1

INGENIERIAINGENIERIA

MECANICAMECANICA

PsicrometríPsicrometrí

aa

2

ContenidosContenidos

Introducción

Comportamiento de una sustancia pura

Relación de humedad y humedad relativa

Temperatura de rocío

Entalpía del aire húmedo

Saturación adiabática

La carta psicrométrica

Procesos psicrométricos elementales

Confort térmico

Procesos de acondicionamiento

3

1.- Introducción (I): la composición del aire 1.- Introducción (I): la composición del aire atmosféricoatmosférico

Aire atmosférico= aire seco + vapor de agua (0-4%)

Composición del aire seco

4

1.- Introducción (II): diagrama P-v de una sustancia 1.- Introducción (II): diagrama P-v de una sustancia purapura

El diagrama P-v

Interés en la zona de

condensación

Regiones bifásicas: Líneas de

saturación

Observar forma isotermas

T=cte, P=cte en cambios de

fase

Punto crítico: punto de

inflexión en la isoterma crítica

Trazar líneas y leer datos

Volumen específico

Presión (kPa)

100ºC

101.3

22090

10000

311ºC

374.14ºC

A

D

BCG

F E

Diagrama P-v

Sustancia TC, ºC PC, kPaAgua AireRefrigerante 12 Refrigerante 134a

374.14-140112101

22090377041204070

5

1.- Introducción (II)1.- Introducción (II)

En la zona de operación de arquitectura, los estados termodinámicos del

aire seco y vapor de agua se encuentran en situaciones diferentes con

respecto a sus respectivas curvas de saturación

Zona de operación en Arquitectura

AIRE SECO

T, ºC

45-10

PC=4·106 Pa

TC=-140 ºC

TR=2.2, PR=0.025

v(m3/kg)

P a=1

05 Pa

v (m3/kg)

VAPOR DE AGUA

PC=2.2·107 Pa

TC=374 ºC

P V=6

·102

Pa

TR=0.45, PR=3·10-5

RC

RC

TT

T

PP

P

6

1.- Introducción (V)1.- Introducción (V) La ecuación de estado para el aire húmedo:

Valores de las constantes características:

Presiones parciales:

) ( )a va v a a v v

a v

m mPV=nRT=(n n RT RT m R m R T

287 /( · ); 462 /( · )a vR J kg K R J kg K

a aa

a vv v

v

m R TP=

V P P Pm R T

P=V

7

2.- Relación de Humedad y Humedad Relativa2.- Relación de Humedad y Humedad Relativa Establecer cantidad de vapor en aire húmedo

Relación de humedad

MAX a T dada: MAX(20ºC)=0.0147 kg v/kg a.s.

Humedad relativa

Cantidad de Humedad que el aire contiene (mv) en

relación con la cantidad máxima de humedad que el aire

puede contener a la misma temperatura (mg)

Importante: TS - PS conocidas para T (tablas)

Necesidad de medir Pv

Relación

v

v

PP

P

622.0ωmasa vapor de agua

masa aire secoω

v

s

P

P masa vapor de agua

masa vapor en aire saturado a misma T

VAPOR

t

v

P=P S

(t=t 1)

P=P V

t1

0.622 ( )

0.622 ( ) ( )s

s s

P P T

P T P P T

8

3.- Temperatura de Rocío3.- Temperatura de Rocío Enfriamiento a PV= cte hasta

condensación

Ir de A a B por camino rojo.

La t a la que la PV es la de saturación a esa t

Conocer tr obtener tablas PS conocer PV

No es fácil de medir.

Ejemplo de aplicación: ¿a qué temperatura se empañarán los cristales?

PV del aire interior:

La tr será:

VAPOR

t

v

P=P V

t1

tr

A

B

AIRE interior20ºC; 75%

AIRE Exterior10ºC

16ºC 16ºC

18ºC

20ºC 20ºC

18ºC

(20º ) 0.75 2.34 1.75v SP P C kPa kPa

( 1.75 ) 15.3 ºr St t P kPa C

Tablas

9

4. Entalpía del aire húmedo (I)4. Entalpía del aire húmedo (I) Sistemas abiertos: intercambian masa y energía Régimen estacionario

Estado y velocidad interior constantes m1=m2 Q y W no varían en el tiempo

Efecto: llevar dm de 1 a 2

Intercambios con exterior:

Igualamos, dividimos por dm y reordenamos:

2 212 1 2 1 2 12( ) ( ) ( )dm u u dmg z z dm c c

1 1 2 2Q W PdV P dV

2 212 1 2 1 2 12( ) ( ) ( )q w h h g z z c c

2 212 2 2 1 1 1 2 1 2 12[( ) ( )] ( ) ( )q w u P v u Pv g z z c c

q absorbido se utiliza: producir trabajo, modificar la entalpía, e. potencial y cinética entre entrada y salida.

1F

1

2

A B

dx2

A’ B’

2F

dx1 z1

Q

W

Volumen Control

z2

10

4.- Entalpía del Aire Húmedo (II)4.- Entalpía del Aire Húmedo (II) En muchos de los procesos de acondicionamiento puede

despreciarse el incremento de la energía mecánica:

Para gases ideales, la entalpía es una función exclusiva de la temperatura y de la capacidad calorífica del gas a presión constante

Aire húmedo: mezcla de gases ideales: aire seco y vapor de agua:

Estado de referencia (entalpía cero) para el aire seco:

2 1( )q w h h

va HHH va hhh ωPor unidad de masa de a. seco

0 0( ) ( ) ( )ph T h T c T T 1p

p cte

Qc

m T

0 0 1.005 /( ·º )

( ) º

a pa

a pa

t h c kJ kg C

h t c t t en C

11

4.-Entalpía del aire húmedo (III)4.-Entalpía del aire húmedo (III) Estado de referencia para el agua:

Expresión final para la entalpía específica del aire húmedo

Es función tanto de la temperatura como del contenido en humedad

t

v

P V=c

te

t

0ºC

D

B A

C

0( , ) ( )pa pv vh t c t c t L

0

0

1.82 /( ·º )0º , 600 ,

2500 /

( ) ; º

pvv

v

v v pv

c kJ kg Ct C P Pa

L kJ kg

h t L c t t en C

liquido saturado

12

5.- La Cámara de Saturación Adiabática (I)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (I)

Saturación adiabática conocer 1, 1

Aumenta humedad

Desciende tS

tr < ts < t2

Aire saturado tr = ts = t2

Medir ts y t2 calcular 1, 1

Conservación masa y energía

Reposición de agua evaporada a t2

t

v

P=P S

(t 2)

t1

tr

C t2

P=P V

Agua líquida de reposición a t2

Aire nosaturado1, 1, t1

Temperatura secaAgua líquida a t2

Temperaturade saturaciónadiabática

Aire saturado2=1, 2, t2

13

5.- La Cámara de Saturación Adiabática (II)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (II) Conservación masas

Aire seco

Vapor

Conservación de la energía

Proceso adiabático

No realiza trabajo

La entalpía del aire de entrada y de salida

son prácticamente iguales

mf, t2

1,1,t1,

ma1

Agua líquida a t2

2=1, 2, t2,,

m2

2 1( )f am m

1 2a a am m m

1 1 2 2a f f am h m h m h

a vh h h

2 1 21 2

1 1

v f a a

v f v f

h h h h

h h h h

2( )vL t1 22

1 21 2 2 1 2 2

( )( )

( ) ( ) ( ) ( )pav

pv v pv v

c t tL t

c t t L t c t t L t

14

5.- La Cámara de Saturación Adiabática (III)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (III) Medir t1 y t2

Simplificamos

El psicrómetro:

Temperatura de bulbo seco

Temperatura húmeda

22

2

( )0.622

( )s

s

P t

P P t

1 221 2

1 2 2 1 2 2

( )( )

( ) ( ) ( ) ( )pav

pv v pv v

c t tL t

c t t L t c t t L t

Determinamos

1 2 2( ) ( )pv vc t t L t 1 2 1 22

( )( )pa

v

ct t

L t

2 1( ) v h

h spa

L tt t K con K

c ω ω

Mecha húmeda

Entrada de aire

Salida de aire

ts th

15

6.- La Carta Psicrométrica (I)6.- La Carta Psicrométrica (I) Para P dada, el estado del a. h. está dado por dos prop.

intensivas independientes, como y tseca Construir carta psicrométrica

Líneas: estados con una propiedad común Evita cálculos Visualiza procesos acond. Visualiza las zonas de confort

Línea de saturación, = 100%

Temperatura seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

= cte

th = cteh = cte

v = cte

Rangos habituales:

t: -10 - 45 ºC

: 0 - 0.025 kg v./ kg de a.s.

th: -10 - 30 ºC

h: 17 - 110 kJ/ kg de a.s.

v: 0.775 - 0.900 m3 de a.h./kg a.s.

16

6.- La Carta Psicrométrica (II)6.- La Carta Psicrométrica (II) Líneas: estados con una propiedad común

=cte

th=cte

h=cte

v=cte

Línea de saturació

n, = 100%

Temperatura seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

= cte

th = cteh = cte

v = cte

BtAtttL

ct h

hv

pahs ωωω

1 2

0.6220.622 a

a

R TVv= ω ω K K t

m vP

( ) ( )ω ωs h s h l s hh h t t h h h t

( ) ( )( ) 0.622 ( , ) 0.622 ( )

( ) ( )ω ω ωs s

s ss s

P t P tt t t

P P t P P t

17

Línea de saturación, = 100%

Temperatura seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

Hum

idific

ació

n De

shum

idific

ació

n

CalentamientoEnfriamiento

7.- Procesos Psicrométricos Elementales (I)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (I) Procesos de flujo estacionario

Conservación de la masa de aire

Conservación masa de agua

Conservación de la energía

a aEntrada Salida

m m

v f v fEntrada Salida

m m m m

a f f a f fSalida Entrada

Q W m h m h m h m h

18

7.- Procesos Psicrométricos Elementales (II)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (II) Calentamiento y enfriamiento sensible ( = cte)

Ecuaciones de balance

)(

ωω

12

2121

21

hhmQ

mm

mmm

a

vv

aaa

Temperatura seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

1 21=2

h1

h2

t1 t2

Serpentín de calentamiento

Qt1, 1, 1

t2>t1, 1= 2, 2< 1

El enfriamiento en sentido contrario

19

7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Calentamiento con humidificación

Ecuaciones de balance

ffa

afvfv

aaa

hmhhmQ

mmmmm

mmm

)(

ωω

12

1221

21

Serpentín de calentamiento

Qt1, 1, 1

t2, 2> 1,2

Zona de calentamiento Zona de humidificación

Aire

Agua liquida

Temperatura seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

1

2

1

t1 t2

2

Humectación adiabática o enfriamiento evaporativo

th=cte

20

7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Enfriamiento con deshumidificación

Ecuaciones de balance

Serpentín de enfriamiento

Qt1, 1, 1

t2, 2< 1,2=100%

Salida de agua

Aire

ffa

afvfv

aaa

hmhhmQ

mmmmm

mmm

)(

ωω

21

2121

21

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

1

2 1

h1

h2

t1 t1tr

2

Curva de estado del acondicionador

21

7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Mezcla adiabática de corrientes

Ecuaciones de balance

ma1 1

h1

ma2 2

h2

ma3 3

h3

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

1

2

3

h1

h2

t1 t1

23

h3

1

t3

1 2 3

1 1 2 23

1 2 1 2 3 2 3

1 1 2 2 2 3 1 3 13

1 2

a a a

a a

a a a

a a a

a a

m m m

m m

m m m h h ω ω

m h m h m h h ω ωh

m m

3 Centro de masas de 1 y 2

22

7.- Procesos psicrométricos elemenales (IV)7.- Procesos psicrométricos elemenales (IV) TORRES DE ENFRIAMIENTO:

Reutilización de agua Prevención de contaminación

térmica El agua sirve de medio de

transporte de calor entre la fuente (condensador) y el sumidero (la atmósfera)

Una pequeña fracción del agua se evapora y enfría el agua restante

Pueden ser de tiro forzado o de tiro natural

Precedente: estanques de rocío

Salida de aire

Entrada de aire

Agua

caliente

Agua

fría

Torre de enfriamiento a contraflujo de tiro

inducido

23

7.- Procesos psicrométricos elementales (V)7.- Procesos psicrométricos elementales (V) Torre de enfriamiento de tiro

natural El aire húmedo del interior es

más húmedo, y por tanto, más ligero que el exterior

La convección se ve también favorecida por el efecto venturi. Salida de aire

Entrada de aire

Agua

caliente

Agua

fría

Estanque de rocío Requieren de 25 a 50 veces el

área de una torre de enfriamiento

Pérdidas de agua debidas al arrastre del aire altas

No tienen protección contra el polvo y la suciedad.

Agua

caliente

Agua

fría

24

8.-Confort térmico (I)8.-Confort térmico (I) Intercambio de calor con el ambiente

Cuando la temperatura de la piel (33-34ºC) es distinta que la temperatura del aire y de las superficies: Mecanismos de transmisión más importantes: Convección y radiación

Transpiración y respiración: intercambios de calor por evaporación Se determina por el balance entre la producción metabólica de calor y las

pérdidas por convección y radiación Producción de calor

Metabolismo Actividad física Vestuario

Parámetros fisiológicos relacionados con el confort: Temperaturas internas y de la piel Ritmo cardiaco Ritmo de transpiración

Sensación de confort: Calor producido igual calor cedido al ambiente

25

8.- Confort Térmico (II)8.- Confort Térmico (II) Metabolismo

Ropa

Producción energía metabólica Actividad W/m2 met

Acostado 46 0.8 Sentado 58 1.0 Oficina 70 1.2 Actividades domésticas 117 2.0 Tenis 290 5.0 Squash 406 7.0

Resistividad térmica Clase de ropa m2K/W clo

Sin ropa 0.00 0 Shorts 0.02 0.1 Ropa de verano 0.08 0.5 Ropa de invierno (int.) 0.16 1.0

26

8.- Confort Térmico (V)8.- Confort Térmico (V) Propiedades del ambiente relacionadas con el confort

Temperatura del aire del recinto

Velocidad del aire

Humedad relativa Sequedad/sudoración

(evaporación)

Temperatura de las paredes Radiación(temperatura radiante media)

La influencia de estos parámetros no es la misma

El número de parámetros puede minimizarse definiendo “temperaturas integradas”

Convección

27

8.- Confort térmico (V bis)8.- Confort térmico (V bis) Definición de temperatura radiante:temperatura radiante:

44 273 273r pi i

n

t F t ti: temperatura superficie i (ºC)

Fpi: factor de forma

28

8.- Confort térmico (V bis /y2)8.- Confort térmico (V bis /y2) Definición de:

Temperatura operativa: Misma sensación con el

mismo nivel de velocidad de aire y humedad relativa

Temperatura

equivalente: Misma sensación con aire parado e igual humedad relativa

Temperatura efectiva: misma sensación con la misma velocidad de aire y humedad relativa al 50%

29

8.- Confort térmico (VI bis /y2)8.- Confort térmico (VI bis /y2) Malestar térmico local

Enfriamiento local por convección (turbulencias)

Enfriamiento/calentamiento por asimetría en la radiación Asimetría de temperatura radiante por ventanas frías menor de

10ºC Asimetría de temperatura radiante por techos calientes menor de

5ºC Diferencia vertical en la temperatura del aire (3ºC máximo

cabeza-pies)

Temperatura incómoda del suelo (19-29ºC)

30

8.-Confort térmico (VII)8.-Confort térmico (VII)

Diagramas de Baruch Givoni

Intervalo de temperaturas: 18 a 25ºC (invierno) y 20-27ºC (verano)

Para humedad alta el límite superior de temperatura desciende progresivamente

En países cálidos pueden estimarse 2ºC más en la temperatura superior y 2g de vapor por kg de aire seco más en la relación de humedad

Intervalo de condiciones de confort aceptable en verano para países

cálidos

20ºC 29ºC

17g/kg a s

4g/kg as

31

8.- Confort térmico (VIII)8.- Confort térmico (VIII)

Intervalo de condiciones para el aire exterior que pueden dar lugar

a confort en el interior con ventilación diurna (v= 2 m/s)

20ºC 33ºC

19g/kg a s

4g/kg as

Mejora del confort con ventilación diurnaventilación diurna

Se trata de aumentar la velocidad del aire en el interior

Se extiende el límite superior de temperatura y humedad

Las condiciones interiores tienden a asemejarse a las externas

32

8.-Confort térmico (IX)8.-Confort térmico (IX)

Estrategias de refrigeración por ventilación nocturnaventilación nocturna

Es más eficaz para edificios bien aislados

Proporcional a la diferencia entre la máxima y mínima externa

El rango de temperaturas externas decrece con la humedad

Condiciones del aire externo en las que se recomienda aplicar

la refrigeración por ventilación nocturna

20ºC 36ºC

17g/kg as

4g/kg as

33

8.-Confort térmico (X)8.-Confort térmico (X) Estrategia de refrigeración por

enfriamiento evaporativoenfriamiento evaporativo Puede ser directo o indirecto La temperatura del aire puede

bajar hasta un 80% de la diferencia entre las temperaturas seca y húmeda

Es eficaz para climas cálidos y secos (temperatura húmeda máxima: 22ºC-24ºC; temperatura seca máxima (42-44ºC)

La temperatura del aire refrigerado será de 26-27ºC

La temperatura del interior 28-29 ºC

Límites para la aplicación del enfriamiento

evaporativo

20ºC 36ºC

17g/kg as

4g/kg as

44ºC

24ºC

34

8.-Confort térmico (XI)8.-Confort térmico (XI) Resumen de estrategias de refrigeración pasiva

35

9.- Procesos de acondicionamiento (I)9.- Procesos de acondicionamiento (I) Cargas latentes y sensibles de un espacio

0 1

2 0

s a

L a

Q m h h

Q m h h

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

2

1

h2

h1

t1 t2

2

0

h0

1

S

a

Q

m

L

a

Q

m

Radiación solarSQ

Infilt

ració

n

Tran

smisi

ón p

or c

ondu

cció

n

Espacio t2, 2 SQ

SQ

LQ

SQ

Carga interna LQ

Salidade airet2, 2

Espacio t2, w2 am

SQLQ

Aire deimpulsión

t1, 1

am

36

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

2

t0

0

1

1

1

Línea de relación de carga

Posibles estados aire impulsión

9.- Procesos de acondicionamiento (II)9.- Procesos de acondicionamiento (II) Línea de relación de carga de un espacio

2 1

2 1002 2

0

( ) ( )

( )( ) ( )

s a pa 1 pv

pah L pah1 2

s vL a pv v 1

v

Q m c ω c t t

c Q cω ω t t

Q LQ m c t L ω ω

L

37

9.- Procesos de acondicionamiento (III)9.- Procesos de acondicionamiento (III)

Curva de estado de un acondicionador

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

Curva de estado de un acondicionador ideal

Temp. seca, t

Rela

ción

de h

umed

ad,

Curva de estado de un acondicionador real

38

9.- Procesos de acondicionamiento (IV)9.- Procesos de acondicionamiento (IV)

Acondicionamiento de un recinto

Temperatura seca, t

Esquema del proceso de acondicionamiento en el

diagrama sicrométrico

162

5

4

Relación de humedad,

Curva de estado del acondicionador

Línea de relación de carga del espacio

Esquema del sistema acondicionador-recinto

ACONDICIONADOR

tt22,,22

ESPACIO

tt11,,11

tt44,,44

tt22,,22

tt55,,55

Aire exterior(ventilación)

Aire recirculado

Aire renovadoAire deimpulsión

11

66

55

44

22

tt22,,2233

39

Se quiere mantener un recinto en verano en las condiciones de confort t2= 24ºC y humedad relativa 60%. Las condiciones del aire exterior son t4= 35ºC y temperatura húmeda th4= 24ºC. La carga sensible del recinto se ha estimado en Qs=50.000 kJ/h y el aporte de humedad al recinto es 15 kg/h. Los caudales de aire recirculado y exterior coinciden y son V2=3000 m3/h y V4= 3000 m3/h. Comparar las dos opciones de refrigeración propuestas.

ACONDICIONADOR

tt22=24ºC=24ºC

tt11,,11

tt44,,44

tt22,,22

tt55,,55

Aire exterior(ventilación)

Aire recirculado

Aire renovadoAire deimpulsión

11

55

44

22

tt22,,2233

Qs=50000 kj/hmw= 15 kg/h

ACONDICIONADOR

tt22=24ºC=24ºC

tt11,,11

tt44,,44

tt22,,22

tt55,,55

Aire exterior(ventilación)

Aire recirculado

Aire renovadoAire deimpulsión

11

55 44

22

tt22,,2233

Qs=50000 kj/h

mw= 15 kg/h

40

En primer lugar, de la carta psicrométrica, obtenemos las propiedades termodinámicas de los estados de aire en el interior del recinto, y calculamos el flujo de aire seco que se impulsa al recinto. Este primer caso es común a los dos supuestos:

0.0115

53

0.0144

72.5

2

4

0.856 0.893

3

2 3

3

4 3

1 5 2 4

3000 m a.h./ h3505 kg a.s./h

0.856 m a.h./ kg a.s.

3000 m a.h./ h3359 kg a.s./h

0.893 m a.h./ kg a.s.

6864 kg. a.s/h

a

a

a a a a

m

m

m m m m

41

Con el balance de agua y energía en el recinto, obtenemos las condiciones del aire de impulsión (común en los dos supuestos):

0.0115

53

0.0144

72.5

2

4

0.856 0.893

0.0093

48.5

41.3

01

1 1 2 2 1

0

1 0 1 1

1 1

0.0093 kg v./kg a.s

48.5 kJ/kg a.s

( ) 41.3 kJ/kg a.s

17 ºC y 80%

w a a

s a

m m m

h

Q m h h h

t

42

En el supuesto 1, el aire recirculado y de ventilación se mezclan a la entrada del acondicionador. Obtenemos las propiedades del aire a la salida y hacemos balance en el acondicionador de agua y energía:

0.0115

53

0.0144

72.5

2

4

0.856 0.893

0.0093

48.5

41.3

01

0.01295

61.5

2 2 4 45

2 4

5

5 5 1

5 1 5

0.0129 kg v./kg a.s.

61.5 kJ/kg a.s.

Agua condensada en el acondicionador:

( ) 24.7 kg/h

Calor cedido al refrigerante:

( ) 138653 kJ/h=38.5 kw

a a

a a

c a

cedido a

m m

m m

h

m m

Q m h h

43

En el segundo supuesto, el aire a la salida del acondicionador, donde solo entra el aire exterior, se mezcla con el aire recirculado para obtener el aire que se impulsa. Podemos obtener las propiedades del aire a la salida del acondicionador y hacer balance de agua y energía en el mismo:

0.0115

53

0.0144

72.5

2

4

0.856 0.893

0.0093

48.5

41.3

01

0.0124

50.007

26.5

1 1 2 25

1 2

5

4 4 5

4 5 4

0.007 kg v./kg a.s.

21.5 kJ/kg a.s.

Agua condensada en el acondicionador:

( ) 24.9 kg/h

Calor cedido al refrigerante:

( ) 154560 kJ/h=42.9 kw

a a

a a

c a

cedido a

m m

m m

h

m m

Q m h h

44

9.- Procesos de acondicionamiento (V)9.- Procesos de acondicionamiento (V)

45

10.- Carta psicrometrica del Cusco10.- Carta psicrometrica del Cusco

46

11.- Aplicaciones de la carta del Cusco.11.- Aplicaciones de la carta del Cusco.

Tesis

Túnel de viento subsónicoBomba de calor para deshidratado de

productosAcondicionamiento de crianza de cuyes

utilizando E. R.

47

48

Carta psicrometrica del cuscoCarta psicrometrica del cusco