John Ramiro Agudelo Santamaría Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica

John Ramiro Agudelo SantamaríaProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica

Conceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire

Conceptos básicosConceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire

Se define psicrometría como la ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano, así como los métodos para controlar las características térmicas del aire húmedo.

Lo anterior, se puede llevar a cabo a través del uso de tablas psicrométricas o de la carta psicrométrica.

Para el estudio de la psicrometría se debe tener conocimiento de los siguientes términos básicos:

AtmósferaEl aire que esta alrededor de nosotros, se compone de una mezcla de gases secos y vapor de agua. Los gases contienen aproximadamente 77% de nitrógeno y 23% de oxígeno, con otros gases que totalizan menos del 1%. El vapor de agua, existe en muy poca cantidad, así que esmedido en granos o libras, (una libra contiene 7.000granos)

Composición del aire seco (sin vapor de agua)


El aire húmedo

El aire húmedo se supone que está constituido por unamezcla de aire seco y vapor de agua. Si llamamos ma a lafracción de aire seco y mw a la fracción de vapor de agua,se cumplirá:

aw mmm


Supongamos que podamos separar el aire seco y el vapor deagua. Debe cumplirse por la Ley de DALTON que la suma depresiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en elaire atmosférico.

wa ppp


Temperatura de bulbo secoEs la temperatura medida con un termómetro ordinario.

Temperatura de bulbo húmedoEs la temperatura que resulta de la evaporacióndel agua, en una gasa húmeda, colocada sobreun termómetro común.


T° Bulbo seco T° Bulbo húmedo


Temperatura de punto de rocío

Es la temperatura de saturación, a la cual tienelugar la condensación del vapor de agua. Unejemplo es la humedad sobre un vaso de aguacon hielo. El vidrio frío reduce la temperatura delaire por debajo del punto de rocío y la humedadque se condensa forma gotas sobre la superficiedel vidrio.


Humedad específica

Representada con el símbolo w, se define como elcociente entre la masa de vapor contenida en el aire yla masa de aire seco.

seco aire de kg

agua de vapor de kg

a

v

m

mw

a

v

p

pw 622,0

va ppp


Humedad relativa

Es la relación del vapor de agua real en el aire, comparado a la máxima cantidad que estaría presente a la misma temperatura, expresada como un porcentaje (%).

g

v

vg

vv

g

v

P

P

TRP

TRP

m

m


Volumen específicoEs el número de metros cúbicos, ocupados por un kilogramo de la mezcla de aire y vapor de agua.

Calor sensibleEs la cantidad de calor seco, expresado en Btu por libra de aire; se refleja por la temperatura de bulbo seco.

Calor latenteEs el calor requerido para evaporar la humedad que contiene una cantidad específica de aire. Esta evaporación ocurre a la temperatura de bulbo húmedo. También, se expresa en Btu por libra de aire.


Calor total

El contenido de calor total de la mezcla de aire y vaporde agua, también se conoce como entalpía. Es la sumade los valores de calor sensible y latente.

vvaava hmhmHHH

Al dividir por am

vava

va

a

hhhm

mh

m

Hh

)/( airekgkJhhh ga


Una carta psicrométrica es la representación gráfica de las propiedades termodinámicas del aire húmedo, es decir, de la mezcla de aire más vapor de agua. Con ella se pueden analizar gráficamente las propiedadesesenciales del aire lo cual facilita además la solución de diferentes problemas termodinámicos.

Conceptos básicos Carta psicrométricaCarta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire

Dichas propiedades esenciales del aire son:

Temperatura de bulbo seco. Temperatura de bulbo húmedo Temperatura del punto de rocío Humedad relativa Humedad específica Contenido de humedad y volumen específico Entalpía de saturación.

La carta psicrométrica, es probablemente el mejor modo de mostrar lo que sucede al aire y al vapor de agua, cuando cambian estas propiedades.


La carta es publicada por ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers), y es la más comúnmente usada en la industria.

Para determinar todas las propiedades del aire húmedo, sólo se necesita conocer dos de lasanteriores propiedades y el resto de ellas sepueden encontrar con toda facilidad.



Composición diagrama psicrométrico

Líneas de humedad absoluta oespecífica

La escala de la humedad absoluta es laescala vertical (ordenada) que seencuentra al lado derecho de la carta psicrométrica.

Las líneas de humedad absolutaCorren horizontalmente de derecha aIzquierda.Se puede ver que la cantidadde humedad en el aire depende delpunto de rocío del aire.

Líneas de humedad absoluta en gramos/Kg


Líneas de humedadrelativa

Las líneas de humedad relativaconstante, son las líneas curvasque se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresansiempre en tantos por ciento, yeste valor se indica sobre cadalínea.

Líneas de humedad relativa %


Líneas de temperatura delbulbo seco constante

Esta escala es la horizontal (abscisa),en la parte baja de la carta, según semuestra en la figura. Las líneas quese extienden verticalmente, desdela parte baja hasta la parte alta de lacarta.

Son constantes porque cualquierpunto a lo largo de una de estaslíneas corresponde a la mismatemperatura de bulbo seco indicadaen la escala de la parte baja.

Líneas de temperatura de bulbo seco °C


líneas de temperatura debulbo húmedo constantes

Corren diagonalmente deizquierda a derecha y de arribahacia abajo, en un ángulo deaproximadamente 30° de lahorizontal. También se lesdice constantes, porque todoslos puntos a lo largo de una deestas líneas, están a la mismatemperatura de bulbo húmedo.

Líneas de temperatura de bulbo húmedo °C


Líneas de volumenespecífico constante

Estas líneas están en un ánguloaproximado de 60° con lahorizontal, y van aumentandode valor de izquierda aderecha.

Por lo general, el espacio entrecada línea, representa uncambio de volumen específicode 0.05 m3/kg. Cualquier puntoque caiga entre dos de estaslíneas, naturalmente debe serun valor estimado.

Líneas de volumen específico en m³/kg de aire seco


Líneas de entalpía

Estas líneas, son meramenteextensiones de las líneas debulbo húmedo; puesto que elcalor total del aire dependede la temperatura de bulbohúmedo.

Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco


Líneas de temperatura puntode rocío

La escala para las temperaturas depunto de rocío es idéntica que laescala para las temperaturas deBulbo húmedo; es decir, es lamisma escala para ambaspropiedades. Sin embargo, laslíneas de la temperaturade punto de rocío correnhorizontalmente de izquierda aderecha. Líneas de temperatura de punto de rocío °C


La combinación de enfriamiento y deshumidificación,se encuentra en prácticamente todos los sistemas deaire acondicionado.

La deshumidificación es la remoción del vapor de aguapresente en el aire. La cantidad del vapor de agua,presente dentro de una zona ocupada, variarádependiendo del número de personas presentes y desu actividad, de la condición del aire exterior entreOtros.

Conceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificaciónEnfriamiento y deshumidificación Mezclas de aire

Al enfriamiento y deshumidificación del aire paraconfort humano, se le conoce comúnmente como aireacondicionado.

Los procesos de acondicionamiento del aire como elcalentamiento, el enfriamiento, la humidificación ydeshumidificación se pueden mostrar gráficamente enla carta.


Asumiendo un puntocualquiera (A) enla gráfica, con unatemperatura y un factor dehumedad conocidos; si sefuera a calentar el aire sinañadir humedad, el punto semovería a la derecha sobre lalínea horizontal, mostrandoaumento en la temperaturade bulbo seco.


Si se fuera a añadirHumedad (humidificar) sincambiar la temperatura,el punto se moveríaverticalmente haciaarriba, pero si se redujera laHumedad (deshumidificar),se movería verticalmentehacia abajo.


Si la muestra de aire anteriorse enfría lo suficiente,eventualmente llegará uninstante en que se alcanza lacurva de saturación, punto Bde la figura , situación enla cual no puede contenermás vapor de agua para lacondición dada y seempezará a condensar algode ese vapor de agua.


Asumamos que disponemos de una muestra de aire a 80°F (26.8°C) quecontiene 0.011libras de agua (punto A en el gráfico) al enfriarlo llegaremoshasta el punto B en el cual la temperatura es59.7°F (15.4°C) en donde esinminente la condensación correspondiendo a la temperatura del punto derocío.

Ahora, si la muestra se enfría más, porejemplo, hasta 50°F (10°C), la humedad se condensará siguiendo la línea de saturación hasta el punto C en donde tendrá un punto de rocío de 50°F y una humedad de sólo 0.0076 libras de agua.


Un ejemplo práctico de este proceso, ocurre en unducto metálico de transporte de aire frío paraacondicionamiento del aire de un recinto, el cual pasa através de un área húmeda no a c o n d i c i o n ad a .

¿ S u d a r á (condensación) el ducto y seránecesario aislarlo?


Supongamos que el aire frío transportado tiene una temperatura de 55°F (12.8°C) la cual será probablemente también la temperatura superficial exterior del ducto metálico, asumamos también que la temperatura del aire ambiente alrededor del ducto está a 95°F (35°C) con 0.0142 libras de humedad.

Esta condición del aire exterior implica una temperatura de saturación (punto de rocío) de 67°F (19.4°C), cualquiersuperficie que posea una temperatura por debajo del punto de rocío provocará inminentemente la condensación y la única forma de evitarlo es a base de aislamiento.


En los ciclos de climatización de aire, este se mezcla con el aireexterior y el de retorno. El aire mezclado estará a una temperaturamenor a la del exterior y algo mayor a la del retorno del cuarto.

Conceptos básicos Carta psicrométrica Enfriamiento y deshumidificación Mezclas de aireMezclas de aire

En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuenciase requiere mezclar aire a diferentes temperaturas deBulbo húmedo (bh) y de bulbo seco (bs), para lograr unadeterminada condición final de aire. La mayoría de lasaplicaciones de aire acondicionado comercial,requieren de un cierto volumen de aire exterior frescoque sea introducido al espacio ocupado.


Puesto que la introducción del 100% de aire exterior no espráctico, desde el punto de vista de costo operacional, se debemezclar el aire exterior requerido, con un porcentaje de aire de retorno, antes de calentarlo o enfriarlo.

Por ejemplo, si se mezclan3.68 m³/min de aire exterior a 35°C de bs y 24 ° C de bh, con7.36 m³/min de aire de retorno a 27 ° C de bs y 19 ° C de bh, elflujo total del aire será de 11.04 m³/min. Esto dará una relaciónde mezcla de 33.3% de aire exterior y 66.7% de aire recirculado(con base a volumen).


En la carta psicrométrica trazamos las condiciones del aire como se muestraen la figura


Para determinarla temperatura de bulbo seco de la mezcla:

CC

CC

09.1867.027

55.1133.035

Temperatura de bulbo seco de la mezcla = 29.64°C

Para encontrar la temperatura de bh de la mezcla resultante,se localiza el punto donde la línea de la mezcla cruza la línea constante de temperatura de bsde 29.64°C. Este punto (3) es la condición de la mezcla,y de aquí podemos seguir la línea constante de temperaturade bh hacia la izquierda, hasta donde cruza la escala paraencontrar la temperatura de 20.8°C


Factor de Calor Sensible (FCS)

Es la relación de calor sensible con respecto al calor total, siendo este últimola suma de los calores sensible y latente. Esta relación se expresa:

En una carta psicrométrica, los valores del factor de calor sensible (FCS), corresponden a la escala vertical del lado derecho de la carta, paralela a laescala de humedad absoluta.

T

S

LS

S

Q

Q

QQ

QFCS


coCo

¿La humedad relativa del aire saturado necesariamente es del 100%?

¿Cuál es la diferencia entre aire seco y aire atmosférico?

¿El vapor de agua puede tratarse como un gas ideal?

¿Por qué las tuberías de agua fría están rodeadas con recubrimientos de vapor?

En verano, la superficie exterior de una botella de vidrio llena de agua congelada con frecuencia “suda”, ¿Cómo se puede explicar este fenómeno?

¿Cómo se determina la temperatura del punto de rocío en un estado especificado en la carta psicrométrica?

¿Cómo afecta la humedad al bienestar humano?

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John Ramiro Agudelo Santamaría Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica