John Ramiro Agudelo SantamaríaProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica
Conceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire
Conceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire
Se define psicrometría como la 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.
Lo anterior, se puede llevar a cabo a través del uso de tablas psicrométricas o de la carta psicrométrica.
Para el estudio de la psicrometría se debe tener conocimiento de los siguientes términos básicos:
AtmósferaEl aire que esta alrededor de nosotros, se compone de una mezcla de gases secos y vapor de agua. Los gases contienen aproximadamente 77% de nitrógeno y 23% de oxígeno, con otros gases que totalizan menos del 1%. El vapor de agua, existe en muy poca cantidad, así que esmedido en granos o libras, (una libra contiene 7.000granos)
Composición del aire seco (sin vapor de agua)
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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:
aw mmm
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Supongamos que podamos separar el aire seco y el vapor de
agua. Debe cumplirse por la Ley de DALTON que la suma de
presiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en el
aire atmosférico.
wa ppp
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Temperatura de bulbo secoEs la temperatura medida con un termómetro ordinario.
Temperatura de bulbo húmedoEs la temperatura que resulta de la evaporacióndel agua, en una gasa húmeda, colocada sobreun termómetro común.
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T° Bulbo seco T Bulbo húmedo
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Temperatura de punto de rocío
Es la temperatura de saturación, a la cual tienelugar la condensación del vapor de agua. Unejemplo es la humedad sobre un vaso de aguacon hielo. El vidrio frío reduce la temperatura delaire por debajo del punto de rocío y la humedadque se condensa forma gotas sobre la superficiedel vidrio.
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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
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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
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Volumen específicoEs el número de metros cúbicos, ocupados por un kilogramo de la mezcla de aire y vapor de agua.
Calor sensibleEs la cantidad de calor seco, expresado en Btu por libra de aire; se refleja por la temperatura de bulbo seco.
Calor latenteEs el calor requerido para evaporar la humedad que contiene una cantidad específica de aire. Esta evaporación ocurre a la temperatura de bulbo húmedo. También, se expresa en Btu por libra de aire.
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Calor total
El contenido de calor total de la mezcla de aire y vaporde agua, también se conoce como entalpía. Es la sumade los valores de calor sensible y latente.
vvaava hmhmHHH
Al dividir por am
vav
a
va
a
hhhm
mh
m
Hh
)/( airekgkJhhh ga
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Una carta psicrométrica es la representación gráfica
de las propiedades termodinámicas del aire húmedo,
es decir, de la mezcla de aire más vapor de agua. Con
ella se pueden analizar gráficamente las propiedades
esenciales del aire lo cual facilita además la solución
de diferentes problemas termodinámicos.
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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.
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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 toda facilidad.
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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
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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 %
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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
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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
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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
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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
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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
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La combinación de enfriamiento y deshumidificación,
se encuentra en prácticamente todos los sistemas de
aire acondicionado.
La deshumidificación es la remoción del vapor de aguapresente en el aire. La cantidad del vapor de agua,presente dentro de una zona ocupada, variarádependiendo del número de personas presentes y desu actividad, de la condición del aire exterior entreOtros.
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Al enfriamiento y deshumidificación del aire paraconfort humano, se le conoce comúnmente como aireacondicionado.
Los procesos de acondicionamiento del aire como el
calentamiento, el enfriamiento, la humidificación y
deshumidificación se pueden mostrar gráficamente en
la carta.
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Asumiendo un puntocualquiera (A) enla gráfica, con unatemperatura y un factor dehumedad conocidos; si sefuera a calentar el aire sinañadir humedad, el punto semovería a la derecha sobre lalínea horizontal, mostrandoaumento en la temperaturade bulbo seco.
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Si se fuera a añadir
Humedad (humidificar) sin
cambiar la temperatura,
el punto se movería
verticalmente hacia
arriba, pero si se redujera la
Humedad (deshumidificar),
se movería verticalmente
hacia abajo.
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Si la muestra de aire anterior
se enfría lo suficiente,
eventualmente llegará un
instante en que se alcanza la
curva de saturación, punto B
de la figura , situación en
la cual no puede contener
más vapor de agua para la
condición dada y se
empezará a condensar algo
de ese vapor de agua.
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Asumamos que disponemos de una muestra de aire a 80°F (26.8°C) quecontiene 0.011libras de agua (punto A en el gráfico) al enfriarlo llegaremoshasta el punto B en el cual la temperatura es59.7°F (15.4°C) en donde esinminente la condensación correspondiendo a la temperatura del punto derocío.
Ahora, si la muestra se enfría más, porejemplo, hasta 50°F (10°C), la humedad se condensará siguiendo la línea de saturación hasta el punto C en donde tendrá un punto de rocío de 50°F y una humedad de sólo 0.0076 libras de agua.
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Un ejemplo práctico de este proceso, ocurre en un
ducto metálico de transporte de aire frío para
acondicionamiento del aire de un recinto, el cual pasa a
través de un área húmeda no a c o n d i c i o n a
d a .
¿ S u d a r á (condensación) el ducto y será
necesario aislarlo?
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Supongamos que el aire frío transportado tiene una temperatura de 55°F (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 95°F (35°C) con 0.0142 libras de humedad.
Esta condición del aire exterior implica una temperatura de saturación (punto de rocío) de 67°F (19.4°C), cualquiersuperficie 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.
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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.
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En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuenciase requiere mezclar aire a diferentes temperaturas deBulbo húmedo (bh) y de bulbo seco (bs), para lograr unadeterminada condición final de aire. La mayoría de lasaplicaciones de aire acondicionado comercial,requieren de un cierto volumen de aire exterior frescoque sea introducido al espacio ocupado.
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Puesto que 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).
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En la carta psicrométrica trazamos las condiciones del aire como se muestraen la figura
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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
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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.
T
S
LS
S
Q
Q
QFCS
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co
Co ¿La humedad relativa del aire saturado necesariamente es del 100%?
¿Cuál es la diferencia entre aire seco y aire atmosférico?
¿El vapor de agua puede tratarse como un gas ideal?
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