2. Psicrometria

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INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE ENERGÍA

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MEC208 TERMODINÁMICA 2

I I . PSICROMETRÍA

1. OBJETIVO

Estudiar el efecto de adición y sustracción de calor y humedad sobre una masa de aire húmedo en movimiento.

Investigar las propiedades más importantes del aire húmedo con ayuda de la carta psicrométrica.

2. EQUIPO A EMPLEAR

La planta de psicrometría del laboratorio (Figura 1) es una unidad didáctica de

acondicionamiento de aire marca P.A. HILTON LTD., compuesta de dos sistemas:

Figura 1. Vista general de la planta de Psicrometría del Laboratorio

Sistema de tratamiento del aire.

A largo de un ducto cuadrado de 10” de lado, están instalados los siguientes elementos:

Ventilador tipo Sirocco en la sección A y control de velocidad por medio de un transformador "Variac”.

Dos calentadores de aire (resistencia eléctrica) en la sección B de 1 kW cada uno y dos en la sección E de ½ kW cada uno.

Sistema de inyección de vapor en la sección C y evaporador de agua por medio de tres resistencias de inmersión: dos de 2 ½kW y una de 1kW.

Evaporador del sistema de refrigeración en la sección D.

Una placa orificio para la medición del caudal de aire con un manómetro inclinado.

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Sistema de Refrigeración.

Con R-12 como portador de energía, consta de:

Evaporador instalado en la zona D con tubo extractor de condensado

Unidad compresor – condensador

Válvula de expansión termostática

Control e instrumentación.

Estos dos sistemas, se pueden observar claramente en el esquema técnico de la figura 2. Los controles están ubicados en dos paneles, en el panel de la izquierda se ubican los interruptores de los tres calentadores de inmersión y los cuatro calentadores de aire, en el panel de la derecha se ubican los interruptores del ventilador y de la unidad compresor – condensador, así como el control de velocidad del ventilador.

3. INSTRUMENTACIÓN:

(01) Un termómetro de bulbo seco.

(01) Un termómetro de bulbo húmedo.

(01) Manómetro inclinado.

(01) Un rotámetro para refrigerante R-12.

Termómetros en el sistema de refrigeración.

Manómetros de Bourdon.

Probeta regulada.

Cronómetro.

Multímetro (Voltímetro)

Amperímetro de pinza.

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Figura 1. Esquema de la planta de Psicrometría del Laboratorio

A B C D E 2 Calentadores

de 1kW c/u

2 Calentadores

de ½ kW c/u

2 ½kW 2 ½kW 1kW

Ventilador

Mando de

velocidad del

ventilador

Salida

de aire

Manómetro

inclinado

Compresor Condensador Recipiente de

líquido

Válvula de expansión

Evaporador

Ingreso

aire

Placa Orificio

Medición

p1A, T1

Medición p1B

Medición p2, T2

Medición p3, T3

Medición T4

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4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El aire húmedo, o aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua. Los procesos

en los que interviene el aire húmedo tienen una gran importancia en meteorología, así como en

los casos particulares de aire acondicionado y de secado. La zona de temperaturas que

poseen importancia en las aplicaciones del aire húmedo se extiende desde unos -40ºC hasta

unos +50ºC. En la técnica del secado se llegan a temperaturas superiores (100ºC a 300ºC).

Siendo la temperatura crítica del aire seco aproximadamente –140ºC, este puede ser

considerado como un gas ideal, siempre que su presión parcial no sea superior a 20 bar;

además al encontrarse el vapor de agua a presiones bastante pequeñas, al estar ejerciendo su

presión parcial, su comportamiento se puede aproximar al de un gas ideal.

Propiedades del aire húmedo

Humedad relativa () - Es el cociente de la presión parcial del vapor en la mezcla (pv), entre la

presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (ps).

s

v

p

p

También es la razón de la masa de vapor en una unidad de volumen (mv), a la masa de vapor

que dicho volumen podría contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la mezcla

(ms).

Punto de rocío- Se define como la temperatura de saturación del vapor, correspondiente a la

presión parcial de este en la mezcla. También se define como la temperatura a la cual el vapor

empieza a condensarse cuando la mezcla es enfriada isobáricamente. En el punto de rocío =

100%.

Humedad absoluta o humedad especifica (x)- Se define como el cociente entre la masa de

vapor y la masa de aire seco.

0,622v s

as s

m PX

m P P

Temperatura de bulbo seco (TBS)- Es aquella indicada por un termómetro colocado en una

mezcla aire seco-vapor.

Temperatura de bulbo húmedo (TBH) - Es aquella indicada por un termómetro con bulbo

sensor humedecido, colocado en una corriente de aire húmedo. La TBH no es, estrictamente

hablando, una propiedad del aire, sino que una medida del efecto del aire sobre el agua

cuando está en íntimo contacto con él.

Los termómetros secos y húmedos nos proporcionan los datos necesarios para determinar la

humedad relativa y la humedad absoluta del aire atmosférico, con ayuda de las ecuaciones

pre-determinadas en la "carta psicrométrica".

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Carta psicrométrica

Es un diagrama que tiene como abscisa la temperatura del bulbo seco y como ordenada la

humedad especifica. En ella se trazan además las líneas de humedad relativa, de temperatura

de bulbo húmedo, de entalpía específica y de volumen específico de aire húmedo.

Figura 3. Carta Psicrométrica

Procesos en psicrometría

De los diferentes procesos utilizados en psicometría analizaremos los procesos más comunes.

Calentamiento y enfriamiento sensible - Se denominan así a los procesos durante los cuales no

hay integración de vapor por evaporación, ni eliminación de vapor por condensación; es decir,

son proceso durante los cuales el valor de x, y por lo tanto pv, se mantiene constante. Estos

procesos se representan en la carta psicrométrica por una recta horizontal entre los límites de

la temperatura del bulbo seco del proceso (no hay variación del calor latente).

Como modelo de VC FEES para el calentamiento, podemos presentar un ducto conduciendo

aire, que es calentado por una resistencia eléctrica.

Figura 4. Calentamiento sensible. No hay modificación de la humedad absoluta.

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Como modelo VC FEES para el enfriamiento, podemos presentar un ducto, conduciendo aire,

que es enfriado por un serpentín de enfriamiento (como por ejemplo, un evaporador de sistema

de refrigeración).

Figura 5. Enfriamiento sensible. No hay modificación de la humedad absoluta.

Humidificación por enfriamiento - El enfriamiento evaporativo del aire, se puede realizar

poniendo el aire en contacto con agua a una Temperatura igual a la de TBH, entre los límites

del proceso. Este proceso se caracteriza por TBH = Cte, y hx aproximadamente constante, ya

que el calor extraído del aire es devuelto como calor latente por un aumento del contenido de

humedad.

Como modelo VC FEES podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta

agua fría pulverizada.

Figura 6. Humidificación por enfriamiento. Incremento de la humedad absoluta.

Humidificación por calentamiento - Este proceso es parecido al anterior, pero a diferencia de

éste, se insufla vapor de agua, lo cual hace que la TBS aumente, en vez de disminuir. La línea

del proceso se presentará en forma inclinada., denotando un aumento de la temperatura y de la

humedad absoluta del aire.

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Como modelo VC FEES, podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta

vapor de agua "caliente".

Figura 7. Humidificación por calentamiento. Incremento de la humedad absoluta.

Deshumidificación por enfriamiento - Consiste en un enfriamiento hasta una temperatura menor

que su correspondiente temperatura de rocío. En la carta psicrométrica la podemos representar

en la misma forma que el enfriamiento sensible, pero si seguimos enfriando después de llegar

a = 100%, seguiremos por la línea de = 100% hasta la temperatura correspondiente a la

superficie de enfriamiento, que debe estar por debajo de la temperatura inicial. En este

proceso, el aire disminuye su humedad absoluta debido a la condensación de una parte del

vapor de agua contenido en la mezcla. El condensado abandona la mezcla.

Como modelo VC FEES para la deshumidificación por enfriamiento, podemos presentar un

ducto conduciendo aire, que es enfriado por un serpentín de enfriamiento (como por ejemplo,

un evaporador de un sistema de refrigeración).

Figura 8. Deshumidificación por enfriamiento. Se produce la condensación del agua contenida en la

mezcla aire húmedo.

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5. PROCEDIMIENTO

Pruebas a realizar:

Condiciones ambientales.

Calentamiento sensible 1, en la sección B, por medio de resistencias eléctricas (2 resistencias de 1kW cada una).

Humidificación por calentamiento, en la sección C, por medio de adición de vapor. Este vapor es el resultado de un proceso de ebullición con resistencias eléctricas.

Deshumidificación por enfriamiento, en la sección D, gracias a la absorción de calor en el evaporador del sistema de refrigeración.

Calentamiento sensible 2, en la sección E, por medio de dos resistencias eléctricas (1/2 kW cada una).

Antes del Ensayo:

Asegurarse de que el tanque de agua se encuentre lleno.

Asegurarse de que el termómetro de bulbo húmedo tenga agua en su recipiente.

Cuidar que todos los interruptores se hallen en posición apagado.

Chequear el buen estado de los instrumentos.

Verificar la conexión a tierra del equipo.

Conectar el equipo al suministro general de corriente.

Durante el ensayo:

Colocar en ON la llave principal de corriente del equipo.

Accionar el interruptor del ventilador.

Regular la velocidad del ventilador hasta obtener una variación en la presión mayor ó igual a 1 mmH20 en el manómetro inclinado.

Tomar datos para determinar las condiciones ambientales.

Encender todas las resistencias de inmersión y mantenerlas así hasta que el agua hierva (humidificación por calentamiento en la sección C), luego apagar una de las resistencias de 1kW para evitar que el tanque colapse.

Encender una (01) resistencia de 1kW en la sección B y encender dos (02) resistencias eléctricas de ½ kW en la sección E (calentamiento sensible).

Encender el compresor (deshumidificación por enfriamiento en la sección D) y esperar a que se forme condensado de forma continua.

Esperar 5 min para que el sistema se estabilice.

Tomar datos de temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo en cada una de las secciones (A, B, C, D, E). (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 3 min). Tomar la lectura de la caída de presión en la placa orificio (Tres tomas)

Registrar los valores de presión y temperatura en los cuatro procesos del sistema de refrigeración.

Tomar el dato de flujo de refrigerante R-12 en el rotámetro.

Medir el flujo de condensado con ayuda de una probeta y un cronómetro.

Medir la temperatura del condensado.

Medir voltaje y corriente en las resistencias eléctricas de la sección B.

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Para apagar el equipo

Desconectar el compresor.Desconectar todas las resistencias de inmersión.

Desconectar la resistencia eléctrica.

Poner el regulador de velocidad en cero y desconectar el interruptor del ventilador.

Poner en OFF la llave principal de corriente del equipo.

Desconectar el equipo del suministro de energía eléctrica.

Precauciones durante el ensayo:

La ebullición del agua en el tanque evaporador, puede ocasionar un colapso del mismo.

La formación continua de condensado en el sistema de refrigeración puede demorar hasta 30 minutos.

6. CÁLCULOS Y GRÁFICOS:

Realizar el balance térmico en el tramo A-B de la planta de psicrometría (calentador).

Realizar el balance térmico en el tramo B-C de la planta de psicrometría (evaporador).

Representar los procesos en una carta psicrométrica.

Comparar el caudal de condensado medido con el evaluado con la ayuda de la carta psicrométrica.

7. HOJA DE DATOS

7.1. Condiciones Ambientales:

Parámetro Unidades Valor

Temperatura

Presión

Humedad relativa

7.2. Datos del sistema de tratamiento de aire:

Sección Temperatura de

bulbo seco (°C)

Temperatura de

bulbo húmedo (°C)

A

B

C

D

E

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7.3. Datos adicionales del sistema de tratamiento de aire

Parámetro Unidades Mediciones

Diferencia de presiones en

placa orificio (Δh) mmH20

Corriente de consumo de

resistencias en tramo A-B (IA-B) A

Voltaje de consumo de

resistencias en tramo A-B (VA-B) V

7.4. Datos del sistema de refrigeración:

Parámetro Unidad Mediciones

Presión 1A kgf/cm2

Presión 1B kgf/cm2

Presión 2 kgf/cm2

Presión 3 kgf/cm2

Flujo másico de refrigerante g/s

Temperatura 1 °C

Temperatura 2 °C

Temperatura 3 °C

Temperatura 4 °C

Flujo de

Condensado

Volumen de condensado (Vp)

ml

Tiempo transcurrido

(tp) s

Temperatura de condensado (Tc) °C

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Nota:

La ecuación para el cálculo del flujo volumétrico de aire húmedo se indica en la siguiente

ecuación:

E

aEw0

3ah

X11000

νΔhgρ2AC/smV

Donde:

C : Coeficiente de descarga de la placa orificio, 0.64

A0 : Área interna del orificio, en m2 (El valor calculado es de 0.0182 m2)

ρw : Densidad del agua a la temperatura del ambiente, en kg/m3

g : Aceleración de la gravedad terrestre, en m/s2

Δh : Diferencia de presiones en la placa orificio, en mmH2O

νaE : Volumen específico del aire seco en la sección E del ducto, en m3/kg aire seco

XE : Humedad específica del aire en la sección E del ducto

8. HOJA DE INSTRUMENTACIÓN

Entorno de la

medición Parámetro Instrumento y tipo Rango Aproximación

Sistema de

tratamiento de

aire

Temperatura de

bulbo seco

Temperatura de

bulbo húmedo

Presión

Sistema de

refrigeración

Temperatura

Flujo másico del

refrigerante

Presión

Condensado

Volumen

Tiempo

Temperatura

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9. BIBLIOGRAFIA

PERAGALLO, Raúl, “Elementos básicos de aire acondicionado”, Editorial Paraninfo, Madrid 1979, 266 p. TH 7687 P45

POSTIGO, Jaime y CRUZ, Juan, “Termodinámica Aplicada”, W.H. Editores, 2da. Edición, Lima, 1991, 101 p. TJ 265 P79

STOECKER, Wilbert F., “Refrigeración y Aire Acondicionado”, Ed. McGraw-Hill, México 1977, 406 p. TP 492 S82

TROTT, A.R., “Refrigeration and air conditioning”, Ed. McGraw-Hill, New York 1981, 310 p. TP 492 T82 IN

VAN WYLEN, Gordon y SONNTAG, Richard, “Fundamentos de Termodinámica”, Limusa Editores, México, 1975, 734 p. TJ 265 V28

WARK, Kenneth, “Thermodynamics”, Ed. McGraw-Hill, New York 1988, 954 p. TJ 265 W26 IN

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