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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 Termodinámica Aplicada 06/07 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 2 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 3 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 ) ⎦ Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 4 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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) Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 5 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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) Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 6 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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) Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 • Aire saturado a la salida • El aire se enfría (cede calor) porque es necesario evaporar una cantidad de agua Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 7 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 8 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 9 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 10 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 11 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Trocio Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 12 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 13 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 14 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 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 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 15 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 16 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 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 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 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 Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 17 Ejemplo práctico Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría Ejemplo práctico Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría 18 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 …) Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 12. Psicrometrí Psicrometría Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA 12. PSICROMETRÍA 19