Download REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL
SEDE BARINAS. NÚCLEO BARINAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
PSICROMETRÍA
ING ERNESTO MÁRQUEZ
TERMODINÁMICA II
JOSÉ FALCÓN
6TO SEMESTRE
SECCIÓN “A”
BARINAS, ABRIL DE 2011.
1
ÍNDICE
Pág
INTRODUCCIÓN
3
PSICROMETRÍA
4
MEZCLA AIRE-VAPOR DE AGUA
4
LEY APLICADA A MEZCLA AIRE-VAPOR DE AGUA
6
PROCESOS PSICROMÉTRICOS
6
TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO Y DEL BULBO SECO
10
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
12
PROCESO DEL DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
12
CONCLUSIONES
14
BIBLIOGRAFÍA
15
2
INTRODUCCIÓN
El uso eficiente de la energía es uno de los grandes retos a que nos
enfrentamos, no sólo es responsabilidad de los sectores industrial,
transporte y energético, el optimizar
los recursos energéticos,
sino también del sector residencial.
El sector residencial es un gran demandante de energía la cual se
transforma para ofrecer tanto enfriamiento como calentamiento. El
porcentaje entre ambos dependerá de la latitud geográfica y de las
condiciones
necesaria
de
la
la
vivienda.
Por
participación
especialistas,
en
lo
de
el
cual
se
hace
arquitectos,
desarrollo
de
cada
vez
más
ingenieros
los
y
proyectos
arquitectónicos que incluyan dispositivos y sistemas que permitan
por un lado un ambiente confortable y por otro un ahorro substancial
en el consumo de los energéticos.
El vapor
de
agua
tiene
una
gran
capacidad
de
transmisión de radiación, dependiendo
del
de onda, pudiéndose convertir en
gran absorbedor
cuerpo negro-
y
poder
radiación, provocando
Este
trasmitir
una
un
y
especie
dominio
absorción
permitir
de
de longitudes
el
- casi
paso
ventana
de
un
la
atmosférica.
diferente comportamiento, del vapor de agua con respecto a la
radiación hace que el intercambio radiactivo
de
y
la
tierra
y
entre
la
superficie
la atmósfera provoque efectos de calentamiento o
de invernadero o efectos de enfriamiento por pérdidas de radiación.
La climatización se aplica en general al
tratamiento
actuando sobre los parámetros ya mencionados,
provocando
de enfriamiento o de calentamiento, no sólo sobre
humana
sino
transformar
su apariencia
también,
para
crear
condiciones
del
aire,
efectos
la
fisiología
para
conservar,
o manejar algunos productos o materiales sin perjudicar
y propiedades como en el caso de los alimentos.
3
PSICROMETRÍA
Psicrometría
es
termodinámicas
la
del
ciencia
aire
que
húmedo,
involucra
y
el
las
efecto
de
propiedades
la
humedad
atmosférica sobre los materiales y el confort humano.
MEZCLA AIRE-VAPOR DE AGUA Y SUS PROPIEDADES
El aire es una mezcla de gases incolora, inolora e insabora que
rodea a la tierra. Este aire que envuelve a la tierra se conoce
como atmósfera. Se extiende hasta una altura de aproximadamente
645 kms, y se divide en varias capas. La capa más cercana a la
tierra se llama tropósfera, y va desde el nivel del mar hasta los
15 kms. La capa que se extiende desde los 15 hasta los 50 kms, se
llama estratósfera. La capa de los 50 kms hasta los 95 kms, se
llama mesósfera, y de los 95 a los 400 kms, se llama ionósfera.
El aire, no es un vapor saturado que esté cercano a temperaturas
donde
pueda
ser
sobrecalentado,
o
condensado.
más
Es
siempre
precisamente,
es
una
un
gas
mezcla
altamente
de
gases
altamente sobrecalentados. El aire atmosférico es una mezcla de
oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua,
y un porcentaje muy pequeño de gases raros como argón, neón,
ozono, etc. En la tabla, se muestran los porcentajes de estos
gases, tanto en peso, como en Volumen, para el aire seco (sin
vapor de agua).
Gases que componen el aire en la
atmósfera.
4
La densidad del aire, varía con la presión atmosférica y la
humedad. Un kilogramo de aire seco en condiciones normales (21°C
y 101.3 kPa), ocupa 0.8329 metros cúbicos.
La humedad es un término utilizado para describir la presencia de
vapor de agua en el aire, ya sea a la intemperie, o dentro de un
espacio. La humedad está
"en el aire", solamente en el sentido
de que los dos, aire y vapor de agua, existen juntos en un
espacio dado al mismo tiempo. Por costumbre común, se dice que el
aire
contiene
humedad,
y
es
conveniente
hacerlo
así,
en
el
entendido de que siempre es meramente una manera de hablar, y que
en realidad, los dos son independientes uno del otro, y que no
responden
de
la
misma
manera
a
los
cambios
de
condiciones,
especialmente a los cambios de temperatura.
Las
palabras
"vapor"
y
"gas",
comúnmente
se
emplean
para
referirse a lo mismo; pero en realidad, un gas un vapor altamente
sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación, como
el aire. Un vapor está en sus condiciones de saturación o no muy
lejos de ellas, como el vapor de agua. Así pues, el vapor de agua
o
"humedad"
saturación
cuantos
en
o
un
espacio,
ligeramente
grados,
se
puede
arriba
condensa,
y
estar
de
si
en
ella.
se
le
una
Si
condición
se
aplica
enfría
de
unos
calor,
se
sobrecalienta.
De acuerdo a la ley de Boyle, sabemos que el volumen de un gas
varía inversamente con la presión, si la temperatura permanece
constante, lo que en este caso es cierto. El volumen del aire
seco a 15 °C es 0.8159 m³/kg a la presión de 101.3 kpa; así que,
su volumen a la presión de 99.6 kpa será:
5
LEY APLICADA A MEZCLA DE AIRE-VAPOR DE AGUA
Ley de Dalton de las presiones parciales
El
vapor
de
agua
no
se
rige
exactamente
por
las
leyes
que
gobiernan a los gases, pero son lo suficientemente aproximadas
para usarlas en la práctica. La ley más importante, para el
cálculo
del
aire
húmedo
es
la
ley
de
Dalton
o
ley
de
las
presiones parciales, e indica, que cada componente en una mezcla
de gases perfectos ejerce la misma presión, como si el componente
estuviera
sólo
en
el
espacio
ocupado
por
la
mezcla,
a
la
temperatura de la mezcla. La presión total de los gases es la
suma de sus presiones parciales, y el volumen de la mezcla de
gases es igual al volumen ocupado por cada gas a su presión
parcial.
La
entalpía
total
de
la
mezcla
es
la
suma
de
las
entalpías de cada componente a su presión parcial.
El aire atmosférico existe a una presión total igual a la presión
atmosférica (Patm) la cual es igual a la suma de las presiones
parciales del los gases existentes en la atmósfera:
PROCESOS PSICROMÉTRICOS
CALENTAMIENTO SENCIBLE: Cuando se entrega energía al aire, la
temperatura
aumenta,
pero
la
razón
de
humedad
permanece
constante, pues no hay aumento ni disminución en la cantidad de
masa de la mezcla (aire seco y vapor de agua). Por tanto, el
proceso
de
calentamiento
del
aire
aparece
en
el
gráfico
con
líneas horizontales, paralelas a la abscisa, a partir del punto
6
de estado en que se encuentra el aire. En la Figura, el aire
cuyas propiedades termodinámicas están en el punto de estado
definido por T = 25 °C y Tbh = 20 °C, pasa primero por un proceso
de calentamiento hasta la temperatura de 46 °C; en otro proceso,
pasa por enfriamiento hasta la temperatura de 20°C. En el Cuadro,
están los valores de las propiedades del aire al término de los
procesos de calentamiento señalados en el gráfico psicrométrico.
Propiedades
Calentamiento
Punto de estado
1
2
T
Tbh
f
Pv
W
h
Ve
Tpr
25,0
20,0
65,0
2,1
0,0127
57,5
0,86
17,7
46,0
26,0
20,0
2,1
0,0127
80,0
0,922
17,7
7
Durante el calentamiento, de 25°C a 46°C la entalpía del aire
pasó de h1 = 57,5 kJ/kg de aire seco a h2= 80,0 kJ/kg de aire
seco, lo que significa que es preciso proporcionar 22,5 kJ/kg de
aire seco para llevar la masa de aire del punto de estado 1 al
punto de estado 2.
SATURACIÓN
ADIABÁTICA:
El
aire
fluye
a
través
de
un
conducto
perfectamente aislado donde existe un depósito de agua abierto al flujo
de aire. A medida que circula, el aire aumenta su humedad específica
hasta
alcanzar
saturación
si
el
contacto
aire
agua
es
lo
suficientemente prolongado.
La entalpía del aire húmedo se mantiene constante. Como consecuencia,
la temperatura disminuye a la salida.
T2 = TSA
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
CALENTAMIENTO: Permite eliminar los problemas asociados a una humedad
relativa
baja.
El
aire
pasa
por
una
sección
de
calentamiento
(proceso 1-2) y después una sección de humidificación (proceso2-3).
8
ENFRIAMIENTO: Necesario si la humedad relativa alcanza niveles
extremadamente altos durante el enfriamiento a Y = ctte. El aire
caliente y húmedo entra en la sección de enfriamiento, su T
disminuye y su humedad relativa aumenta a Y = ctte. Si la sección
de
enfriamiento
es
muy
larga
el
aire
sale
saturado.
El
enfriamiento adicional del aire provocara la condensación de la
parte de la humedad. El aire permanece saturado durante todo el
proceso de condensación, sigue la línea de saturación hasta el
estado 2.
PROCESO ADIABÁTICO: Un proceso de saturación adiabática se lleva
a
cabo
con
un
flujo
de
aire
constante
y
a
presión
total
constante. La figura ilustra el proceso; aire no saturado entra
en el estado 1 a una temperatura T1, con humedad específica ω1 y
una entalpía h1 y se hace pasar sobre una superficie de agua, su
humedad empieza a incrementarse; la cámara es lo bastante larga
para que el aire al salir (estado 2), salga saturado. La cantidad
9
de agua líquida evaporada al aire es (ωsat-ω1) con una temperatura
de Tad, para reemplazar el agua evaporada durante el proceso.
Proceso adiabático.
SECADO
ADIABÁTICO:
siguientes:
El
secado
generalmente
el
adiabático
equipo
ofrece
necesario
las
es
ventajas
pequeño
en
comparación con la cantidad de producto; la operación se integra
fácilmente con la fabricación química continua, sin necesidad del
almacenamiento intermedio; el producto tiene un contenido más
uniforme de humedad, y el costo de secado por unidad de producto
es relativamente pequeño. Como en el caso del secado por lotes,
la naturaleza del equipo que se utiliza depende bastante del tipo
de
material
que
se
va
a
secar.
Pueden
utilizarse
el
secado
directo o indirecto y algunas veces los dos.
TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO Y BULBO SECO
La temperatura de bulbo húmedo (Tbh), es la temperatura medida
con el bulbo de un termómetro cubierto con una franela o con un
trapo
húmedo
y
haciendo
pasar
aire
rápidamente
por
éste,
preferentemente con una velocidad mayor de 2 m/s; de esta forma
la humedad empieza a evaporarse. La temperatura del agua y del
aire
circundante
baja
proporcionalmente
a
la
evaporación
ocurrida. La temperatura final que alcanza depende de la humedad
10
del aire. Si el aire que rodea al termómetro está seco, la
evaporación
es
relativamente
grande
grande.
y
Por
el
el
descenso
en
contrario,
si
la
temperara
el
aire
está
es
muy
húmedo, la evaporación es lenta y, por lo tanto, la diferencia
entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo
húmedo
es
pequeña.
En
el
caso
en
que
el
aire
se
encuentre
saturado, no habrá evaporación, y por consiguiente la temperatura
no disminuye.
Para
cálculos
temperatura
de
psicrométricos
bulbo
húmedo
se
es
dice
que
sinónimo
el
de
término
de
temperatura
de
saturación adiabática. Se puede decir que el proceso de bulbo
húmedo se realiza cambiando calor latente por
agua de la gasa húmeda, y el proceso
calor sensible del
de saturación adiabática
del mismo aire y enfriándolo.
De este modo, midiendo simultáneamente la temperatura de bulbo
seco Tbs y la temperatura de bulbo húmedo Tbh y sustituyéndolas en
la ecuación se obtiene la expresión de la humedad específica:
Donde Wsat se puede calcular a partir de la ecuación
11
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
El diagrama psicrométrico es la representación gráfica de las
propiedades del aire húmedo, a una determinada presión total
(generalmente, a 1 atm estándar = 101.391 kpa = 1.01391 bar).
Estos diagramas son distintos según sea la presión atmosférica
(Patm). Se representa en las ordenadas la humedad absoluta ω, y en
las abscisas la temperatura de bulbo seco del aire,
Diagrama Psicrométrico.
PROCESOS DEL DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
El
diagrama
psicrométrico
o
carta
de
humedad
se
pueden
representar procesos simples como calentamiento o enfriamiento a
humedad y presión constante o los mismos procesos de humedad
variable tal como se muestra en las siguientes figuras.
Calentamiento
o
en
enfriamiento
sensible.
12
Variaciones latentes
Aquí esta representado un proceso que se
aumento o
disminución
permaneciendo
constante
del
contenido
de
caracteriza
humedad
del
por un
aire,
la temperatura de bulbo seco.
13
CONCLUSIONES
Se han desarrollado rutinas computacionales para calcular las
características psicométricas y las propiedades termodinámicas
del aire atmosférico. Estas rutinas calculan las propiedades a
cualquier
presión
atmosférica
requerida
conociendo
otras
dos
características o propiedades del aire atmosférico en el espacio
a acondicionar. Los datos obtenidos por las rutinas sustituyen
con
mayor
confiabilidad
grafico.
Estas
cálculo
de
a
aquellos
características
los
parámetros
del
de
obtenidos
aire
se
por
el
ocuparon
funcionamiento
método
en
del
el
aire
acondicionado y de las torres de enfriamiento.
El
ser
humano
estará
confortable
bajo
una
variedad
de
combinaciones de temperatura y humedad. La mayoría de la gente
está confortable en una atmósfera con una humedad relativa de
entre 30% y 70%. Es por esta razón que existe la industria del
acondicionamiento
de
aire
(refrigeración,
ventilación
y
calefacción), porque la naturaleza no siempre proporciona las
condiciones ideales anteriores.
14
BIBLIOGRAFIA
 ALVAREZ MORALES, Alejandro (2004). TERMODINÁMICA DEL AIRE
ACONDICIONADO
Y
REFRIGERACIÓN.
Universidad
Autónoma
Metropolitana. División de Ciencias Básicas e Ingeniería.
IZTALAPA, MÉXICO.
 Dr. PILATOWSKY FIGUEROA, Isaac (2002). Psicrometría, métodos
de humidificación y dehumidificación y sus aplicaciones en
el diseño arquitectónico. Universidad Nacional Autónoma de
México. Guadalajara, Jalisco. México.
15