Download Libro Termodinamica Cap 16 Aire Acondicionado

Termodinámica para ingenieros PUCP
Cap. 16
Aire Acondicionado
Mezcla de Gases
Psicrometria
INTRODUCCIÓN
El clima en todos los lugares del mundo es cambiante y diferente, existen sitios secos y húmedos, sitios fríos y
calientes y una gran combinación de estos estados; y peor todavía, éstos varían según las épocas del año: Primavera,
verano, otoño e invierno; y según algunos fenómenos (caso Corriente del Niño) debido a la rotación de la Tierra
y su translación alrededor del Sol, que es nuestra fuente de energía. Estos cambios del clima hacen que también
varíen los estados de los seres humanos (nos tenemos que abrigar o bañarnos en la playas, etc), pero también de
las máquinas térmicas (en todas aquellas donde se involucra la Presión y la Temperatura ambiente Po y To) que
cambian sus condiciones de trabajo conforme cambia el clima.
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.
Valores de alta temperatura en una casa
Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 1
Aire Acondicionado
SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL
Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 2
Termodinámica para ingenieros 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
. 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 DESECHO, 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 /
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
MIN
de agua.
.
En el Capítulo 15
estudiamos uno de los
equipos más usados
para los sistemas de
acondicionamiento de
aire, los sistemas de
refrigeración y bomba de
calor.
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Aire Acondicionado
Dónde se utilizan estos sistemas ?
Unidad de acondicionamiento de aire.
Incluye evaporación con ventilador a 90°.
Modelo de evaporador tipo CV, alta velocidad
y flujo directo para la extracción de aire en
cabinas. Ventiladores de 24” y 30 “ con 1 HP del
motor.
Diferencia de temperaturas en una casa
acondicionada en invierno.
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.
US$.
Medidor portátil de temperatura y humedad relativa.
Rango 25 a 95 % HR; temperaturas de 0 a 50 ºC.
Digital. 4000 horas continuas. US$ 58
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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.
www.
Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 5
Aire Acondicionado
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
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16.3 Humedad Relativa ( 0, HR )
CONCEPTOS PREVIOS
Humedad Relativa: (o) ó HR
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
Humedad Relativa:
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.
NOTA: El subíndice “g” corresponde a la curva de vapor saturado.
DIBUJE ESTE PUNTO EN UN
DIAGRAMA T-S
Unidad Compacta de medición de HR,
temperatura, Tbs, punto de rocío. US$ 129
Catalogo Cole Parmer
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Aire Acondicionado
16.4 Humedad Absoluta (w)
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 0 = 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
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16.5 Proceso de Saturación Adiabática
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 %.
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Aire Acondicionado
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)
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16.7 Temperatura de Bulbo Húmedo
(Tbh)
Tbs
Psicrómetro
tipo vaivén. HR
de 10 a 100%.
Temperaturas de -
Tbh
5°C a 50°C.
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
P
Psicrometro
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Aire Acondicionado
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.
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16.8 Carta Psicrométrica
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.
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Aire Acondicionado
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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.
HAY UN ERROR EN
ESTE GRÁFICO, CUÁL
HUMEDO
ES?
SECO
FRIO
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Aire Acondicionado
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.
Estufa Hi-Tech de 7 paneles
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2) Enfriamiento sensible
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Aire Acondicionado
3) Deshumidificación
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Evaporadores
Unidad de acondicionamiento de aire para cuartos.
Vilter Modelo UF y SUF
Baja velocidad y silencioso.
Ventilador de 18 “ - 1/3 HP
Unidad Vilter modelo SC (Standard Cooler). 1/2 HP
a 3/4 HP. Ventilador de 24 “. Motor de 1150 RPM
para funcionamiento silencioso.
Ventilador de 24 “ - 1/2 HP
Unidad de
acondicionamiento Vilter
modelo LP (Low Profile)
para pequeñas habitaciones.
Extremadamente
silenciosos. 1/3 HP.
Ventilador 18”.
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Aire Acondicionado
4) Humidificación y Enfriamiento
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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.
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Aire Acondicionado
6) Secado
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Mezcla Adiabática de Aire (Cines)
1) Mezcla adiabática.
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.
MUCHOS ERRORES EN ESTAS
FÓRMULAS, CUALES SON?
DIBUJE EL ESQUEMA DEL AIRE
ACONDICIONADO DE UN CINE
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Aire Acondicionado
16.10 Torres de Enfriamiento
ESCRIBA LAS ECUACIONES DE
ENERGÍA Y MASA EN LAS TORRES DE
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Problemas
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
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Aire Acondicionado
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?
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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.
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Aire Acondicionado
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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.
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Aire Acondicionado
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?
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Sistema de Refrigeración
Con R-12 como portador de energía y que consta de:
Evaporador instalado en la zona E con tubo extractor de condensado
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4. CÁLCULOS Y GRÁFICOS
. Realizar el balance térmico de los calentadores.
. Realizar el balance térmico del evaporador.
. Representar los procesos en una carta psicrométrica.
. Comparar el caudal de condensado medio con el evaluado con la ayuda de la carta psicrométrica.
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