Psicrometría

John Ramiro Agudelo Santamaría Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica

Conceptos básicos

Carta psicrométrica

Enfriamiento y deshumidificación

Mezclas de aire

Conceptos básicos



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.

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Mezclas de aire

Para el estudio de la psicrometría se debe tener conocimiento de los siguientes términos básicos: Atmósfera El 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 es medido en granos o libras, (una libra contiene 7.000granos)

Composición del aire seco (sin vapor de agua)

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Mezclas de aire

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

m=m +m

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Mezclas de aire

Supongamos que podamos separar el aire seco y el vapor de agua. Debe cumplirse por la Ley de DALTON que la suma de presiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en el aire atmosférico. p = pa + p w

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Temperatura de bulbo seco Es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Temperatura de bulbo húmedo Es la temperatura que resulta de la evaporación del agua, en una gasa húmeda, colocada sobre un termómetro común.

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T° Bulbo seco


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T° Bulbo húmedo

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Temperatura de punto de rocío Es la temperatura de saturación, a la cual tiene lugar la condensación del vapor de agua. Un ejemplo es la humedad sobre un vaso de agua con hielo. El vidrio frío reduce la temperatura del aire por debajo del punto de rocío y la humedad

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Humedad específica Representada con el símbolo w, se define como el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y mv  kg de vapor de agua  = la masa de airewseco. m  kg de aire seco  a



w =0,622



pv pa

p = p a + pv

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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 (%). mv Pvν Rv T Pv φ= = = mg Pgν Rv T Pg

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Volumen específico Es el número de metros cúbicos, ocupados por un kilogramo de la mezcla de aire y vapor de agua. Calor sensible Es la cantidad de calor seco, expresado en Btu por libra de aire; se refleja por la temperatura de bulbo seco. Calor latente Es 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

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Calor total El contenido de calor total de la mezcla de aire y vapor de agua, también se conoce como entalpía. Es la suma H = H a +H v = ma ha +mv hv de los valores de calor sensible y latente. Al dividir porma mv H h= =ha + hv =ha +ωhv ma ma

h = ha + ωhg

(kJ / kg aire)

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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 propiedades esenciales del aire lo cual facilita además la solución de diferentes problemas termodinámicos.

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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.

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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 las anteriores propiedades y el resto de ellas se pueden encontrar con toda facilidad.

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Mezclas de aire

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Mezclas de aire

Composición diagrama psicrométrico Líneas de humedad absoluta o específica La absoluta escala dees lala humedad escala se vertical (ordenada) que encuentra la carta al lado derecho de psicrométrica. Las líneas de humedad absoluta Corren horizontalmente de derecha a Izquierda. Se puede ver que la cantidad

Líneas de humedad absoluta en gramos/Kg

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Líneas de humedad relativa Las líneas de humedad relativa constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan siempre en tantos por ciento, y este valor se indica sobre cada

Líneas de humedad relativa %

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Líneas de temperatura del bulbo seco constante Esta escala es la horizontal (abscisa), en la parte baja de la carta, según se muestra en la figura. Las líneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja hasta la parte alta de la carta. Son constantes porque cualquier

Líneas de temperatura de bulbo seco °C

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líneas de temperatura de bulbo húmedo constantes Corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, en un ángulo de aproximadamente 30° de la horizontal. También se les dice constantes, porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas, están a la misma

Líneas de temperatura de bulbo húmedo °C

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Líneas de volumen específico constante Estas líneas están en un ángulo aproximado de 60° con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general, el espacio entre cada línea, representa un cambio de volumen específico de 0.05 m3/kg. Cualquier

Líneas de volumen específico en m³/kg de aire seco

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Líneas de entalpía Estas líneas, son meramente extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total del aire depende de la temperatura de bulbo húmedo.

Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco

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Líneas de temperatura punto de rocío La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la escala para las temperaturas de Bulbo húmedo; es decir, es la misma escala para ambas propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura de punto de rocío corren

Líneas de temperatura de punto de rocío °C

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La combinación de enfriamiento y deshumidificación, se encuentra en prácticamente todos los sistemas de aire acondicionado. La deshumidificación es la remoción del vapor de agua presente en el aire. La cantidad del vapor de agua, presente dentro de una zona ocupada, variará

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Al enfriamiento y deshumidificación del aire para confort humano, se le conoce comúnmente como aire acondicionado. Los procesos de acondicionamiento del aire como el calentamiento, el enfriamiento, la humidificación y deshumidificación se pueden mostrar

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Asumiendo un punto cualquiera (A) en la gráfica, con una temperatura y un factor de humedad conocidos; si se fuera a calentar el aire sin añadir humedad, el punto se movería a la derecha sobre la línea horizontal, mostrando


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Si se fuera a añadir Humedad (humidificar) sin cambiar la temperatura, el punto se movería verticalmente hacia arriba, pero si se redujera la Humedad (deshumidificar), se movería


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Si la muestra de aire anterior se enfría lo suficiente, eventualmente llegará un instante en que se alcanza la curva de saturación, punto B de la figura , situación en la cual no puede contener


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Asumamos que disponemos de una muestra de aire a 80°F (26.8°C) que contiene 0.011libras de agua (punto A en el gráfico) al enfriarlo llegaremos hasta el punto B en el cual la temperatura es59.7°F (15.4°C) en donde es Ahora, si la muestra se enfría inminente la condensación correspondiendo a la temperatura del punto de más, por rocío. ejemplo, 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.

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Mezclas de aire

Un ejemplo práctico de este proceso, ocurre en un ducto metálico de transporte de aire frío para acondicionamiento del aire de un recinto, el cual pasa a través de un área húmeda no a c o n d i c i o na da.

¿ S u d a r á (condensación) el

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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), cualquier superficie que posea una temperatura por debajo del punto de rocío provocará inminentemente la condensación y la

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

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En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuencia se requiere mezclar aire a diferentes temperaturas de Bulbo húmedo (bh) y de bulbo seco (bs), para lograr una determinada condición final de aire. La mayoría de las aplicaciones de aire acondicionado comercial, requieren de un cierto volumen de aire exterior fresco

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Mezclas de aire

Puesto que la introducción del 100% de aire exterior no es práctico, desde el punto de vista de costo operacional, se debe mezclar el aire exterior requerido, con un porcentaje de aire de retorno, antes de calentarlo o enfriarlo. Por ejemplo, si se mezclan 3.68 m³/min de aire exterior a 35°C de bs y 24 ° C de bh, con 7.36 m³/min de aire de retorno a 27 ° C de bs y 19 ° C de bh, el flujo total del aire será de 11.04 m³/min. Esto dará

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Mezclas de aire

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

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ara determinarla temperatura de bulbo seco de la mezcla: 35 C ×0.33 =11.55 C

27  C ×0.67 =18.09  C

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 bs de 29.64°C. Este punto (3) es la condición de la mezcla, y de aquí podemos seguir la línea constante de temperatura de bh hacia la izquierda, hasta donde cruza la

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Factor de Calor Sensible (FCS) Es la relación de calor sensible con respecto al calor total, siendo este último la suma de los calores sensible y latente. Esta relación se expresa: Q Q

FCS =

S

QS + QL

=

S

QT

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 la escala de humedad absoluta.

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