Download INTRODUCCIÓN - Miguel Hadzich

CAPÍTULO 16
Aire Acondicionado
INTRODUCCIÓN
El ser humano es el único de los seres vivientes
que pudo cambiar el clima diseñando y
construyendo máquinas que “acondicionan el aire”,
motivo de estudio de este Capítulo.
Aprenderemos a seleccionar máquinas que puedan
calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier
ambiente según lo creamos conveniente; es decir
podemos cambiar cualquier lugar del mundo hacia
unos estados (que lo llamamos Confort) donde
vivamos tranquilos en un ambiente sano y cómodo.
Diseñemos estos equipos.
SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL
INDICE
Introducción
Sistema de Aire Acondicionado
16.1 Aire Acondicionado
16.2 El Aire Húmedo
16.3 Humedad relativa
16.4 Humedad Absoluta
16.5 El Clima
16.6 Proceso de Saturación Adiabática
16.7 Temperaturas de Bulbo Húmedo Tbh
y Bulbo seco Tbs
16.8 Carta Psicrométrica
16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire
Calentamiento, Enfriamiento, Enfriamiento y
deshumidificación,Humidificación,Secado, Mezcla
de aire
16.10 Torres de Enfriamiento
Problemas
Laboratorio Psicrometría PUCP
16.1 AIRE ACONDICIONADO
El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento
del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y
mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y
movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de
ambientes.
·
Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.
·
Humedad: humedecer y/o secar
·
Limpieza.
·
Movimiento.
Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de
las principales:
Industria Textil, industria fotográfica, imprenta.
Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas,
instalaciones bancarias.
Conservación de productos, secado de productos.
El AIRE que respiramos es una mezcla de aire seco y vapor de agua.
AIRE HUMEDO = AIRE SECO + Vapor de AGUA
EL CUERPO HUMANO SE SIENTE COMODO
(CONFORTABLE) CUANDO PUEDE DISIPAR
LIBREMENTE SU CALOR DE DESCHO, Y NO MÁS.
UN AMBIENTE COMODO ESTA ALREDEDOR DE 23
ºC, HUMEDAD RELATIVA DE 50 % CON UN
MOVIMIENTO O FLUJO DE AIRE DE 15 M /MIN.
En estos sistema de acondicionamiento de aire usaremos
una mezcla de gases (aire y vapor de agua) por lo que
tenemos que usar una tabla que mezcle ambos gases. Es el
llamado aire húmedo que es el aire seco más vapor de
agua.
Dónde se utilizan estos Sistemas ?
Unidad de acondicionamiento de
aire. Incluye de evaporación con
ventilador a 90 º.
Diferencia de temperaturas en
una casa acondicionada en
invierno.
Modelo de evaporador tipo CV,
alta velocidad y flujo directo
para la extracción de aireen
cabinas. Ventiladores de 24” y 30
“ con 1 HP del motor.
Estación compacta de Monitoreo del clima.
Cole Parmer. Presión barométrica.
Humedades. Velocidad y dirección del
viento. Lluvia. Radiación solar. US$1440
Simple T,Po,HR. US$ 177
Unidad central exterior de una unidad de
tratamiento de aire. Trane Company,
Estufa Hi-Tech de 9
paneles.
Medidor portátil de temperatura y
humedad relativa. Rango 25 a 95 % HR;
temperaturas de 0 a 50 ºC. Digital. 4000
horas continuas. US$ 58
16.2 El Aire Húmedo
MEZCLA DE GASES CON UN VAPOR
Estudiaremos al aire húmedo. (aire seco + vapor de H2O)
Consideremos:
a)
Composición del aire: 21% O2 y 79% de N2.
b)
Dado que la presión del vapor es su presión parcial, la cual es
usualmente pequeña, se tratar al vapor de agua como gas ideal.
M = 18.015
R = 0.46152 kJ/kg-K
Cp= 1.8723 kJ/kg-K
Cv= 1.4108 kJ/kg-K
Pc= 22.09 MPa
Tc = 647.3 K
Esta mezcla no se puede considerar como una sustancia pura, pues
el vapor es no condensable, por lo tanto la condensación de la
mezcla puede variar ante cambios de P y T.
El rango de trabajo en AIRE ACONDICIONADO se
considera entre 50º C y -40º C, por lo que para podrá ser
considerado como gas ideal, el aire húmedo (aire seco +
vapor) hasta 15 bar.
Presión Parcial (P i)
-
Ley de Dalton
La presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones
parciales que cada componente ejercería si éste ocupara el volumen de la mezcla
a la temperatura de la mezcla.
T,v
T,v
T,v
P =
Pa
Aire
Pb
Vapor de H 2O
Pa+Pb
Aire Húmedo
P
i
i = a, b, c,.....
Pi(vapor de H 2O ) <<< Pi ( aire sec o )
A la misma presión y temperatura dos gases ocupan el
mismo volumen, tal como sucede con el aire seco y el vapor
de agua en nuestro ambiente.
Barómetro
Po
16.3 Humedad Relativa (f)
CONCEPTOS PREVIOS
Humedad Relativa: (Φ)
Es el cociente entre la masa de vapor en una unidad de volumen (mv) y la masa de vapor
que dicho volumen podría contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la
mezcla (Pv), entre la presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (Pg),
es decir a la misma temperatura.
f =
Pv (T )
m
= v
Pg (T )
mg
f =
Presión sat. a T rocío
Presión de sat. a T mezcla
ó
Entonces :
Pv =
f =
m RT
RT
= v
Vv
vv
Pv
m
V

= v = v = v
Pg
mg
Vg
g
NOTA: El subíndice "g" corresponde a la curva de vapor saturado.
Ejemplo:
Para una temperatura de 20º C, la presión del vapor de agua es muy pequeña:
Pg=2.339 kPa y a menores presiones es sobrecalentado. (gas ideal)
Las presiones parciales en el aire siempre tienen que ser menores que la presión P g.
Por ejemplo puede ser Pv = 1.75 kPa, entonces la humedad relativa sería:
f =
Pv
1.75
=
= 0.748
Pg
2.339
f = 74 .8%
Unidad Compacta de
medición de HR,
temperatura, Tbs, punto de
rocío. US$ 129 Catalogo
Cole Parmer
16.4 Humedad Absoluta (w)
Humedad Absoluta (razón de humedad): ω
Es el cociente entre la masa de vapor y la masa de aire seco.
Ambos están a V y T :
mv =
Pv V
Rv T
ma =
PaV
R aT
 =
entonces,
R  P
mv
=  a   v
ma
Pa
R
v
0.622
mv
P
Pv
= 0.622 v = 0.622
ma
Pa
( Po  Pv )
Re lacionando  y f :
 =
f =
Po : Patmosféric a = Pa  Pv
Pa 
Pv
=
Pg
0.622 Pg
 =
0.622 Pg f
Pa
Pa : Paire
Pv : Pvapor
=
0.622 Pg f
Po  Pg
16.5 El Clima
Aire Saturado:
Cuando el vapor en la mezcla está saturado, entonces Ö es igual a 1 o 100%.
Punto de Rocío:
Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se
enfría isobáricamente.
En el punto de rocío Ö = 1 ó 100%.
Escarcha, granizo, nieve: aire húmedo saturado a T<0.01 C.
Niebla: justo vapor saturado.
Lluvia: justo vapor saturado más condensación.
Unidad digital de Mediciones del clima. Data
Logger.
- Presión Po
- Temperatura To
- Humedad Relativa HR
- Pluviómetro
- Velocidad y Dirección del viento
- Radiación Solar
PROCESO DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
Para definir el estado de una mezcla de gases ideales y vapores
condensables, no es suficiente conocer las propiedades P, T, V,
debemos tener información además de la composición de ésta. En el
caso particular del aire húmedo sería suficiente por ejemplo conocer
la humedad absoluta (w = mv / ma) y esto es posible mediante un
saturador adiabático como el que se muestra.
La idea es hacer pasar el aire no saturado
(humedad relativa menor que 100 %) , por un
lugar en el que el agua saturada (líquido
saturado h = hf) se evapore exactamente la
cantidad suficiente para que en la salida sea
saturada, es decir humedad relativa 100 %.
Se hace pasar el aire húmedo por un ducto con agua como se muestra, debido a que Φ1
< 1, el agua tiende a evaporarse hasta que en la salida tenemos aire saturado. Notar que
se debe suministrar una masa de líquido, igual a la diferencia entre la masa de vapor en
la salida y la entrada, de manera que la masa del VC no varíe y se pueda considerar
estacionario el proceso.(ecuación de continuidad)
Masa líquida que entra:
mv 2  mv1 = m l
Aplicando la Primera Ley , despreciando ? EK y ? EP
m a1 h a1  m v1 hv1  ( m v 2  m v1 )h f2 = m a2 h a2  m v 2 h g 2
(estado 2 es vapor saturado hv2 = hg2)
dividiendo entre ma (masa de aire seco) que es constante:
m a1 = m a2 = m a
Entonces:
h a1   1 hv1  (  2   1 )h f2 = h a2   2 h g 2
En la práctica se demuestra que la entalpía del vapor en la entrada (hv1) es
aproximadamente igual a la entalpía de vapor saturado a T 1, es decir:
hv 1 = h g
y como el aire es gas ideal:
(sin cometer mucho error)
h a = c pa T
Ordenando y despejando:
1 =
c pa  ( T2  T1 )  ( hg 2  hf2 )   2
hg1  hf2
Donde:
2 =
0.622  Pg 2  f 2
Pa
Φ2 = 1
Pa = P – Pg2
Pg2
: de tablas de vapor saturado a T2
P : Presión atmosférica.
T2 : Temperatura de Saturación Adiabática.
Es importante observar que
con la expresión anterior, es
posible conocer la humedad
absoluta del aire húmedo en
cuestión, si conocemos P, T1 y
T2 que son fáciles de obtener
experimentalmente (sirve para
medir la humedad del aire)
16.7 Temperatura
de Bulbo Húmedo (Tbh)
BO HUMEDO:
(Tbh)
Si rodeamos el bulbo de un termómetro con una gasa
húmeda y hacemos pasar una corriente de aire, la
lectura que obtenemos se denomina “Temperatura de
Bulbo Húmedo” Tbh y será menor que la de un
“termómetro de bulbo seco” Tbs (un termómetro
cualquiera). La diferencia entre ambas temperaturas será
mayor cuando el aire esté menos saturado.
Psicrómetro
tipo vaivén. HR
de 10 a 100 %.
Temperaturas
de - 5 ºC a
50 ºC.
En la práctica se observa que si la corriente que pasa por el termómetro de bulbo húmedo es
de 30 a 60m/min., se cumple que:
T1 = Tbs
T2 =
Tbh
Tbh: Temperatura de Saturación Adiabática
Por lo tanto:
 =
c pa (Tbh  T bs )   sat ( hgh  hfh )
hgs  hfh
Donde:
 sat =
0.622  Pgh
P  Pgh
Los subíndices h y s, denotan
temperatura de bulbo húmedo y seco,
respectivamente. Notar que Tbs es la
Temperatura de la Mezcla.
Psicrómetro de bolsillo.
Humedad relativa HR de
10 a 100 %. Temperatura
de -5 ºC a 50 ºC- US 63..
Marca Ertco
Volumen específico del aire húmedo: (v 1+ω)
V

m
as

m
 v

m
a
V
V
v =
=
=



m
(m


as  mv )
1





v (1   )
V
v (1   ) =
v =

(1   )
m
as
v (1   ) = v  (1   )
Entalpía:


H AH = m
Ah  h AH = m As  h1  

V = m
v
AH
As
1






m
AH = m AS  mv = m AS    m AS = (1   )  m AS
VENTILADORES
Ventilador Joy con paletas
regulables
Rodete y ventilador
de plancha de acero.
Rodete y caja
del ventilador
con la tapa
desmontada.
Los ventiladores se diseñan según el flujo de aire que queramos.
16.8 Carta Psicrométrica
Es un diagrama que tiene como ordenada la humedad
absoluta y como abscisa la temperatura de bulbo seco. En
él están trazadas también las líneas de humedad relativa
constante, las de temperatura de bulbo húmedo constante,
de entalpía especifica y volumen especifico aire-vapor. La
Carta Psicrométrica se construye para una presión de la
mezcla constante.
16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire
El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del
aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener
los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento.
Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes.
Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.
Humedad: humedecer y/o secar
Limpieza.
Movimiento.
Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las
principales:
Industria Textil, industria fotográfica, imprenta.
Salas de cómputo,
auditorios, instalaciones médicas,
instalaciones bancarias.
Conservación de productos, secado de productos.
Uno de los factores importantes a tener en cuenta en los sistemas de
acondicionamiento de aire, es la carga térmica. Esta se debe a lo siguiente.
·Calor transferido a través de paredes, techo, piso y vidrios.
·Calor liberado por alumbrado interior, equipos (motores u otros).
·Carga del aire interior.
·Infiltraciones de aire.
·Calor liberado por la presencia de personas.
PROCESOS EN PSICROMETRIA
Los procesos más comunes en Psicometría, son los que analizaremos a
continuación.
1)Calentamiento sensible.
En estos procesos no hay vaporización ni condensación del agua por lo tanto, el
contenido de humedad del aire permanece constante. Los valores de w y P,
permanecen constantes. Se representa por una recta horizontal en la Carta
Psicrométrica, entre los límites de temperatura de bulbo seco de entrada y
salida.
Para el calentamiento, podemos representar un conducto a través del cual
fluye aire que es calentado por medio de una resistencia eléctrica.
Equipos:
Resistencia Eléctrica
Intercambiadores (caldera)
Características:
No cambia la humedad absoluta,
sólo aumentan la temperatura.
Ecuaciones:
  (h
Q = m
as
1   2 - h1  1 )
Estufa Hi-Tech
de 7 paneles
Para el enfriamiento, podemos representar un conducto a través del cual fluye aire,
que es enfriado por un serpentín de enfriamiento ( por ejemplo el evaporador de un
sistema de refrigeración)
Equipos:
Equipo de refrigeración.
Características:
Cambian la humedad relativa y aumentan la temperatura.
 
Ecuaciones: Q = m as  (h 1   2 - h1  1 )
3) Deshumidificación
-
Deshumidificación por enfriamiento.
Este proceso consiste en un enfriamiento sensible hasta el punto de rocío (Φ= -100%),
seguido de un proceso de enfriamiento y condensación siguiendo la línea de Φ=-100%
hasta la temperatura correspondiente a la superficie de enfriamiento, que debe estar por
debajo de la temperatura de rocío inicial. En este proceso el aire pierde humedad debido
a la condensación de una parte del vapor de agua contenido en él. El condensado
abandona la mezcla.
El proceso se puede lograr en un conducto que transporta aire, el cual es enfriado por
medio de un serpentín de enfriamiento ( como el evaporador de un sistema de
refrigeración)
Equipos:
Equipo de refrigeración.
Características:
Disminuye la temperatura y disminuye la humedad absoluta y aumenta la humedad
relativa.
Ecuaciones:




m
as  h1  1 = Q  m as  h1   2  m c  h f(T2)
 =m



m
c
v 1 - m v 2 = m as  (  1   2 )
Evaporadores
Unidad de acondicionamiento de aire para
cuartos. Vilter Modelo UF y SUF
Baja velocidad y silencioso.
Ventilador de 18 “ - 1/3 HP
Ventilador de 24 “ - 1/2 HP
Unidad Vilter modelo SC (Standard
Cooler). 1/2 HP a 3/4 HP. Ventilador
de 24 “. Motor de 1150 RPM para
funcionamiento silencioso.
Unidad de acondicionamiento
Vilter modelo LP (Low Profile)
para pequeñas habitaciones.
Extremadamente silenciosos. 1/3
HP. Ventilador 18”.
1150 RPM
4) Humidificación y Enfriamiento
-
Humidificación por enfriamiento.
El enfriamiento por evaporación del agua, se puede realizar poniendo el aire en contacto
con agua a una temperatura igual a la Tbh del aire. Se representa por una recta trazada
siguiendo la línea de Tbh del aire, entre los límites del proceso.
El proceso se puede lograr en un conducto que transporta aire y en el cual se inyecta
agua fría pulverizada. Se produce un aumento en la humedad específica del aire.
Equipos:
Rociador de agua fría con Bomba.
Características:
Disminuye la temperatura y aumenta la humedad.
Ecuaciones:
 h

Q  m
as
1  1  m v  h f(T2 ) = m as  h1   2
mvap = m v2 - mv1 = m as  (  1   2 )
5) Humidificación y Calentamiento
En este caso, se incrementa la humedad del aire,
incorporando vapor de agua una temperatura mayor que la del
aire. Se representa por una recta inclinada, denotando un
aumento de la temperatura y de la humedad especifica del
aire.
El proceso se puede lograr en un conducto que transporta
aire y en el cual se inyecta vapor de agua a mayor
temperatura que la del aire.
Equipos:
Hervidor de agua
Características:
Cambian la humedad y aumentan la temperatura.
Ecuaciones:
 xh


Q  m
as
1  1  m g  h g = m as  h1   2
 =m



m
g
v 2 - m v1 = m as  (  2   1 )
6) Secado
-
Secado.
Equipos:
Filtros
Características:
Mantiene la temperatura y disminuye la humedad.
Ecuaciones:
 
 h

m
as
1  1 = Q  m as  h1   2  m c  h f
 =m



m
c
v1 m v 2 = m as  (  1   2 )
Mezcla Adiabática de Aire (Cines)
Se trata de dos flujos de aire de diferentes condiciones, que se juntan en un
mezclador adiabático con dos entradas y una salida y que salen mezclados. El
proceso se puede representar en la Carta Psicométrica mediante una recta
que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla
estará ubicado sobre dicho segmento de recta, dividiéndolo en dos partes
proporcionales a la variación de la humedad específica de cada flujo.
Ecuaciones:



m
as1  h1  1 = m as 2  h1   2  m as 3  h1   3



m
as1 = m as 2  m as 3
 v m
 v = m
 v
m
1
1
2
2
3
3



m
as1   1 = m as 2   2  m as 3   3
-
Secado.
16.10 Torres de Enfriamiento
Probl. 1 : (Usando Fórmulas)
Por un conducto se hace pasar 0.35 kg/s de aire húmedo a 1 bar. Se instala un psicómetro donde se
aprecia que la temperatura de bulbo seco es 30º C y la de bulbo húmedo 25º C. Determinar:
a)
La humedad absoluta del aire húmedo.
b)
La presión parcial del vapor y la humedad relativa
c)
El flujo de masa de aire seco y vapor.
d)
El volumen específico de vapor.
En el curso
solamente
trabajaremos con la
carta psicrométrica,
este problema es
solo para conocer el
otro método.
Prob. 2.-¿Cual es la humedad relativa del aire atmosférico cuya humedad
específica es de 0.0163 kg vapor/ kg aire seco, a 30° C y a 1 bar?
Probl 3 : Usando Carta Psicométrica.
Se tiene aire ambiente (P =1 bar) a 30º C y Ö=50%, mediante el acondicionador mostrado, se desea tener
aire a 25º C pero con la misma humedad relativa. Si el caudal de aire húmedo a la entrada es 0.5 m3/s, hallar:
a)
El proceso en la Carta Psicométrica.
b)
La masa de condensado.
c)
El calor que será necesario extraer. El condensado se encuentra a 15º C y es líquido saturado.
d)
El calor entregado por la resistencia.
4. Una mezcla de aire seco y vapor de agua ingresa a una unidad de acondicionamiento de aire a
una presión de 2 bar y 30°C con f=80%. La masa de aire que ingresa a la unidad es de
100kg/min. La mezcla de aire seco y de vapor sale de la unidad de acondicionamiento a 1.5 bar,
20°C y f=100%. El líquido condensado sale a 20°C. Calcular el calor transferido, en kW.
5. Se tiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión de 1 bar y 20° C, el cual
ocupa un volumen de 0.2 m3 . Si su humedad relativa es 70%, determinar:
a)La masa de vapor existente, en gramos.
b)Si se realiza un enfriamiento a presión constante, ¿a qué temperatura empezará la
condensación?
c)¿Qué cantidad de vapor se condensará si la mezcla se enfría a 10°C, manteniéndose
constante la presión total?
d)Si la mezcla original se calienta hasta 40 °C, a presión constante, ¿Cuál será la humedad
relativa final?
e)Si para el caso d) se requiere alcanzar nuevamente una humedad relativa de 70%. ¿Qué
cantidad de agua tendrá que agregarse si este se encuentra a 40°C?