Características del aire húmedo y sus procesos Psicrometría. Características del aire húmedo y sus procesos Ing. Jesús A. Sánchez González

PSICROMETRÍA “La psicrometría tiene por objetivo la determinación y el estudio de las propiedades termodinámicas de mezcla aire-vapor de agua.”

Aplicaciones La psicrometría resulta entonces útil en: El diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos El diseño de equipos de refrigeración El estudio del secado de alimentos Todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire

El aire seco El aire es una mezcla de gases, su composición varia ligeramente en función de la posición geográfica y la altitud. El calor específico del aire a 1 atm (-40ºC a 60 ºC) varía desde 0,9997 hasta 1,022 kJ/(kg.K), en la mayoría de los casos se usa el valor intermedio: 1,005 kJ/(kg.K) La entalpía es equivalente al contenido energético del aire, es un término relativo. La temperatura de bulbo seco se muestra por un indicador de temperatura invariable

El vapor de agua El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor. El vapor en el aire es esencialmente vapor recalentado a baja presión parcial y temperatura. Por debajo de los 66ºC el vapor sobresaturado o sobrecalentado sigue las leyes de los gases ideales. Entre -71ºC y 124ºC, el calor específico tanto del vapor saturado como del sobrecalentado tiene variaciones mínimas, generalmente se toma un valor de 1,88 kJ/(kg.K). Para el cálculo de la entalpía se aumente el calor latente de vaporización.

Mezcla de gases ideales P V gas A gas B gas C Pi Ni xi = -- = -- P NT Ley de Dalton P = PA + PB + PC +...+ Pi Fracción molar Ni xi = -- NT NT = NA + NB + NC +...+ Ni Ley de Gibbs Dalton Las propiedades de una mezcla de gases ideales se pueden calcular a partir de las propiedades de los gases constituyentes mR´m = m1 R´1 + m2 R´2 +...+ mi R´i mhm = m1 h1 + m2 h2 +...+ mi hi mcpm = m1 cp1 + m2 cp2 +...+ mi cpi 1º Haga un click y aparecerá la ley de Dalton 2º Haga otro click y verá la ley de Amagat 3º Haga un tercer click para ver la ley de Gibbs Dalton 4º Haga un cuarto click en cualquier parte para ver la siguiente diapositiva Ing. Jesús A. Sánchez González

Temperatura de rocío R Aire húmedo Aire seco Ra´=287 J/kg K Vapor de agua Rv´=461,5 J/kg K = + P =Pa + Pv PaV = ma Ra´T PvV = mv Rv´T Temperatura de rocío R Mínima Tª que puede tener el aire húmedo sin que el vapor de agua se condense. A)  > R Aire húmedo no saturado R)  = R Aire húmedo saturado  < R Aire húmedo sobresaturado C Pv s  R A R A Ing. Jesús A. Sánchez González

Mezcla aire-vapor Las mezclas aire-vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales, aunque éstas pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm. Las mezclas de aire-vapor de agua existen en la atmósfera y siguen la Ley de Gibbs-Dalton (La presión total o barométrica del aire húmedo es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por el aire seco y por el vapor de agua). El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión.

Mezcla aire-vapor El punto de rocío es la temperatura a la que comienza la condensación de la humedad. El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la presión parcial ejercida por el vapor de agua (temp. de rocío)

Propiedades del aire húmedo

Parámetros característicos Humedad absoluta mv  = -- ma Pv  =0,622 ---- P -Pv kg ----- kg a.s. Humedad relativa Pv  = -- Ps Aire saturado 100  Aire seco 0  Entalpía del aire húmedo H = maha + mvhv h = +  (2501+ 1,82 ) H h = -- = ha+ hv ma hv = 2501+ 1,82  ha = cpa kJ ----- kg a.s. Origen de referencia 0ºC 1 atm 1º Haga un click y aparecerá la definición de humedad absoluta 2º Haga otro click y verá la de humedad relativa 3º Haga un tercer click para ver la entalpía del aire húmedo 4º Haga un cuarto click y aparecerá la definición de grado de humedad 5º Haga un quinto click en cualquier parte para ver la siguiente diapositiva Grado de humedad  φ = -- s humedad absoluta ------------------- humedad de saturación Ing. Jesús A. Sánchez González

Mezcla aire-vapor La humedad se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. La humedad relativa es la relación entre la fracción molar del vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presión. En condiciones en que se cumpla la ley de los gases ideales, la humedad relativa también se puede expresar como el cociente entre la densidad del vapor de agua en el aire y la densidad del vapor de agua saturado a la temp. de bulbo seco del aire

Mezcla aire-vapor El calor húmedo es la cantidad de calor que es necesario aplicar para aumentar 1K la temperatura de 1kg de aire seco más la del vapor de agua presente en el mismo. El volumen específico de la mezcla se expresa en m3/kg de aire seco, es el volumen que ocupa 1kg de aire seco más el del vapor de agua presente.

Mezcla aire-vapor El fenómeno de saturación adiabática del aire se aplica en el secado de alimentos por convección. Ocurre en un ambiente completamente aislado al calor donde el aire se pone en contacto con una superficie de agua; en este proceso parte del calor sensible del aire que ingresa se transforma en calor latente.

Técnica de saturación adiabática 1º Haga un click y aparecerá el balance de entalpía llevado acabo para determinar la humedad absoluta del aire entrante 2º Haga un segundo click y aparecerá la diapositiva “psicrómetro”, aunque también puede presionar el botón de acción naranja que le llevará al mismo sitio Ing. Jesús A. Sánchez González

Mezcla aire-vapor Generalmente se utilizan dos temperaturas de bulbo húmedo: la Tºbh termodinámica y la Tºbh psicrométrica. La Tºbh psicrométrica es la que se alcanza cuando el bulbo de un termómetro de mercurio cubierto con un paño húmedo se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a elevadas velocidades (5 m/s). La Tºbh termodinámica se alcanza cuando se satura adiabáticamente aire húmedo mediante la evaporación del agua. Para el caso del aire húmedo ambas temperaturas son casi iguales.

Psicrómetro BS BH Psicrómetro normal Aire BS Tª de bulbo seco BH Tª de bulbo húmedo BS = BH aire saturado BS - BH aire no saturado Mirando en tablas  BS - BH Aire gasa humedecida 1º Haga un primer y un segundo click y aparecerán una serie de características del psicrómetro. 2º Haga un tercer click en cualquier parte para ver la siguiente diapositiva. BS >>> BH (BS - BH) BS > BH (BS - BH)  disminuye  aumenta Psicrómetro normal Ing. Jesús A. Sánchez González

Otros instrumentos de medida

Carta psicrométrica 115 0´9 90 0.025 65 0.020 0´85 0.015 40 0.010 15  Humedad relativa 60  Humedad absoluta kg/kg aire seco 20 0´75 -10 90 65 40 15 Tª bulbo seco ºC 0´85 0´8 0´9 70 50 30 5 -5 35 45 55 25 10 Tª bulbo húmedo ºC Volumen específico m3/kg aire seco Entalpía específica kJ/kg Carta psicrométrica 0.025 0.020 0.015 0.010 Diapositiva sin animaciones, haga click en cualquier parte para volver a la diapositiva interactiva “Operaciones básicas en el acondicionamiento de aire y otros...” 0.005 0.000 Ing. Jesús A. Sánchez González

Otras cartas psicrométricas

Ejemplos Utilizando la carta psicrométrica: Caracterizar el aire de 50°C y 20% de humedad relativa Caracterizar el aire de 30°C y 25°C de bulbo húmedo

Procesos psicrométricos

Torres de refrigeración Aire caliente 2 A . . . mas ( 2 – 1) = mA - mB Balance de materia Agua caliente . . . mas (h2 – h1) = mAhA - mBhB Balance de energía 1 Aire frío . . mB= mas . mB masa agua fría mB= ---------- kg aire seco B Agua fría . . mA= mas . mA masa agua caliente mA= ------------ kg aire seco Ing. Jesús A. Sánchez González

Acondicionamiento de aire Ing. Jesús A. Sánchez González

Calentamiento y enfriamiento sensible 1 2 2  1 . Q . . Q = mas (h2 - h1) < 0  BS  1  2 h 1 h 2  1= 2 1 2 Ing. Jesús A. Sánchez González

Mezcla adiabática de dos corrientes h 3 - h 2  3 -  2 ---- = ------  ------ h 1 - h 3  1 -  3 . ma1 ma2 Balance energía . m1 h1 1 3 . m3 h3 . m2 h2 2  3 -  2 ---- = ------  1 -  3 . ma1 ma2 Balance materia  BS  1  2 h 1 h 2  1 1 2 3 h 3 3 2  3 Ing. Jesús A. Sánchez González

Enfriamiento con deshumidificación 1 2 3 . QE QC 1-2 Deshumidificación . . . QE = mas (h1 – h2) - mas ( 1 –2) hf2 2-3 Calentamiento . . Qc = mas (h3 – h2)  BS h 1 h 2  1 1 2 h 3 3 2,3 1º Haga click en cualquier parte para ver la ecuación del proceso de deshumidificación. 2º Haga otro click en cualquier parte para ver la ecuación del proceso de calentamiento. 3º Haga un último click en cualquier parte para regresar a la diapositiva interactiva “Operaciones básicas en el acondicionamiento de aire y otros...” Ing. Jesús A. Sánchez González

Humidificación 1 2 agua h1 + (2 – 1) hf = h2 h1>> (2 – 1) hf BS h 1 h 2  1 2 2 1 Adición de vapor BS h 1 h 2  1 1 2 2 2 1 Inyección de agua líquida h1 + (2 – 1) hf = h2 h1>> (2 – 1) hf h 1  h 2 1 2 agua Tela mojada Enfriamiento evaporativo BS h 1=h 2  1 2 2 1 2´ 1º Haga hasta tres cliks para ir viendo diferentes formas de aumentar el contenido de humedad del aire 2º Haga un último click en cualquier parte para regresar a la diapositiva interactiva “Operaciones básicas en el acondicionamiento de aire y otros...” Ing. Jesús A. Sánchez González

Ejemplo Calcular la energía necesaria para calentar en forma sensible10 kg/s de aire a 30ºC de temperatura de bulbo seco y 80% de humedad relativa hasta alcanzar una temperatura de bulbo seco de 45 ºC.

Resuelva los ejemplos

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