Psicrometra

Ing. Gabriela Barraza J.

Psicrometra

Objetivo: Determinacin de las propiedades termodinmicas de

mezclas gas-vapor.

Aplicaciones ms comunes: se asocian al sistemaaire-vapor de agua. Diseo y anlisis de diferentes sistemas de

almacenamiento y procesado de alimentos.

Diseo de equipos de aire acondicionado paraconservar alimentos frescos, secaderos de grano decereal y torres de enfriamiento en plantas deprocesado de alimentos.

Propiedades del aire seco

Composicin del aire

Peso molecular del aire seco estndar: 28.9645 g/mol

Constituyente Porcentaje en volumen

Nitrgeno

Oxgeno

Argn

Dixido de carbono

Nen

Helio

Otros gases (trazas de

metano, dixido de azufre,

hidrgeno, kriptn y xenn)

78.084000

20.947600

0.934000

0.031400

0.001818

0.000524

0.000658

100.000000

Volumen especfico del aire seco

Donde :

Va es el volumen especfico del aire seco (m3/kg)

TA es la temperatura absoluta (K)

p es la presin parcial del aire seco (kPa)

Ra la constante de los gases (m3 Pa/kgK).

a

Aaa

p

TRV

Calor especfico del aire seco

A 1 atm (101.325 kPa), y dentro del intervalo detemperaturas comprendido entre -40 y 60C , el Cpdel aire vara desde 0.997 KJ/kgK hasta 1.022kJ/kgK.

En la mayora de los casos puede utilizarse el valormedio, 1.005 kJ/kgK.

Entalpa del aire seco

Entalpa o contenido energtico del aire seco:

Trmino relativo que necesita la eleccin de unpunto de referencia.

En clculos psicromtricos la presin de referenciaes la atmosfrica y la temperatura de referencia es0C.

Entalpa del aire seco

Donde:

Ha es la entalpa del aire seco (kJ/kg)

Ta es la temperatura de bulbo seco (C)

T0 es la temperatura de referencia, generalmente 0C.

)(005.1 0TTH aa

Temperatura de bulbo seco

Temperatura mostrada por un indicador detemperatura invariable.

Siempre que se indique la temperatura sin ningnsufijo se entender que corresponde a Latemperatura de bulbo seco.

Propiedades del vapor de agua

El aire hmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor.

El vapor en el aire es esencialmente vapor sobrecalentado a bajapresin parcial y temperatura.

El aire contiene vapor sobrecalentado; sin embargo, bajo ciertascondiciones el aire puede contener gotas de agua en suspensin,fenmeno que se conoce generalmente como niebla (en ingls,foggy).

El peso molecular del agua es 18.01534. La constante de los gasespara el vapor de agua puede calcularse como

KkgPamRw /52.46101534.18

41.8314 3

Volumen especifico del vapor de agua

Por debajo de los 66C, el vapor saturado o sobrecalentadosigue las leyes de los gases ideales, de manera que paradeterminar sus propiedades puede utilizarse la ecuacin deestado.

Donde:

pw es la presin parcial del vapor del agua (kPa)

Vw es el volumen especfico del vapor de agua (m3/kg)

Rw es la constante de los gases para el vapor de agua (m3 .

Pa/kgK)

TA es la temperatura absoluta (K).

W

AWw

p

TRV

Calor especfico del vapor de agua

El calor especfico del vapor saturado as comosobrecalentado no vara apreciablemente dentro delintervalo de temperaturas comprendido entre 71 y124C, tomndose generalmente un valor de 1.88kJ/kgK.

Entalpa del vapor de agua

Se utiliza la siguiente expresin:

Donde:

Hw es la entalpa del vapor de agua saturado o sobrecalentado (kJ/kg)

Ta la temperatura ambiente (C).

To la temperatura de referencia (C).

088.14.2501 TTH aw

Propiedades de las mezclas aire-vapor

Las molculas de agua presentes en la mezcla aire-vapor ejercen, al igual que cualquier molcula degas, una presin sobre las paredes que lo contienen.

Las mezclas aire-vapor no siguen estrictamente lasleyes de los gases ideales aunque stas puedenutilizarse con suficiente precisin a presionesinferiores a 3 atm.

Ley de Gibbs-Dalton

Las mezclas aire-vapor de agua existentes en la atmsfera siguen laley de Gibbs-Dalton.

El aire atmosfrico se encuentra a una presin total igual a lapresin baromtrica.

De la ley de Gibbs-Dalton,

Donde: pB es la presin total o presin baromtrica del aire hmedo(kPa) pa es la presin parcial ejercida por el aire seco (kPa) pw es la presin parcial ejercida por el vapor de agua (kPa).

waB ppp

Punto de roco

El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a bajapresin.

El aire se encontrar saturado cuando su temperatura sea la de saturacincorrespondiente a la presin parcial ejercida por el vapor de agua.

Dicha temperatura del aire se denomina temperatura (o punto) de roco.

El punto de roco puede determinarse mediante la tabla de vapor de agua; porejemplo, si la presin parcial del vapor de agua es 2.064 kPa, la temperatura deroco puede obtenerse directamente como la correspondiente a la temperatura desaturacin; sto es, 18C.

El concepto de punto de roco se expresa as: cuando una mezcla aire-vapor seenfra a presin y relacin de humedad constantes se alcanza una temperatura enla que la mezcla se satura, y por debajo de la cual se produce condensacin de lahumedad. La temperatura a la que comienza la condensacin es la que sedenomina temperatura de roco.

Contenido en humedad

El contenido en humedad W(tambin denominadosimplemente humedad) se define como la masa de vaporde agua por unidad de masa de aire seco.

Unidades: Kg. de agua/Kg. aire seco. Entonces,

Donde: xw es la fraccin molar del vapor de agua xa es la fraccin molar del aire seco.

a

w

a

w

a

w

x

x

x

xW

m

mW

622.09645.28

01534.18

Contenido en humedad

Las fracciones molares xw y xa pueden expresarse en trminos de presiones parciales.

A partir de las ecuaciones de los gases perfectos para el aire seco, vapor de aguay una mezcla, respectivamente,

(3)

(2)

(1)

nRTpV

RTnVp

RTnVp

ww

aa

La ecuacin (3) puede escribirse como:

Dividiendo la ecuacin (1) por la ecuacin (4):

y dividiendo la ecuacin (2) por la ecuacin (4)

Entonces, de las ecuaciones (5), (6)

Teniendo en cuenta que pa = pa pw

(4) )()( RTnnVpp wawa

(5) awa

a

wa

a xnn

n

pp

p

(6) wwa

w

wa

w xnn

n

pp

p

a

w

p

pw 622.0

wB

w

pp

pw

622.0

Humedad relativa

La humedad relativa, es la relacin entre la fraccin molar del Vapor de agua existente en una determinada muestra de aire hmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presin.

Entonces,

De la ecuacin (6):

Donde pws, es la presin de saturacin del vapor de agua.

100xx

x

ws

w

100xp

p

ws

w

Calor hmedo de una mezcla aire-vapor

Se define como la cantidad de calor (kJ) que esnecesario aplicar para aumentar 1K la temperaturade 1 Kg. de aire seco ms la del vapor de aguapresente en el mismo.

Donde:

cs es el calor hmedo del aire hmedo (kJ/Kg. de airesecoK)

W es la humedad (Kg. de agua/Kg. de aire seco).

Wcs 88.1005.1

Volumen especfico

Volumen especfico es el volumen que ocupa 1 Kg.de aire seco ms el del vapor de agua presente.

Unidades: m3/Kgas

1829

14.22082.0

.

.

2730

273

.18

..1

.1

4.22

2730

273

.29

..1

.1

4.22

33

WTV

airekg

aguaWkgT

aguakg

aguamolkg

molkg

mT

airekg

airemolkg

molkg

mV

H

H

Saturacin adiabtica del aire

Se aplica en el secado de alimentos por conveccin.

En una cmara bien aislada, el aire se encuentra en contacto con una gransuperficie de agua.

El aislamiento de la cmara asegura que no exista ganancia o prdida de calor conrespecto a los alrededores (condiciones adiabticas). En este proceso, parte delcalor sensible del aire que entra se transforma en calor latente.

En las condiciones descritas, el proceso de evaporacin del agua en el aire queproduce su saturacin al transformar en calor latente parte del calor sensible delaire que entra, se define como saturacin adiabtica.

Saturacin adiabtica del aire

La ecuacin para la saturacin adiabtica es

Puede escribirse como:

Siendo:

21

121

88.1005.1aLa T

W

WWHT

L

s

aa H

C

TT

WW

21

12

288.1005.1 21

WWCs

Temperatura de bulbo hmedo

Es la que se alcanza cuando el bulbo de un termmetro de mercurio cubierto conun pao hmedo se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye aelevadas velocidades (alrededor de 5 m/s).

Donde:

pw es la presin parcial del vapor de agua a la temperatura de roco (kPa)

pB es la presin baromtrica (kPa)

pwb es la presin de saturacin del vapor de agua a la temperatura del bulbo hmedo (kPa)

Ta es la temperatura de bulbo seco (C)

Tw es la temperatura de bulbo hmedo (C).

w

wawbBwbw

T

TTpppp

722.056.1555