John R. Agudelo

Post on 18-Nov-2014

8.188 views 1 download

Transcript of John R. Agudelo

John R. AgudeloProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Psicrometría: 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.

Composición estándar del aire seco

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

v

g

p

p

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

0,622 v

v

pw

p p0,622

g

g

pw

p pv

g

p

p

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:

v am m m

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

m a v a a v vH H H m h m h

m a vh h wh En kJ/kg de aire seco

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

m a vh h wh

,a pa ref a refh c T T h

,v g ref pv refh h c T T

Asumiendo como referencia: ha, ref = 0 para Tref = 0 C para el aire yhg, ref = 2501.7 kJ/kg para T Tref = 0 C para el agua

1.005ah T C

2501.7 1.82vh T C

1.005 2501.7 1.82mh T C w T C

Volumen específico del aire húmedo:

Referido a masa de aire seco

a a a

as a a a v

VR T R T R TVv

m p V p p p

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

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

T° Bulbo seco T Bulbo húmedo

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Temperatura de rocío

• Temperatura del aire tras enfriarse hasta alcanzar saturación• a w = cte• a p = cte

• Es la temperatura de saturación, a la cual tiene lugar la condensación del vapor de agua

Sin cambio en la presión de vapor

• Procedimiento de cálculo

• Presión de vapor:

• Temperatura de saturación a pv

• Tablas del agua

• Cálculo: 2858.10log

56.2148log85.35

v

vr

p

pKT

w

wppv

622.0

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

1

1,

1,

w

h

m

m

a

3

3,

h

ml

2,

2,

2,

sat

m

a

w

h

m

Saturador adiabático

pp

pw 622.0

vTg

v

p

p

vam CTCTh 8.17.2501005.1

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Balances

22,33,11,0 vaalvaa whhmhmwhhm

1

1,

1,

w

h

m

m

a

3

3,

h

ml

2,

2,

2,

sat

m

a

w

h

maaa mmm

2,1,

3,1,2, lvv mmm

123, wwmm al

2,22,3,121,11,0 valva hwhhwwhwh

2,2,1,1,

2,2,2,1,2,,

3,1,

3,2,212,

3,1,

3,2,21,2,

1

bhfbsg

bhfgsatbsbhap

lg

lgap

lv

lvaa

ThTh

ThwTTc

hh

hhwTTc

hh

hhwhhw

bhg

bhg

satTpp

Tpw

2,

2,

2, 622.0

Dichas propiedades esenciales del aire son:

Temperatura de bulbo seco.Temperatura de bulbo húmedoTemperatura del punto de rocíoHumedad relativaHumedad específicaContenido de humedad y volumen específicoEntalpía 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.

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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 facilidad

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Líneas de humedadrelativa

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

línea.

Líneas de humedad relativa %

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformación psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Mezclas de aire

• Modificación de Temperatura y humedad en una corriente• Mezcla de varias corrientes

Ecuaciones• Balance de masa de aire seco:

• Balance de masa de vapor de agua:

• Balance entálpico:

Transformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

• Recta de Maniobra (RM):

Clasificación de la RM:

1. Calentamiento: RM = +∞2. Enfriamiento: RM = -∞3. Humidificación adiabática: RM = 04. Deshumidificación adiabática: RM = 05. Aportación de calor y humidificación: RM > 0

a. Con ↑ Tb. Con ↓T

6. Sustracción de Q y humidificación: RM < 07. Aportación de Q y deshumidificación: RM < 08. Sustracción de calor y deshumidificación : RM > 0

a. Con ↓Tb. Con ↑ T

Posibles Transf. Psicrom. de una corriente de aire húmedo

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

• RM ± ∞: calentamiento y enfriamiento con w = cte

2,2,2,2,1,1,1,1,0 vvaavvaa hmhmhmhmQ

211,11,2,22, wwhwTCmhwTCmQ gapagapa

• RM = 0 • Humidificación para zonas secas y frías• Deshumidificación para zonas húmedas y cálidas

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

• RM = 0 • Humidificación para zonas secas y frías• Deshumidificación para zonas húmedas y cálidas

23

320

hhmhm

hmhmhm

avv

avva

23,

23,

2,3,,

wwmm

mwmwm

mmm

ainyv

aainyv

vvinyv

Balance de masa:

Balance de energía:

w

Tbs

1 2

3

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

RM > 0: Aportación de calor y humidificacióna. Con ↑ Tb. Con ↓T

Humidificador doméstico: Pasa la corriente a través de una bandeja con agua de la red, provista de bandejas eléctricas de inmersión

5b

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

RM < 0: Sustracción de calor y humidificación (Enfriamiento Evaporativo)

w

Tbs

1

2

3

Temperatura de bulbo húmedo

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

RM < 0: Aportación de calor y deshumidificación

w

Tbs

12

3

44’ 4’’

Supongamos que el aire frío transportado tiene una temperatura de 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 35°C con 0.0142 kg de vapor de humedad.

Esta condición del aire exterior implica una temperatura de saturación (punto de rocío) 19.4°C, cualquier superficie 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

Conceptos básicos Mezclas de aireTransformaciones psicrométricasCarta psicrométrica

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 Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Balance de masa de aire seco

Siendo:

gap whTCh ,

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Eliminando la masa de aire en 3:

Cálculo de entalpía y humedad específica con “regla de la palanca”

13

32

2,

1,

ww

ww

m

m

a

a

13

32

2,

1,

hh

hh

m

m

a

a

Cálculo de Temperatura de la mezcla:

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 una relación

de mezcla de 33.3% de aire exterior y 66.7% de aire recirculado

(con base a volumen).

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Para determinarla temperatura de bulbo seco de la mezcla:

CC

CC

09.1867.027

55.1133.035Temperatura 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

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

Calor sensible (qsens) y Calor latente (qlat)

CTTwTCph

CTTwTCph

a

a

º82.17.2501

º82.17.2501

2222

1111

Calor latente (Incorp. ó sustracc. de agua a Temp. inicial):

CTTwwqlat º82.17.2501 112

Calor sensible (Calentamiento o enfriamiento de la masa final):

122 TTCpwCpq vasens

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:

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.

1212

1hh

q

hh

qFCS latSens

Conceptos básicos Carta psicrométrica Transformaciones psicrométricas Mezclas de aire

fgwwgaa

wwgaa

wwmawwma

salidaentrada

hhhmhwhm

hmhwhm

hmhmhmhm

hmhm

4,4,2,22,2,

3,3,1,11,1,

4,4,2,2,3,3,1,1,

Torres de Refrigeración

123,4, wwmmm aww

John R. AgudeloProfesor del Departamento de Ingeniería Mecánica