AIRE HUMEDO Se define al aire húmedo como una mezcla de “aire seco” y de “vapor de agua”. El agua puede cambiar de fase y el aire seco no, lo que le proporciona propiedades higroscópicas. Esta característica permite tratar al aire seco como una sustancia pura ya que no cambia la composición. A presiones moderadas se cumplen las leyes de los gases perfectos y mezcla de gases perfectos. “si hay un cambio de fase del componente agua en el aire húmedo, el mismo se produce a la presión de saturación del agua a la temperatura de la mezcla”
Propiedades Cuando pv es menor a pg se dice que el aire húmedo “no está saturado”. Para mensurar esta propiedad del aire se introduce el concepto de Humedad Relativa Relativa :
y es el cociente entre la presión parcial del vapor y la de saturación del agua a la temperatura de la mezcla. Cuando el aire húmedo está saturado, tiene un 100% de humedad relativa. Como la composición del aire seco no cambia, el uso de las fracciones molares no resulta práctico y se recurre a otra propiedad del aire húmedo conocida como Relación de de Humedad , (o humedad específica):
y es el cociente entre la masa de agua y la de aire seco.
Cuando el aire húmedo está saturado la humedad relativa es del 100%
y como pg es función de la temperatura se concluye que
=
(T,p).
DIAGRAMA PSICROMETRICO Para representar las transformaciones del aire húmedo, se introduce el “Diagrama Psicrométrico”. El mismo consiste en poner la humedad específica en el eje de ordenadas y la temperatura en el eje de abscisas.
Por debajo de la línea de saturación, , se encuentra la zona de aire no saturado, sobre la línea de saturación, , se encuentra el lugar geométrico del aire saturado y por encima de la línea de saturación, , se encuentra la zona de aire sobresaturado. Uno de los parámetros característicos del aire húmedo es el “Punto de Rocío”. Supongamos que el aire se encuentra a la temperatura t y humedad relativa . Enfriamos el aire a presión constante, disminuyendo la temperatura hasta que llegamos a la curva de saturación. La temperatura correspondiente a ese punto se denomina “Punto de Rocío ”. Si el aire se encuentra a la temperatura t, humedad relativa y presión , la presión de vapor se calcula: , y para el punto de rocío , luego de ambas ecuaciones:
PROPIEDADES DEL AIRE HÚMEDO Las propiedades más importantes del aire húmedo son el volumen específico, la entalpía y la entropía. Vamos a deducir las expresiones en función de los parámetros mensurables, es decir temperatura; presión y humedad.
VOLUMEN ESPECÍFICO
Para el aire no saturado, , corresponde calcular el volumen de una mezcla de gases perfectos. En este caso se cumple la ley experimental de Amagat, luego:
donde V es el volumen que ocupa el aire, Va es el volumen parcial del aire seco y Vv es el volumen parcial del vapor. Luego
“v” es el volumen específico del aire húmedo calculado como el volumen que ocupa el mismo por masa de aire seco y es función de la temperatura, la presión y la humedad específica.
DENSIDAD
La densidad del aire se calcula:
Para el aire no saturado, nos queda: Si el aire está saturado,
yv=
Si el aire esta sobresaturado,
, luego:
, se cumple que:
En este caso no se puede despreciar la masa de agua condensada. Para calcular la misma podemos escribir:
ENTALPÍA 1 Luego
Para el aire no saturado, , corresponde calcular la entalpía de una mezcla de gases perfectos. En este caso la entalpía molar parcial coincide con la entalpía del componente puro a la temperatura de la mezcla, luego:
Y también
donde “h” es la entalpía del aire por unidad de masa de aire seco, del aire seco y es la entalpía especifica del vapor de agua. y con
es la entalpía especifica
Como la entalpía es una propiedad de estado relativa, para poder encontrar una expresión para cada término de 1 necesitamos definir un punto de referencia común a las dos sustancias. El punto de referencia más difundido es el punto triple.
ENTROPÍA Luego Si
entonces
Si
, se cumple que:
si es líquido
si es solido
Para el aire no saturado, perfectos:
, corresponde calcular la entropía de una mezcla de gases
Cuando el aire se encuentra saturado (
) la entropía se calcula:
Cuando el aire esta sobresaturado, , la entropía del sistema es la suma de las entropías de las dos fases, la fase vapor compuesta por aire húmedo saturado y la fase condensada compuesta por líquido o sólido. Luego:
Si el condensado es líquido: Si el condensado es sólido
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABATICA
Consideremos el esquema de un aparato donde se satura de humedad a una corriente de aire. Las paredes de la cámara son adiabáticas y existe una reposición automática del agua que se incorpora a la corriente con una válvula de flotador en la bandeja colectora. El experimento se analiza como un sistema abierto en régimen estacionario. El resultado experimental muestra que la temperatura del agua en la bandeja colectora coincide con la que se mide en el aire a la salida. La bomba se considera fuera del sistema analizado. El balance de masas se escribe:
Donde
es el caudal de reposición. Despejando queda
El balance de energía se escribe: donde h es la entalpía del aire a la entrada, hs a la salida y hL la entalpía del agua de reposición. la “temperatura de saturación adiabática”:
Una gran cantidad de experimentos desarrollados por Lewis dan una coincidencia entre la temperatura de saturación adiabática y la temperatura de bulbo húmedo.
ENTALPÍA POTENCIAL
Esta superficie puede ser la de un cambiador de calor o cualquier otro aparato o dispositivo. Encima de la película de agua se establece una película de aire saturado a la temperatura de la superficie mojada. Se asume que los espesores de ambas películas son muy pequeños a punto tal que se puede despreciar un gradiente de temperaturas en los mismos. El área de la superficie de interacción, dA, es infinitesimal y suponemos que del otro lado del tabique
hay algún fluido intercambiando el flujo de calor con el mismo. Por encima de la película de aire saturado hay una zona de difusión de calor y masa (capa límite) provocada por los gradientes de temperatura y presión de vapor de agua en la misma. La superficie se mantiene mojada, ya sea que se trate de un aporte de agua externo (condensador evaporativo) o que el aire condensa parte de su humedad (enfriador de aire).
El gradiente de temperaturas en la zona de difusión es la diferencia entre y . La “ley de enfriamiento de Newton” establece la siguiente relación entre el gradiente y la difusión de calor:
donde (W), es el valor absoluto del flujo de calor que se establece entre la superficie mojada y el aire, es el coeficiente de película de difusión de calor dado en W/m2ºC. Este coeficiente es función de la velocidad del aire sobre la superficie, de la forma de la misma y de la temperatura . como conclusión
es la densidad de flujo de calor.
Hay una difusión de calor por el gradiente de temperaturas y una difusión de masa por el gradiente de humedades especificas. Se puede aproximar
donde
es la entalpia potencial.
Por lo que la densidad de flujo es proporcional a la entalpia potencial.
Si por
entonces
en este caso obtenemos la temperatura de bulbo húmedo dada
De donde vemos que la temperatura del bulbo coincide con la temperatura de saturación adiabática.
Para medir la humedad del aire atmosférico, se utiliza el Psicrómetro. Este aparato consiste en 2 termómetros, uno tiene el bulbo húmedo envuelto en un paño mojado. El termómetro sin paño mide la temperatura del aire y es la temperatura del bulbo seco. El otro mide la temperatura de saturación adiabática y se conoce como temperatura de bulbo húmedo. Además necesitamos un barómetro para medir la presión atmosférica
