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Psicrometría

Universitat Politècnica de ValènciaInstituto de Ingeniería EnergéticaProf. José Gonzálvez Maciá


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Introducción

Diagramas psicrométricos

Variables psicrométricas

Fuentes de datos

Procesos Psicométricos Elementales

Procesos de Mezcla y Balances

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Índice




Definición

Es la ciencia que estudia las propiedades del aire húmedo (mezcla de aire seco y vapor de agua) y los procesos en los que la temperatura y la composición del vapor de agua de la mezcla cambia, por ejemplo procesos meteorológicos, de secado, aire acondicionado, deshumifidicación…

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Introducción

Composición del aire seco

Todos los constituyentes del aire seco están muy por encima de su punto crítico por ello no están cercanos a condiciones de condensación. La mayoría de los cálculos psicométricos asumen que la composición del aire seco no varía.




Propiedades termodinámicas usadas para cálculos de Aire Húmedo

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Introducción

Ru 8314 J/kgmol K

AIRE

Ra 287 J/ kg K

Peso Molecular Ma 28.97 kg/kgmol

Temperatura Referencia Tref,a 0ºC

Calor Específico Cpda 1004 J/ kg K

VAPOR AGUA

Rv 461.89 J/ kg K

Peso Molecular Mv 18.02 kg/kgmol

Temperatura Referencia Tref,v 0 ºC

Calor Específico Cpv 1868 J/ kg K

Entalpía Cambio Fase hfg,ref 2501.0 E3 J/kg




Composición del aire húmedo

Introducción

Aire húmedo= aire seco + vapor de agua

Aire seco

Gas ideal

Vapor de agua

Gas ideal

- Presión del vapor de agua muy inferior a la atmosférica (2% o menos).- Se considera que el aire estará en estado de vapor y que en las

transformaciones solo el agua puede cambiar de fase.El agua líquida se considera que abandona la mezcla

Ley de Dalton para mezclas de gases:

wda ppp

5




Definición del estado de una mezcla

Según la regla de las fases de Gibbs, para definir el estado de una mezcla de varios componentes se necesita el siguiente numero de variables independientes:

– L=C-F+2

Para el aire húmedo necesitaremos 3 propiedades independientes, 1 de ellas suele ser la presión total (barométrica) y las otras dos serán determinadas en base a los datos disponibles y/o su facilidad de obtener:

– Tª de bulbo seco y Tª de bulbo húmedo

– Tª de bulbo seco y humedad relativa

– Tª de bulbo seco y Tª de rocío

– La relación de humedades, punto de rocío y presión de vapor del agua son dependientes!

La estimación de todas las propiedades del aire a unas condiciones dadas puede realizarse mediante el uso de un gráfico o software.

– Los diagramas psicométricos son figuras que dependen de dos variables donde se supone que la tercera (esto es la presión) es igual a la presión atmosférica.

» Dependiendo el rango de uso existen varias versiones de diagramas

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Introducción




Diagrama psicrométrico

7

?

?

??

Introducción




Zonas del Diagrama

Zona de vapor sobrecalentado

– Cuando un fluido para una presión dada está a una temperatura mayor que la correspondiente a la de saturación para esa presión estamos en la región de vapor sobrecalentado, es decir a la derecha de la campana de saturación. Del mismo modo a la izquierda a una temperatura menor correspondiente a la de saturación para esa misma presión estaremos en la región de liquido subenfriado.

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Diagrama Psicrométrico




Zonas del Diagrama

Curva de Saturación

– Se refiere únicamente a la componente del vapor de agua. Línea de puntos donde coexisten dos fases. Un vapor saturado existe cuando el volumen contiene el número máximo posible de moléculas de vapor de agua, no puede contener más.

– Punto de Rocío (Dew-point): Es el punto donde teniendo vapor aparece la primera gota de líquido.

» En cuanto el aire húmedo toca una superficie a una temperatura menor que la de saturación para la presión parcial del vapor de agua, se produce condensación en dicha superficie.

– Con superficies por debajo de cero, si hay condensación no será en fase líquida sino directamente en fase sólida (escarcha).

9





Zonas del Diagrama

Zona de Niebla

– Es la zona donde coexiste el aire seco que es un gas y el vapor de agua saturado, que está en condensado en pequeñas gotas en el ambiente formando todo ello un aerosol conocido como niebla.

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Temperatura de bulbo seco (Tdb o T [°C])

Es la medida por un termómetro ordinario no sujeto ni a evaporación, condensación o radiación y en condiciones estacionarias. Si no se especifica nada la temperatura será la de bulbo seco.

Medición

– Es la más fácil de medir. Mediante: Termopares, termoresistencias, bimetales, termómetros de mercurio…

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Variables Psicrométricas




Temperatura de rocío (Tdp [°C])

Es a la cual la fase vapor de una sustancia pura satura sin cambio en la presión. Si lo aplicamos a un vapor de agua será la temperatura a la cual debe ser enfriado para que comience la saturación del vapor.

Medición

– Fuentes meteorológicas, como p.e. el proyecto RP-754 publicado en el tercer volumen por ASHRAE

– Aparatos de medición

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Presión barométrica (p [kPa])

Es presión total que reina en el ambiente o recinto. De acuerdo a ley de Dalton la presión barométrica es la suma de la parcial del aire seco y la del vapor de agua

Medición

– Se puede medir con un barómetro a menudo de mercurio. No obstante si no se disponen de elementos de medida y deseamos conocer su valor por estar a una altitud importante, existen correlaciones publicadas en función de la altitud que podemos usar.

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wda ppp

2561.55 )10255692.21(101325 HpBAR p

pxp ii




Presión de aire seco (pda [kPa])

Presión parcial del aire seco que a partir de la ley de los gases ideales:

Presión de vapor de agua (pw [Pa])

Es la presión parcial ejercida por el vapor de agua en el volumen ocupado por el aire húmedo. Es decir la presión total que reinaría un recinto de volumen igual al que ocupa el aire húmedo pero ocupado con la misma masa que de vapor de agua.

A partir de la ley de los gases ideales

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da

dbdada

MV

TRmp

w

dbww

MV

TRmp




Presión de vapor saturado (pws [kPa])

Presión de vapor de agua (parcial) cuando se encuentra en saturación a una temperatura dada.


ASHRAE FUNDAMENTALS 2013

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)(3.237

)(·5.77858.2)(log10

CT

CTPapws




Humedad absoluta (W [kgw/kgda])

Es la relación de masa de vapor de agua y la masa de aire seco en volumen de aire húmedo.

Medición

– Su medición es difícil y costosa. Es necesario un higrómetro grande, caro y difícil de transportar. No es fácil de medir y por ello o bien se calcula a partir de otras propiedades o bien se usan tablas o diagramas.

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w

w

da

w

da

w

pp

p

M

M

m

mw

·

≈0.622




Humedad Relativa (RH [%])

Es la relación entre la fracción molar del vapor de agua en el aire respecto a la fracción molar de vapor de agua en un aire saturado a la misma temperatura y presión total. Asumiendo comportamiento de gas ideal:

Medición

– Su medición se realiza con instrumentos muy económicos por ello es un parámetro tan usado. Desafortunadamente las imprecisiones son elevadas ±[ 2,20] %

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pTws

pTw

ws

w

da

da

p

p

n

nRH

,

,·100·100

Grado de saturación

Es el cociente entre la cantidad de vapor de agua que existe en el aire en unas condiciones, respecto a la cantidad máxima que podría tener a dicha temperatura en forma de vapor.

100)(

)(

100)(

)( RH

PP

PPRH

PPP

PPP

W

WGS

vT

vsT

vTvs

vsTv

cteTss

%100RH




Temperatura termodinámica de bulbo húmedo (Twb [°C])

Es la temperatura del agua líquida (o solida) puede llevar, por su evaporación en el seno del air húmedo, a la corriente de aire húmedo a su saturación de forma adiabática.

– También conocida como temperatura de saturación adiabática.

– Es una propiedad termodinámica del aire húmedo

– Enfriamiento adiabático q=0, (∆h≈0)

» Las líneas de h=cte son muy parecidas a las de Twb pero no son exactamente iguales

La temperatura de bulbo húmedo es la que marca un termómetro cuando su bulbo está cubierto de agua en contacto con el aire y

– El agua experimenta una evaporación que compensa con la ganancia d calor sensible por estar a menor temperatura que el aire. La temperatura de equilibrio que alcanza el agua es la de bulbo humeo del aire. No es por tanto un propiedad.

– Las correcciones necesarias para obtener la temperatura termodinámica de bulbo húmedo son muy pequeñas.

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W2=Wsat RH=100%

T2=Twb1=Twb2




Entalpía específica de aire seco (hda [kJ/kgda])

Su definición proviene de termodinámica básica para comportamiento de gas perfecto (Se toma como referencia la entalpía a ≈ 0 °C)

Medición

– La entalpía no puede ser medida directamente sino en incrementos. Para ello disponemos de tablas y diagramas que han sido obtenidos de forma precisa en laboratorios, estableciendo el punto de referencia para entalpía,

Entalpía específica de vapor de agua (hw [kJ/kgw])

Se toma como referencia la entalpía del líquido saturado a ≈0 °C y presión de 0,610 kPa(punto triple del agua)

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TTCphTTCph

vpuh

darefdarefdada 005.1)(

·

,

Th

CThTCphTTCph

w

fgvwrefwrefvww

·86.12501

)0()( ,,,

Cp vapor saturado ∆h evaporización (supuesto cte)

Como la T referencia está en °C, la T también!

Como la T referencia está en °C, la T también!




Entalpía específica de aire húmedo (ha [J/kgda])

Es la entalpía de la mezcla por ud. de masa de aire seco. Algo muy importante en este capítulo de psicometría es que esta entalpía específica viene expresada en J por kg de aire seco!

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TWWh

hWTCphTCpWTCph

hWhm

hmhmh

fgafgvwda

wda

da

wwdada

)·005.1·86.1(·2501

··

·

,

vwda CpWCpCp ,·




Volumen específico de aire húmedo (v [m3/kgda])

Volumen ocupado por el aire húmedo por unidad de masa de aire seco

Medición

– No es fácil de medir y por ello o bien se calcula a partir de otras propiedades o bien se usan tablas o diagramas.

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][][

][287

PapPap

KT

pM

RT

m

Vv

wdadada

a




Calor sensible y latente (q [kJ])

Desde de un punto de vista estricto el calor está definido estrictamente como una energía asociada a una diferencia de temperaturas y no a una energía almacenada por un fluido, por ello el termino latente y sensible se asocian a entalpías.

Calor latente

– Un cambio de entalpía asociado a un cambio de fase de la sustancia, pudiendo mantener su temperatura de bulbo seco constante.

Calor sensible:

– Un cambio de entalpía asociado a un cambio de temperatura de bulbo seco, pudiendo mantenerse intacto el estado físico de la sustancia.

SHR (sensible heat ratio)

– Relación entre el calor sensible y el total intercambiado

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1

1

1

W

T

h

mda

2

2

2

W

T

h

mda

Q

fgesdalat

esdasens

latsens

fgesesdada

hWWmQ

CpTTmQ

QQQ

hWWCpTTmhhmQ

)(

)(

)·()(12

Del aire húmedo!

Vapor agua introducido (condensado)!




Lectura Diagrama Psicométrico

Para entrar al diagrama debemos fijar tres variables, lo habitual es:

– Presión Barométrica

– Tª bulbo seco

– Tª bulbo húmedo o humedad relativa o Tª de rocío

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Tablas

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Fuentes de datos




Diagrama p-h agua

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Fuentes de datos





26

Fuentes de datos





27

Fuentes de datos





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Fuentes de datos





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Fuentes de datos




Definición Proceso Psicrométrico

Estos procesos se dan cuando el aire húmedo sufre un cambio o transformación desde un estado inicial a un estado final, llevado a cabo por aportes de calor, trabajo o masa (agua).

– La masa de aire seco no varía a no ser que haya una mezcla

Es decir cualquier movimiento definido como una línea continua que realicemos dentro del diagrama psicométrico es un proceso psicométrico. Por ello hay infinitos.

Ejemplos de procesos

Calentamiento o enfriamiento sensible

Humidificación o deshumidificación única

Calentamiento y humidificación

Enfriamiento y humidificación

Enfriamiento y deshumidificación

Calentamiento y deshumidificación

Mezclas adiabáticas

Procesos Psicrométricos Elementales

Estos procesos combinados son los que se suelen dar en una instalación de climatización.

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Proceso de calentamiento sensible único.

Calentamos aportando calor por un procedimiento cualquiera. El estado final posee una temperatura de bulbo seco y de bubo mojado mayor, pero una menor HR.

La temperatura de rocío, humedad absoluta y la presión de vapor no varían: Todo ello indica que no existe cambio en la composición del vapor de agua.

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Procesos PsicrométricosElementales




Proceso de enfriamiento sensible único.

Enfriamos por cesión de calor por un procedimiento cualquiera. El estado final posee una temperatura de bulbo seco y de bubo mojado menor, pero una mayor HR.

La temperatura de rocío, humedad absoluta y la presión de vapor no varían: Todo ello indica que no existe cambio en la composición del vapor de agua.

El límite de este proceso llega cuando las superficies están a una temperatura menor a la de rocío, produciéndose en tal caso el inicio de la condensación del vapor de agua y por tanto un proceso de enfriamiento sensible+deshumidificación.

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Proceso de Enfriamiento y deshumidificación simultáneo

El enfriamiento y deshumidificación combinada es el proceso más común cuando se enfría y se da p.e. en una batería enfriadora de refrigeración.

Inicialmente el aire es enfriado principalmente de forma sensible hasta el llegar a un 85 % de HR en ese momento la línea del proceso en el diagrama psicométrico se dobla hasta terminar el proceso de forma conjunta enfriando y deshumidificando.

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salentdacondesadaw WWmm ·,

condesadawm ,




Condiciones para que haya deshumidificación (mecánica)

Que la temperatura de la superficie esté por debajo de la de rocío correspondiente a las condiciones del aire

– Si la pared está por debajo de la temperatura del pto. triple (0 °C aprox.) aparecerá escarcha

Condiciones para que haya humidificación (mecánica)

Que la superficie no esté seca

Se puede evaporar hielo sin necesidad de fundirlo

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Enfriamiento evaporativo y adiabático.

El cambio de temperatura es debido exclusivamente a vaporizar agua líquida en el aire húmedo.

Esta vaporización implica un cambio de fase del agua líquida introducida en la corriente de aire húmedo a vapor

Si no hay flujos de calor que entren o salgan del sistema, el proceso es completamente adiabático (q=0Twb=cte, ∆h≈0)

Mientras la temperatura de bulbo seco disminuye la humedad absoluta aumenta a h=cte

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Recta de maniobra de una transformación psicométrica (RM)

Caracteriza el comportamiento de determinados equipos ya que relaciona las condiciones de entrada y de salida

No depende del caudal de aire seco

Su valor puede ser positivo o negativo

En los diagramas que tienen como variables independientes la entalpia y la humedad especifica es la pendiente de la recta que pasa por los puntos que definen los estados inicial y final del aire.

Los diagramas psicométricos incorporan una escala que permite obtener la dirección de esta recta

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W

h

m

QRM

ag




Factor de calor sensible (SHR)

Caracteriza el comportamiento de una transformación

No depende del caudal de aire trasegado

No depende de las condiciones de aire de entrada (aprox.)

En el calculo de cargas de un local es mas fácil de utilizar que la recta de maniobra

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fgesdalat

esdasens

latsens

hWWmQ

CpTTmQ

QQQ

)(

)(

Del aire húmedo!

tot

sen

Q

QSHR




Atomización de Agua.

Consiste en conseguir un contacto intimo entre partículas de agua y un flujo de aire. La aplicaciones más importante son las torres de refrigeración.

La variación de las variables y el proceso depende de la tipología del proceso seguido

– (a) Flujo paralelo

– (b) Flujo cruzado

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(b)(a)




Deshumidificación desecante (química)

Este proceso es el opuesto al enfriamiento evaporativo. El vapor de agua es adsorbido por el desecante y condensado en líquido dentro de los poros del mismo. Esta condensación libera un calor que calienta el aire y el desecante.

La temperatura de bulbo seco del aire aumenta y la humedad absoluta disminuye. De forma ideal lo hace a Twb=cte.

Cuando el desecante se acerca a condiciones de saturación de agua debe ser sustituido del proceso o regenerado.

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Mezcla adiabática de dos corrientes de aire

Partimos de dos puntos iniciales. El punto final vendrá determinado por la misma presión total de ambos puntos, y:

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332211 hmhmhm dadada

321 dadada mmm

332211 WmWmWm dadada

Para las temperaturas esta relación solo se cumple de forma aproximada

2

1

13

32

13

32

da

da

m

m

WW

WW

hh

hh

Despejando:

Esto implica que la mezcla está situada sobre una línea recta entre salida y entrada




Mezcla adiabática de dos corrientes de aire

41


2,,1,,

1,,

2,1,

2,

edaeda

eda

mm

m

ee

es

1,e

s

2,e

2,,1,,

2,,

2,1,

1,

edaeda

eda

mm

m

ee

se

1,,

2,,

2,

1,

eda

eda

m

m

es

se




Mezcla adiabática de agua inyectada en aire húmedo

42


Despejando:

Agua líquida o vapor




Efectos de espacio: ganancia de calor y humedad

Uso en aire acondicionado/climatización

– La selección de los equipos de aire acondicionado se hacen en base a:

» Cantidad de aire húmedo a suministrar

» Condición del aire de suministro necesaria para alcanzar las condiciones de confort compensando la ganancia de energía (sensible y latente) y de agua en el espacio a climatizar

– Ganancias

» De calor sensible

» De humedad

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Agua líquida o vapor




Efectos de espacio: ganancia de calor y humedad

– Dadas unas condiciones del aire extraído todas las posibles condiciones del aire de suministro deben hallarse en la línea recta del proceso, que vendrá determinada por las ganancias de calor sensible y vapor de agua

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Despejando:

SuminstroRetorno



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