre dos de estaslíneas, naturalmente debe serun valor estimado.
Líneas de volumen específico en m³/kg de aire seco
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Líneas de temperatura puntode rocío
La escala para las temperaturas depunto de rocío es idéntica que laescala para las temperaturas deBulbo húmedo; es decir, es lamisma escala para ambaspropiedades. Sin embargo, laslíneas de la temperaturade punto de rocío correnhorizontalmente de izquierda aderecha. Líneas de temperatura de punto de rocío C
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Líneas de entalpía
Estas líneas, son meramente
extensiones de las líneas de
bulbo húmedo; puesto que el
calor total del aire depende
de la temperatura de bulbo
húmedo.
Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Mezclas de aire
• Modificación de Temperatura y humedad en una corriente• Mezcla de varias corrientes
Ecuaciones• Balance de masa de aire seco:
• Balance de masa de vapor de agua:
• Balance entálpico:
Transformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
• Recta de Maniobra (RM):
Clasificación de la RM:
1. Calentamiento: RM = +∞2. Enfriamiento: RM = -∞3. Humidificación adiabática: RM = 04. Deshumidificación adiabática: RM = 05. Aportación de calor y humidificación: RM > 0
a. Con ↑ Tb. Con ↓T
6. Sustracción de Q y humidificación: RM < 07. Aportación de Q y deshumidificación: RM < 08. Sustracción de calor y deshumidificación : RM > 0
a. Con ↓Tb. Con ↑ T
Posibles Transf. Psicrom. de una corriente de aire húmedo
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
• RM ± ∞: calentamiento y enfriamiento con w = cte
2,2,2,2,1,1,1,1,0 vvaavvaa hmhmhmhmQ
211,11,2,22, wwhwTCmhwTCmQ gapagapa
• RM = 0 • Humidificación para zonas secas y frías• Deshumidificación para zonas húmedas y cálidas
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
• RM = 0 • Humidificación para zonas secas y frías• Deshumidificación para zonas húmedas y cálidas
23
320
hhmhm
hmhmhm
avv
avva
23,
23,
2,3,,
wwmm
mwmwm
mmm
ainyv
aainyv
vvinyv
Balance de masa:
Balance de energía:
w
Tbs
1 2
3
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
RM > 0: Aportación de calor y humidificacióna. Con ↑ Tb. Con ↓T
Humidificador doméstico: Pasa la corriente a través de una bandeja con agua de la red, provista de bandejas eléctricas de inmersión
5b
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
RM < 0: Sustracción de calor y humidificación (Enfriamiento Evaporativo)
w
Tbs
1
2
3
Temperatura de bulbo húmedo
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
RM < 0: Aportación de calor y deshumidificación
w
Tbs
12
3
44’ 4’’
Supongamos que el aire frío transportado tiene una temperatura de 12.8°C la cual será probablemente también la temperatura superficial exterior del ducto metálico, asumamos también que la temperatura del aire ambiente alrededor del ducto está a 35°C con 0.0142 kg de vapor de humedad.
Esta condición del aire exterior implica una temperatura de saturación (punto de rocío) 19.4°C, cualquier superficie que posea una temperatura por debajo del punto de rocío provocará inminentemente la condensación y la única forma de evitarlo es a base de aislamiento
Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica
En los ciclos de climatización de aire, este se mezcla con el aireexterior y el de retorno. El aire mezclado estará a una temperaturamenor a la del exterior y algo mayor a la del retorno del cuarto.
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Balance de masa de aire seco
Siendo:
gap whTCh ,
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Eliminando la masa de aire en 3:
Cálculo de entalpía y humedad específica con “regla de la palanca”
13
32
2,
1,
ww
ww
m
m
a
a
13
32
2,
1,
hh
hh
m
m
a
a
Cálculo de Temperatura de la mezcla:
La introducción del 100% de aire exterior no es práctico, desde el punto de vista de costo operacional, se debe mezclar el aire exterior requerido, con un porcentaje de aire de retorno, antes de calentarlo o enfriarlo.
Por ejemplo, si se mezclan 3.68 m³/min de aire exterior a 35°C de bs y 24 ° C de bh, con 7.36 m³/min de aire de retorno a 27 ° C de bs y 19 ° C de bh:
El flujo total del aire será de 11.04 m³/min. Esto dará una relación
de mezcla de 33.3% de aire exterior y 66.7% de aire recirculado
(con base a volumen).
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
En la carta psicrométrica trazamos las condiciones del aire como se muestraen la figura
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Para determinarla temperatura de bulbo seco de la mezcla:
CC
CC
09.1867.027
55.1133.035Temperatura de bulbo seco de la mezcla = 29.64°C
Para encontrar la temperatura de bh de la mezcla resultante,se localiza el punto donde la línea de la mezcla cruza la línea constante de temperatura de bsde 29.64°C. Este punto (3) es la condición de la mezcla,y de aquí podemos seguir la línea constante de temperaturade bh hacia la izquierda, hasta donde cruza la escala paraencontrar la temperatura de 20.8°C
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
Calor sensible (qsens) y Calor latente (qlat)
CTTwTCph
CTTwTCph
a
a
º82.17.2501
º82.17.2501
2222
1111
Calor latente (Incorp. ó sustracc. de agua a Temp. inicial):
CTTwwqlat º82.17.2501 112
Calor sensible (Calentamiento o enfriamiento de la masa final):
122 TTCpwCpq vasens
Factor de Calor Sensible (FCS)
Es la relación de calor sensible con respecto al calor total, siendo este último
la suma de los calores sensible y latente. Esta relación se expresa:
En una carta psicrométrica, los valores del factor de calor sensible (FCS),
corresponden a la escala vertical del lado derecho de la carta, paralela a la
escala de humedad absoluta.
1212
1hh
q
hh
qFCS latSens
Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire
fgwwgaa
wwgaa
wwmawwma
salidaentrada
hhhmhwhm
hmhwhm
hmhmhmhm
hmhm
4,4,2,22,2,
3,3,1,11,1,
4,4,2,2,3,3,1,1,
Torres de Refrigeración
123,4, wwmmm aww
John R. AgudeloProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica