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Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 12. PSICROMETRÍA
TEMA 12: PSICROMETRÍA
BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales
PROCESOS INDUSTRIALES
ANÁLISIS
PROCESOS
CALOR
GENERALIDADES
TRABAJO Y
POTENCIA
REFRIGERACIÓN
PSICROMETRÍA
CICLOS DE
CICLOS POTENCIA DE
POTENCIA
OBJETIVOS
GAS Y OTROS CICLOS
DE VAPOR
1. Conocer y calcular las propiedades termodinámicas de los sistemas
gas permanente-vapor condensado centrando la atención en el
sistema aire-agua
2. Aprender a utilizar el diagrama psicrométrico como herramienta para
el cálculo de propiedades y representación de procesos
3. Comprender los fundamentos de los principales procesos
psicrométricos entre los que destacan los procesos de secado,
acondicionamiento de aire y enfriamiento de agua con aire.
Termodiná
Termodinámica Aplicada 06/07
Tema 12. Psicrometrí
Psicrometría
1
TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composición
• Propiedades térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
• PROCESOS PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificación
• Enfriamiento con deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo práctico
Termodiná
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Tema 12. Psicrometrí
Psicrometría
TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓ
INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composición
• Propiedades térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMETRÍCO
• PROCESOS PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificación
• Enfriamiento con deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo práctico
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Introducción
• PSICROMETRÍA: estudio de las propiedades termodinámicas de
sistemas Gas permanente – vapor condensado (N2 - CH3OH)
• Sistema clásico: aire seco (O2 + N2) – vapor de agua
• Equilibrio L-V simplificado
• Condiciones ambientales aire húmedo se comporta como mezcla de
gases ideales (volatilidades diferentes)
• Fenómenos de transferencia de materia + transferencia de calor
• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO: Representación gráfica de dichas
propiedades
• Aplicaciones:
• Enfriamiento de agua con aire (torres de enfriamiento)
• Acondicionamiento de aire (humidificación/deshumidificación)
• Secado
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Definiciones útiles
AIRE HÚMEDO
Mezcla de aire seco y agua en estado gaseoso (vapor). El contenido
de agua puede ir desde composición cero (aire seco) a saturación
(aire saturado).
Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y de
aire seco, porque la composición del aire seco permanece
relativamente constante
SATURACIÓN
Se produce cuando la presión parcial del agua en la mezcla se iguala
a la presión de vapor (Psat) del agua a esa temperatura
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TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁ
BÁSICAS DEL SISTEMA AIREAIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composició
composición
• Propiedades té
térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
• PROCESOS PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificación
• Enfriamiento con deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo práctico
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Propiedades relativas a la composición
HUMEDAD ABSOLUTA
Cociente entre la masa de agua y la masa de aire seco. Es una
composición en exento (referida al componente que no se transfiere)
Y=
mV
mG
Y=
mV ⎡ nV ⎤ M V ⎡ PV ⎤ M V
=⎢
=⎢ ⎥
⎥
mG ⎣ nG ⎦ M G ⎣ PT − PV ⎦ M G
Y = 0.622
nV
nG
HUMEDAD DE SATURACIÓN
Varía entre 0 (aire seco) e Ysat. Ysat distinta para cada P y T
⎡ PV0 (T ) ⎤
YS = 0.622 ⎢
⎥
0
⎣ PT − PV (T ) ⎦
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Propiedades relativas a la composición
HUMEDAD RELATIVA
Relación presión parcial de vapor y la presión del vapor a saturación.
Varía entre 0 y 1
ϕ=
PV
PV0
HUMEDAD PORCENTUAL
Poco empleada. Varía entre 0 y 1
YP =
Y
YS
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Propiedades térmicas del aire húmedo
PRESIÓN DE VAPOR
Ecuación de Antoine
Ln ( PV0 ) = 18.304 −
3816.4
T − 46.130
T (K), P (mm Hg)
Ecuación de Wagner
7206.7
⎡
⎤
PV0 = Exp ⎢72.550 −
− 7.1385 Ln (T ) + 0.4046·10 −5 T 2 ⎥
T
⎣
⎦
T (K), P (Pa)
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Propiedades térmicas del aire húmedo
CALOR ESPECÍFICO
Energía necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de un aire
húmedo por kg de aire seco
Las propiedades específicas están referidas al aire seco
C = CG + CV Y
Gas
Si Y = 0 ⇒ C = CG
Vapor
Para aire-agua en cond. Ambiente:
AIRE SECO
C = 0.24 + 0.46 Y
[=] kcal / kg AS º C
VOLUMEN ESPECÍFICO
Volumen de una masa de aire húmedo por kg de aire seco
Propiedad que permite determinar los flujos volumétricos
V =
n RT ⎡ 1
Y ⎤RT
=⎢
+
⎥
PT
⎣ M G M V ⎦ PT
[=] m3 / kg AS
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Propiedades térmicas del aire húmedo
ENTALPÍA ESPECÍFICA
Entalpía que posee un aire húmedo por kg de aire seco
Contenido térmico f (T, composición)
ORIGEN DE ENTALPÍAS (Ref.): Aire seco a 0ºC y agua líquida a 0ºC
H = λ0 Y + C T
Qvap
agua
0ºC
Calentamiento
mezcla
H = 598 Y + [0.24 + 0.46 Y ] T
[=] kcal / kg AS
T (ºC)
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Temperaturas
TEMPERATURA DE ROCÍO
Temperatura a la que se inicia la condensación del vapor de agua si el
aire se enfría a presión constante
Temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de
vapor
PV = PV0
⇒ TROCIO
El aire permanece saturado
durante el proceso de
condensación siguiendo una línea
de humedad relativa de 100%
(línea de vapor saturado).
La Tordinaria y Trocío son idénticas
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Temperaturas
TEMPERATURA DE SATURACIÓN
ADIABÁTICA
Temperatura que alcanza una masa de
aire húmedo cuando se satura
adiabáticamente a P cte en contacto con
agua
Aire no
saturado
Aire saturado
(Y,T)
(YS,TS)
CAMARA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
HS
HE
IDEAL
• Recipiente aislado térmicamente
HR
Agua de
reposición
(TS)
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• Aire saturado a la salida
• El aire se enfría (cede calor) porque es
necesario evaporar una cantidad de agua
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Temperaturas
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
BALANCE DE ENTALPÍA:
• Estado estacionario
Aire no
saturado
Aire saturado
(Y,T)
(YS,TS)
• Adiabático,
trabajo
⇒
• Origen H: Agua líquida y aire gas
HS
HE
no
PROCESO ISOENTÁLPICO
a TSAT (HR = 0)
HE + HR = HS
λ S Y + C (T − TS ) + 0 = λ S YS
HR
Agua de
reposición
(TS)
⎡
C ⎤ ⎡C ⎤
Y = ⎢YS +
TS ⎥ − ⎢ ⎥ T
λS ⎦ ⎣λS ⎦
⎣
Contenido
Calor para
térmico para enfriar el aire
evaporar el
húmedo
agua (TS)
C ≈ cte
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Temperaturas
LÍNEAS DE SATURACIÓN
ADIABÁTICA
⎡
C ⎤ ⎡C ⎤
Y = ⎢YS +
TS ⎥ − ⎢ ⎥ T
λ
S
⎣
⎦ ⎣λS ⎦
C
TS = T − (YS − Y )
λ
• Líneas rectas (C ≈ cte) y
Y
Línea de
saturación
Líneas de
saturación
adiabática
(misma TS y H)
Y
paralelas (distintas ordenadas)
que llegan hasta la línea de YS
T
(cuando T = TS ⇒ Y = YS)
• Todos los aires con la misma TS
adiabática pertenecen a la misma
recta y presentan la misma H
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Humidificador adiabático
L
I
G
dqsensible
TS
PERFIL DE TEMPERATURA-HUMEDAD
TORRE DE ENFRIAMIENTO ADIABÁTICO
El agua a su paso por la columna
no modifica su temperatura (Ts)
El aire se enfría porque tiene que
suministrar el calor latente
necesario para evaporar el agua
YS
NA (dqlatente)
Y
T
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Temperaturas
TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb)
Temperatura límite de enfriamiento que alcanza una pequeña masa de
agua al ponerla en contacto con una masa de aire húmedo infinita a T,
P y humedad absolutas constantes (Y).
La humedad se mide a partir de la diferencia de T del termómetro secohúmedo
TRANSFERENCIA DE MATERIA Y
TRANSFERENCIA DE CALOR
hG S (T − TW ) = kG S (YW − Y )M G λW
TW = T −
kG M G
λW (YW − Y )
hG
CTE = 2460
aire-agua
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Temperaturas
TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb)
TW = T −
kG M G
λW (YW − Y )
hG
TW = T − 2460 (YW − Y )
LÍNEAS DE TW
DADO un aire (T, YW, TW) ⇒ cálculo Y
TS = T −
C
(YS − Y )
λ
LÍNEAS DE TS
Para el sistema aire-agua las dos pendientes son
iguales: EQUIVALENCIA DE LEWIS
kG M G
C
λW ≈
hG
λ
Para el sistema aire-agua, las líneas de
temperatura húmeda coinciden con las
líneas de temperatura de saturación
adiabática
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TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composición
• Propiedades térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMÉ
PSICROMÉTRICO
• PROCESOS PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificación
• Enfriamiento con deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo práctico
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Diagrama psicrométrico o carta de humedad
⎡ PV0 (T ) ⎤
YS = 0.622 ⎢
⎥
0
⎣ PT − PV (T ) ⎦
LÍNEA DE
SATURACIÓN
Y
ϕ =1
2F
35º C
30º C
25º C
ϕ = 0 .8
1F
ϕ = 0 .7
Líneas de humedad
relativa constante
Líneas de saturación
adiabática
T
• Representación gráfica del equilibrio del sistema aire-agua a una P dada
• Ordenadas: humedad absoluta (Y)
• Abcisas: temperatura real o de bulbo seco (T)
• La línea de saturación divide el diagrama en dos zonas:
1F: Mezclas aire-agua no saturadas (debajo)
2F: aire sobresaturado + agua líquida (arriba)
• Grados de libertad (L = C+2-F)
Línea de saturación (2F: L+V): L = 1 (Y da T y T da Y)
Debajo línea de saturación (1F: G): L = 2
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Diagrama psicrométrico o carta de humedad
Líneas de saturación adiabática
Aproximadamente iguales a las líneas de TW
Líneas de entalpía (kJ/kgAS)
Se representa con líneas casi paralelas a las de
saturación adiabática Ö Todas las mezclas de la
misma recta de saturación adiabática (misma TW
o TS), tienen la misma H
Líneas de volumen específico (m3/kgAS)
Similares a las de saturación adiabática pero
más inclinadas
Para un aire saturado las temperaturas del punto
de rocío, temperatura húmeda y temperatura
seca son iguales
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Diagrama psicrométrico o carta de humedad
Lectura de propiedades
En un punto cualquiera del diagrama conoceremos (T,Y)
Con líneas rectas paralelas a las de saturación adiabática Ö HS, TS
Con líneas rectas paralelas a volumen específico Ö vE
Dada la pareja de valores TW y T (ó Y) Ö Y (ó T), ϕ, H, vE
Dada la pareja de valores TW y ϕ Ö Y, T, H, vE
Temperatura de rocío:
Aire de humedad y
temperatura conocida
(Y,T) corte con la línea
de saturación
y lectura sobre eje de
abcisas
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Trocio
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TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composición
• Propiedades térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMETRÍCO
• PROCESOS PSICROMÉ
PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificació
humidificación
• Enfriamiento con deshumidificació
deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabá
adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo práctico
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Procesos psicrométricos
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
1. Calentamiento o enfriamiento de aire (Y = cte)
2. Humidificación
3. Deshumidificación
4. Enfriamiento evaporativo
5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire
6. Torres de enfriamiento
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1. Calentamiento o enfriamiento simple (Y = cte)
Balance de materia
m& G1 = m& G 2 = m& G
Y1 = Y2
Balance de energía
q& = m& G ( H 2 − H1 )
CALENTAMIENTO (Y = cte)
• Propio de sistemas de calefacción residenciales (estufa, resistencia eléctrica…)
• Línea de Y = cte en la dirección de aumento de Tseca y disminución de la humedad
relativa
ENFRIAMIENTO (Y = cte)
• Línea de Y = cte, en la dirección de disminución de Tseca con aumento de la humedad
relativa
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2. Calentamiento con humidificación
CALENTAMIENTO CON
HUMIDIFICACIÓN
• Permite eliminar los problemas asociados
a una humedad relativa baja
• El aire pasa por una sección de
calentamiento (proceso 1-2) y después
por una sección de humidificación
(proceso 2-3)
• Humidificación con vapor de agua produce
calentamiento adicional (T3>T2)
• Humidificación por rociado de agua provoca
enfriamiento de la corriente calentada
(T3<T2) ⇒ Necesario calentar a T más alta en
la sección de calentamiento para compensar el
enfriamiento durante la humidificación
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3. Enfriamiento con deshumidificación
ENFRIAMIENTO DESHUMIDIFICACIÓN
• Necesario si la humedad relativa alcanza
niveles extremadamente altos durante el
enfriamiento a Y = cte
• El aire caliente y húmedo entra en la
sección de enfriamiento, su T
disminuye y su humedad relativa
aumenta a Y = cte
• Si la sección de enfriamiento es
suficientemente largo el aire sale saturado
• El enfriamiento adicional del aire
provocará la condensación de parte la
humedad
• El aire permanece saturado durante
todo el proceso de condensación, sigue la
línea de saturación hasta el estado 2
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4. Enfriamiento evaporativo
ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
• Aire caliente y seco entra en el enfriador
evaporativo (estado 1) donde se rocía con
agua líquida
• Parte del agua se evapora durante este
proceso al absorber q de la corriente de aire
• La temperatura del aire disminuye y su
humedad aumenta (estado 2)
• En el caso límite el aire saldrá saturado
(temperatura más baja que puede alcanzarse
con este proceso) (estado 2’)
• Enfriamiento evaporativo similar al proceso
de saturación adiabático
• El proceso de enfriamiento sigue una línea
de saturación adiabática
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5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire
MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS
CORRIENTES
• Cuando dos corrientes de aire en dos
estados diferentes (1 y 2) se mezclan
adiabáticamente, el estado de la
mezcla final (3) estará sobre la
línea que conecta los dos estados
1 y 2 en la carta psicrométrica
Balance de materia
Aire
Agua
m& G1 Y2 − Y3 H 2 − H 3
=
=
m& G 2 Y3 − Y1 H 3 − H1
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m& G1 + m& G 2 = m& G 3
m& G1Y1 + m& G 2Y2 = m& G 3Y3
Balance de energía
m& G1 H1 + m& G 2 H 2 = m& G 3 H 3
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5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire
m& G1 Y2 − Y3 H 2 − H 3
=
=
m& G 2 Y3 − Y1 H 3 − H1
h3-h1
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6. Torres de enfriamiento
TORRE DE ENFRIAMIENTO (tiro inducido)
• Enfriador evaporativo semiencerrado
• El aire entra en la torre por la parte inferior y
sale por la superior
• El agua caliente (proceso) se bombea hacia la
parte superior y se rocía sobre la corriente de aire
• Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría
el agua restante
• La temperatura y contenido de humedad del
aire aumentan durante el proceso
• El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre
y se envía a proceso
• El agua de reemplazo debe añadirse para
sustituir el agua perdida por evaporación y por el
arrastre de agua
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6. Torres de enfriamiento
L
TLB
G
I
dq1 = dq2 + dq3
dq1
dq2
TLi
TB
Yi
Y
dq3
TLB
TB
L
TLA
G
I
dq1
dq2
TA
TLi
TLA
TA
PARTE SUPERIOR
TORRE
Yi
Y
dq3
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El calor que
retiramos del
agua sirve para
calentar el aire y
para evaporar el
agua
PARTE INFERIOR
TORRE
dq1 = dq3 − dq2
La cantidad de
calor que
retiramos del
agua es menor
pq el aire cede
al agua calor
sensible
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TEMA 12: PSICROMETRÍA
• INTRODUCCIÓN
• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
• Relativas a la composición
• Propiedades térmicas
• Temperaturas
• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
• PROCESOS PSICROMÉTRICOS
• Calentamiento y enfriamiento simples
• Calentamiento con humidificación
• Enfriamiento con deshumidificación
• Enfriamiento evaporativo
• Mezcla adiabática de dos corrientes
• Torres de enfriamiento
• Ejemplo prá
práctico
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Ejemplo práctico
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Ejemplo práctico
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. conocer y calcular las propiedades básicas del sistema aire-vapor
de agua (humedad absoluta, humedad relativa, entalpía, volumen
específico, temperatura seca, temperatura de rocío, temperatura de
saturación adiabática…)
2. manejar con soltura el diagrama psicrométrico tanto para la lectura
de propiedades como para la representación de procesos
3. comprender el fundamento de los principales procesos
psicrométricos (calentamiento y enfriamiento simples,
calentamiento con humidificación, enfriamiento con
deshumidificación, enfriamiento evaporativo, mezcla adiabática de
dos corrientes, torres de enfriamiento …)
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