Tema5+Psicrometria Convertido de PDF

Escuela de Ingenieras Agrarias

Termodinmica y Termotecnia

Tema 5 TERMODINMICA DEL AIRE Y PSICROMETRA

0. Introduccin. 1. Propiedades termodinmicas del aire. 1.1. Aire saturado. Presin de saturacin y temperatura de roco. 1.2. ndices de humedad. 1.3. Volumen, calor y entalpa hmedos. 1.4. Temperatura de saturacin adiabtica y de termmetro hmedo. 2. Aparatos psicromtricos. (P) 3. Diagramas psicromtricos. (P) 4. Procesos psicromtricos. 4.1. Calentamiento o enfriamiento. 4.2. Humidificacin. 4.3. Deshumectacin. 4.4. Mezcla adiabtica.(P) = Se desarrollarn en clases prcticas. Objetivos

especficos:

- Conocer y saber calcular las propiedades termodinmicas del aire hmedo. - Definir y aplicar el concepto de temperatura de roco. - Conocer los principales ndices de humedad del aire y la relacin entre ellos. - Clculo analtico de las principales propiedades termodinmicas del aire. - Definir y aplicar el concepto de temperatura de saturacin adiabtica. - Conocer el funcionamiento y manejo de los principales aparatos psicromtricos. - Utilizacin de diagramas psicromtricos y realizacin de los clculos correspondientes. - Conocer las principales aplicaciones derivadas del estudio de las propiedades termodinmicas del aire. Bibliografa

recomendada:

* Amigo; Termotecnia. Aplicaciones Agroindustriales. Cap. 16. * De Andrs y Aroca ; Calor y Fro Industrial I. Caps. 26 y 27. * Moran y Shapiro ; Fundamentos de termodinmica tcnica. Cap. 12. * Singh y Heldman; Introduccin a la ingeniera de alimentos. Cap. 10.

A. Mulero

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Tema 5: Psicrometra

0. Introduccin.

En general, la psicrometra estudia las propiedades termodinmicas de mezclas de gas con vapor. En particular, la mayora de las aplicaciones se refieren al aire hmedo, considerado como la mezcla de aire seco y vapor de agua. La psicrometra resulta entonces til en el diseo y anlisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos, diseo de equipos de refrigeracin, estudio del secado de alimentos, estudios de aire acondicionado y climatizacin, torres de enfriamiento, y en todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire. Vamos a ver cmo el estudio termodinmico de un sistema complejo como es el aire, puede realizarse de forma ms o menos sencilla. El hombre ha sido capaz de definir importantes conceptos termodinmicos que, por una parte, permiten un desarrollo terico sencillo y que, por otra, coinciden con las variables que pueden medirse en la prctica. El hombre ha sido capaz tambin de disear y construir aparatos muy sencillos, accesibles a cualquier persona, para la determinacin de las propiedades bsicas del aire hmedo. Tambin se han diseado diagramas apropiados que facilitan enormemente los clculos y que, adems, permiten tener una imagen visual del estado termodinmico del aire y su evolucin en los procesos que sufre. En este tema comenzaremos por estudiar las principales propiedades termodinmicas del aire, haciendo especial hincapi en el concepto de humedad. Luego indicaremos los principales aparatos utilizados para medir la humedad. A continuacin estudiaremos la forma de utilizar diagramas que faciliten los clculos. Finalmente estudiaremos diversos procesos psicromtricos tiles en temas posteriores.

1. Propiedades termodinmicas del aire. Como es bien sabido, el aire es una mezcla de varios gases (entre los que destacan el nitrgeno y el oxgeno) a la que denominamos aire seco, ms una cierta cantidad de agua en forma de vapor. Generalmente, el rango de presiones y temperaturas de inters para diversas aplicaciones es tan limitado que puede considerarse que tanto el aire seco como el vapor de agua se comportan como gases ideales. Adems, se considera que el aire seco se comporta como si fuera un componente puro, por lo que las propiedades del aire hmedo pueden estudiarse en base al conocimiento de las propiedades de mezclas de gases ideales, regidas principalmente por la conocida ley de Dalton. Como veremos a continuacin, esta aproximacin facilita enormemente el clculo analtico (mediante ecuaciones) de las propiedades del aire (que suele denominarse aire hmedo para diferenciarlo del aire seco). Recordaremos las principales propiedades del aire seco y del vapor de agua (ya estudiadas en el Tema 2). En las tablas sealadas encontraremos el valor de dichas propiedades de forma ms exacta.

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Aire seco. (Singh y Heldman, 1993) Masa molecular:-1

Ma = 289645 10-3 kg/mol a = va

Densidad y volumen especfico:

Pa M a R T(K)

(kg/m3)

[Tablas 1 y 2]

Pa = presin parcial del aire seco( R = 8314510 J mol-1 K-1 = 0082056 atm l mol-1 K-1 = 19864 cal mol-1 K-1 ) Calor especfico:

cpa 1 kJ/(kg C)

[Tabla 1]

Entalpa especfica: (tomando como referencia 0 C)

ha 1 (T 0 C) kJ/kg

[Tabla 3]

Vapor de agua (Singh y Heldman, 1993) Masa molecular: Mv = 1801534 10-3 kg/mol PV M V -1 (kg/m3) para T < 66 C Densidad y volumen especfico: v = v R T(K) v[Tablas 4, 5 y 6 (la aproximacin de gas ideal es menos vlida en este caso)]

Pv = presin parcial del vapor de agua Calor especfico: cpv 188 kJ/(kg C)

entre 71 C y 124 C kJ/kg

[Tablas 4 y 5][Tablas 6 y 16]

Entalpa especfica: hv Lv(0 C) + 188 (T 0 C)

(Tomando como referencia agua lquida a 0 C, y siendo Lv(0 C) = 25014 kJ/kg )

Aire hmedo: Es una mezcla binaria que, a presiones inferiores a 3 atm, puede aproximarse al comportamiento de una mezcla de gases ideales, T cumpliendo la ley de Dalton. P Llamamos ma y mv , y na y nv a las masas y nmero de moles de aire seco y de vapor de agua. Masa molecular: Mh = (ma + mv )/( na + nv) (kg/mol)-1

Densidad y volumen especfico: h = vh

P Mh RT

(kg/m3)

ma/na : aire seco + mv/ nv : vapor de agua

Segn la ley de Dalton: P = Pa + Pv , donde Pa y Pv son las presiones parciales del aire seco y el vapor de agua (como si ocuparan todo el volumen).

Vfrontera

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Calor especfico:

cph =

ma cpa + m v cpv (kJ/K kg aire hmedo) m + mv av v

h m+ Entalpa especfica: h m= h a ah v

(kJ/kg aire hmedo)

ma + m

Las expresiones anteriores muestran una dependencia de las propiedades del aire hmedo con la cantidad de vapor que contenga. Por ello, es necesario introducir ndices o parmetros que permitan cuantificar la humedad del aire.

1.1. Aire saturado. Presin de saturacin y temperatura de roco. El vapor de agua presente en el aire suele tener una presin parcial pequea. El aire estar saturado de vapor de agua cuando, a una temperatura dada, dicha presin parcial sea igual a su presin de saturacin, Ps , a dicha temperatura (Tabla 16). De la misma forma, el aire estar saturado cuando, a una presin parcial Pv cualquiera, su temperatura sea igual a su temperatura de saturacin a dicha presin (Tabla 16). A dicha temperatura se le denomina temperatura o punto de roco, Tr , ya que indica la temperatura a la que comenzar a condensarse el vapor de agua. Es decir, el concepto de temperatura de roco es totalmente equivalente al de temperatura de saturacin a presin constante (isobrica).

P Ps(T) Ps(Tr)

Pv

TTr

Ta

- Por ejemplo, la presin de saturacin a 20 C ser 2339 mb (Tabla 16a), y esto significa que cuando la presin parcial del vapor sea igual a 2339 mb, comenzar a condensarse. - De la misma forma, la temperatura de roco cuando la presin parcial del vapor es de 004 bares ser aproximadamente de 29 C (Tabla 16b), y por debajo de esa temperatura el agua condensara.

La diferencia entre la temperatura del aire y su Tr depender de la humedad existente en el aire. A una temperatura dada, la temperatura de roco ser ms pequea cuanto menos hmedo est el aire. Cuando el aire est cerca de la saturacin la T y la Tr sern prcticamente iguales. Por ello, la temperatura de roco tambin puede utilizarse como ndice de humedad.

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En

la atmsfera, el enfriamiento isobrico necesario para alcanzar la Tr se suele producir bien por la mezcla del aire con otro aire ms fro, o bien por el enfriamiento nocturno. Durante la noche, cuando el cielo est despejado o poco nuboso, la temperatura del suelo disminuye sensiblemente, debido a la prdida de calor por radiacin. Si no existe viento a nivel del suelo, este enfriamiento slo se propaga a las capas atmosfricas ms cercanas al suelo. Si la temperatura alcanza la temperatura de roco, se produce entonces la condensacin del vapor de agua sobre el suelo y la vegetacin. En

general, si la Tr > 0 C se podran producir gotas de agua, es decir, roco, nieblas o lluvias, mientras que si la Tr < 0 C se podran formar cristales de hielo, dando lugar a nevadas o a la escarcha.

1.2. ndices de humedad. Llamamos ndices de humedad a las distintas formas de expresar la cantidad de vapor de agua contenida en el aire hmedo. Algunos de ellos son los siguientes: Humedad absoluta: Razn de mezcla o

v = mv/V

kg vapor/m3 de aire hmedo kg vapor/kg aire seco kg vapor/kg aire hmedo moles vapor/mol aire seco

humedad: X = mv/ma

Humedad especfica: Fraccin molar:

e= mv/(mv+ma)Y = nv/na

que estn relacionados entre s de forma directa. El principal inconveniente de stos ndices es que no indican si el vapor est a punto de condensar o no, es decir, si el vapor est prximo a la saturacin, lo cul es de suma importancia en la mayora de los casos prcticos. Por ello se define un ndice, que es el ms utilizado, llamado humedad relativa. Humedad

relativa. Es el cociente entre la presin parcial del vapor y su presin de saturacin a la misma temperatura, expresado en (%): HR = 100 Pv/Ps (%)

As, cuando el aire est saturado Pv=Ps y T=Tr y la humedad ser del 100%. Segn nos alejemos del 100% el aire estar ms seco. Como Ps aumenta con la temperatura (Tabla 16), la humedad relativa disminuir en la misma proporcin. Es decir, el aire tendr menor humedad relativa cuando est ms caliente, aunque contenga la misma cantidad de vapor (la misma razn de mezcla, por ejemplo), y cuanto ms alta sea la temperatura ms difcilmente se producir la saturacin.

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1.3. Volumen, calor y entalpa hmedos. Cuando se conoce el grado de humedad, las propiedades termodinmicas del aire hmedo suelen expresarse en funcin de la razn de mezcla X, y se definen en relacin a cada kg de aire seco. Volumen hmedo:

v* = v

+ X) 1( h =

RT PM h

+ 1( X) =

RT PM a

+ 1(

Ma Mv

X)

m3 aire hmedo/kg aire seco

expresin que, para el caso particular en que P = 1 atm = 1013 105 Pa, se reduce a:

v* = 0'002834 T(K) (1 + 1'608X) Calor especfico hmedo (calor hmedo):

m3 aire hmedo/kg aire seco

cp = cph (1+ X) = cpa + X cpv*

kJ/(K kg aire seco)

Entalpa hmeda:

h h

*

=

(1 + X) h

= h X+ h v a

* c= (T T0 ) X L v (T0 ) p +

kJ/kg aire seco

donde se suele tomar T0 = 27315 K = 0 C y entonces Lv = 2501'4 kJ/kg.

1.4. Temperatura de saturacin adiabtica y de termmetro hmedo.

Temperatura de saturacin adiabtica, Th , es la temperatura terica de equilibrio que tendr el aire no saturado despus de sufrir un proceso adiabtico e isobrico (isoentlpico), que lo lleva a la saturacin mediante evaporacin de agua lquida a dicha temperatura.


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Esta definicin parece difcil de entender en la prctica, ya que es necesario que el agua lquida se reponga precisamente a la temperatura de saturacin adiabtica, cuyo valor, en principio, desconocemos. En realidad, debe entenderse que se trata de una definicin operacional, de forma que la temperatura de saturacin adiabtica puede encontrarse mediante las siguientes operaciones: (1) Agregar agua a cualquier temperatura hasta que el aire se sature adiabticamente. (2) Medir la temperatura del aire saturado. (3) Cambiar la temperatura del agua lquida de forma que coincida con la medida en el paso anterior. (4) Repetir los pasos (2) y (3) hasta que la temperatura del aire saturado se iguale a la del agua que est siendo agregada. Cuando ambas coincidan habremos encontrado la temperatura de saturacin adiabtica. Durante el proceso de saturacin adiabtica la presin parcial del vapor aumenta, como consecuencia del aumento del contenido de vapor, y la temperatura del aire disminuye, ya que el calor necesario para la evaporacin es tomado del propio aire hmedo. Lgicamente, para que se produzca el proceso Th debe ser menor que la T inicial. La temperatura de saturacin adiabtica depender de la humedad que contenga el aire y, por tanto, constituye otro ndice de humedad. En efecto, para una temperatura dada T, cuanto mayor sea la humedad del aire menos agua se evaporar, se requerir menos cantidad de calor para evaporarla y por tanto, la Th ser mayor. Si el aire est inicialmente saturado Th coincidir exactamente con T. Para establecer la relacin analtica entre Th y los ndices de humedad, aplicamos los correspondientes balances de masa y energa (ver figura anterior). Balance de masa: la cantidad de agua a incorporar ser igual al aumento de vapor de agua en el aire. mw = m s mv donde ms es la masa de vapor de agua saturado y mw la masa de agua lquida. Balance de energa: ya que el proceso es adiabtico y los cambios de energa cintica y potencial son despreciables, la variacin de entalpa que sufre el aire debe ser igual a la del agua lquida que se est evaporando. (El proceso es isoentlpico para el conjunto aire+agua lquida, pero esto no quiere decir que la entalpa del aire permanezca constante). ma* 2

[h

)

* (Th h (T) w(Th)1 w h

]

= m

donde hw(Th) = cw Th es la entalpa del agua lquida que se aporta (que permanece constantemente a Th). Cuando ambos balances se consideran simultneamente, puede demostrarse que el calor sensible cedido por el aire durante su enfriamiento es igual al calor latente necesario para evaporar el agua, es decir: c (T Th) = (Xs X) Lv (Th) p*

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c p (T Th) cpa(T Th)Para un clculo aproximado podemos suponer que:*

y sustituyendo en la ecuacin anterior: X Xs o bien: L c pa Lv h(T )

[-T

T] h

XXs(T) Xs(Th) X

T-T h

(Th ) [Xs X] c v pa

TTh

T

Como puede apreciarse, para una T dada, la Th es menor cuanto ms seco est el aire, es decir cuanto mayor diferencia haya entre Xs y X. Adems, con esta aproximacin, la curva se convierte en una recta de pendiente negativa, tal y como se muestra en la figura. Por otra parte, tambin se cumple: ( * h h 2* 1)

= (Xs X) hw(Th)

y teniendo en cuenta que este ltimo trmino es mucho ms pequeo que los anteriores, se cumple, aproximadamente que:1 * h2* h

Por tanto, podemos suponer que el proceso de saturacin adiabtica es aproximadamente isoentlpico para el aire hmedo (exactamente isoentlpico para el conjunto de aire hmedo y agua aportada). La recta representada en la figura anterior representar aproximadamente a los procesos isoentlpicos que sufra el aire hmedo. El error cometido al suponer que la entalpa permanece constante es inferior al 5% para temperaturas del aire inferiores a 150 C (De Andrs y Aroca, 1990). Como ya hemos indicado, la principal utilidad del concepto de temperatura de saturacin adiabtica es su dependencia con la humedad del aire y, por tanto, su posible uso como ndice de humedad. Para poder calcular dicho ndice sera necesario medir experimentalmente la temperatura Th , sin embargo, como ya hemos indicado, su medida directa requerira un proceso altamente ideal e iterativo (repetitivo), lo que no resulta til en la prctica. En realidad, el concepto de temperatura de saturacin adiabtica (o temperatura termodinmica del termmetro hmedo) fue introducido para poder explicar el fenmeno del termmetro hmedo. Como veremos a continuacin, en el caso del aire hmedo, Th puede obtenerse experimentalmente de una forma sencilla, ya que coincide prcticamente con la temperatura que mide un termmetro hmedo situado en una corriente de aire no saturado, denominada temperatura de termmetro hmedo.

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Temperatura de termmetro hmedo es la temperatura que alcanza un termmetro cubierto con un pao hmedo que se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a velocidades cercanas a 5 m/s (tambin puede hacerse que sea el termmetro el que se mueva).

ThAire hmedo T, X Aire hmedo T, X

Agua lquida, Th

Cuando el pao se expone al aire, parte del agua se evapora, consumiendo inicialmente calor latente del pao y produciendo un descenso de la temperatura del termmetro. A partir de dicho momento fluye calor desde el aire hacia el pao, permitiendo la evaporacin de ms agua. El proceso sigue hasta que se alcanza el equilibrio entre ambos flujos de calor (similarmente a como ocurre en el proceso de saturacin adiabtica). Hay que tener en cuenta varios aspectos fundamentales, que distinguen esta nueva magnitud de la anterior: 9 En este caso se trata de una magnitud estacionaria de no-equilibrio, ya que depende de las velocidades con las que se transfieren el calor y la materia. 9 En este caso la cantidad de lquido es tan pequea, en comparacin con la masa de aire, que las variaciones que se producen en las propiedades de ste ltimo son despreciables, y el efecto del proceso se manifiesta solamente en el lquido. 9 La temperatura de termmetro hmedo depende de los ritmos de transferencias de calor y masa entre el pao hmedo y el aire. Puesto que dichas transferencias dependen, a su vez, de la geometra del termmetro, de la velocidad del aire, de la temperatura del agua suministrada, y de otros factores, la temperatura de termmetro hmedo no puede considerarse como una propiedad de la mezcla. La temperatura de termmetro hmedo depende de la humedad que contenga el aire, por tanto tambin puede utilizarse como ndice de humedad y estar relacionado con los ndices que ya hemos definido. Adems, como ya hemos indicado, en el caso del aire hmedo, coincide prcticamente con la temperatura de saturacin adiabtica, por ello hemos denominado Th a 9


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ambas. Para demostrar esta relacin partiremos del balance de energa en el termmetro hmedo. Balance de energa: El calor sensible que el aire transmite por conveccin al termmetro hmedo debe ser igual al que requiere el agua para evaporarse. Es decir, para una cantidad de agua dada: h (T Th) = kg Lv (Xs X) siendo h el coeficiente de conveccin, kg el coeficiente de transferencia de masa, y Lv el calor latente de vaporizacin a la temperatura Th . Despejando: T - Th =g

k Lv(Th) (Xs X) h

Si comparamos con la ecuacin para la temperatura de saturacin adiabtica: T - Th v

L (Th )*

[Xs X]

c

p

deducimos que la temperatura de saturacin adiabtica ser aproximadamente igual a la del termmetro hmedo siempre que:

h h * 1 k c k g cpa gp

expresin conocida como relacin de Lewis y que solo se cumple para el aire hmedo a humedades moderadas, ya que para este caso el valor de h/kg, conocida como relacin psicromtrica, es del orden de 0.95 kJ/(kg C). Para otras mezclas de aire+vapor, como la que se produce en tanques de almacenamiento de aceite o en mezclas de alcohol y aire, no se produce esta coincidencia y la temperatura de saturacin adiabtica ser distinta de la temperatura de termmetro hmedo. Algunos procesos naturales estn relacionados con el concepto de temperatura de termmetro hmedo. As la disminucin de la temperatura en la piel de personas y animales o en los rganos tiernos de los vegetales en corriente de aire, es debida a la evaporacin del lquido procedente de la transpiracin producida por los mismos. Tambin es conocido que si el aire esta muy hmedo la evaporacin de sudor se ve disminuida y aumenta la sensacin de bochorno. As para una misma temperatura el calor resulta menos sofocante cuanto ms seco est el aire, ya que es posible evaporar mayor cantidad de sudor y la piel alcanzar una temperatura Th ms baja. Por ejemplo, la sensacin de bochorno para una humedad del 30% empieza a sentirse a los 32 C, mientras que para una humedad del 60% comienza a sentirse a los 25 C, siendo la Th aproximadamente igual a 20 C en ambos casos.

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2. Aparatos psicromtricos. Una vez introducidos los conceptos tericos necesarios, resulta conveniente estudiar cmo pueden ser medidos en la prctica. Una de las facetas ms importantes de la psicrometra es, precisamente, la medida directa o indirecta de los ndices de humedad. El conocer el valor de la humedad en el aire es importante en una amplia gama de aspectos prcticos. Por ejemplo, los seres humanos, los animales y las plantas son sensibles a la humedad, afectando tanto a su salud como a su confort. Tambin se debe mantener la humedad correcta para evitar daos a los objetos sensibles como pinturas, grabaciones, etc. Por ello, es necesario que en el diseo de los sistemas de calefaccin y acondicionamiento de aire se tenga en cuenta, no slo la temperatura, sino tambin la humedad del aire (climatizacin). Se hace necesario, por tanto, disponer de instrumentos de medida de la humedad que permitan una lectura cmoda y que proporcionen una exactitud suficiente. A continuacin se presentan los distintos aparatos utilizados para medir la humedad, clasificados segn el mtodo de medida utilizado. APARATO Psicrmetro y aspiropsicrmetro Higrmetro de cabello u otros materiales Higrmetro de punto de roco Higrmetro de absorcin qumica Higrmetro elctrico MTODO Termodinmico Higroscpico Condensacin Gravimetra Variacin de propiedades elctricas

Estudiaremos aqu las caractersticas generales de cada uno de ellos.

Psicrmetro y aspiropsicrmetro.

Constan bsicamente de dos termmetros, uno normal (seco) y otro con su bulbo permanentemente humedecido gracias a un pao o gasa mojados que lo recubre. El pao o gasa, en forma de mecha, recibe el agua de un pequeo depsito en el que est sumergido el otro extremo del mismo. Este depsito presenta slo un orificio para dejar paso a la mecha evitando la evaporacin. Resulta conveniente que el termmetro est ventilado, evitndose adems los efectos de la radiacin. Por ello, se suele utilizar un psicrmetro en forma de honda, como el mostrado en la figura, de manera que ambos termmetros giran mediante un movimiento manual. Ms perfecto es el aspiropsicrmetro de Assmann, en el que el movimiento del aire se logra mediante un ventilador. Como se muestra en la figura, los dos termmetros son ventilados por la corriente de aire aspirada por un pequeo ventilador. Para rechazar la radiacin se rodea a los termmetros con tubos niquelados. Como ya hemos indicado, la diferencia entre la temperatura del aire (o temperatura seca) y Th depender de la humedad del aire, permitiendo as medir sta. En la mayora de los casos, junto al psicrmetro se suministra una tabla con doble entrada (T y T-Th) que proporciona directamente la humedad relativa del aire. En caso de no disponer de tabla hay que recurrir a los clculos necesarios (utilizando las ecuaciones anteriores) o bien a un diagrama psicromtrico. 11


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Psicrmetro

Aspiropsicrmetro

Higrmetros de cabello.

Se basan en que los cabellos se expanden y contraen segn sea la humedad relativa. Ms concretamente, Saussure, su inventor, encontr que la variacin de longitud del cabello es funcin lineal de la humedad relativa. As, un cabello humano puede llegar a variar su longitud en un 2.5% cuando se produce una variacin del 100% en la humedad relativa. En todo caso, habr que tener en cuenta que el aumento de temperatura tambin influye en el aumento de longitud. A pesar del nombre genrico de higrmetros de cabello, actualmente se utilizan fibras sintticas, cintas de madera, membranas diversas, etc. Los aparatos se construyen de forma que permitan medir exactamente la longitud del elemento utilizado, debiendo ser calibrado a diferentes humedades. Este tipo de higrmetro es muy adecuado para Higrgrafo de cabello conseguir un higrgrafo, es decir, para el montaje de un sistema que permita registrar en papel las variaciones de humedad que se vayan produciendo (ver figura).

Higrmetro de punto de roco.

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Como se muestra en la figura, consta de una placa metlica que es enfriada mediante evaporacin de ter u otra sustancia voltil. Cuando se observan las primeras gotitas de lquido en su superficie, la temperatura del ter ser la Tr del aire que est siendo usado para la evaporacin. La mayor dificultad reside en determinar el momento en que comienza la condensacin, por ello actualmente se utiliza algn dispositivo electrnico (clula Esquema del higrmetro de punto fotoelctrica, por ejemplo) que de roco. detecte la aparicin del roco. Midiendo la temperatura en el exterior, y utilizando la ecuacin o la grfica de la presin de saturacin, se obtiene la humedad relativa del aire. Higrmetro qumico.

Consta de una serie de tubos que contienen alguna sustancia higroscpica, y por los que se hace circular un volumen conocido de aire hasta que ste queda prcticamente seco. La diferencia de masa de los tubos antes y despus de haber hecho circular el aire, se deber a la masa de vapor que se ha depositado. De esta forma se mide directamente la humedad absoluta. Higrmetros elctricos.

Basados en que algunas sustancias (xido de aluminio, algunos polmeros, etc.) varan su resistencia elctrica superficial o su capacidad elctrica en funcin de la humedad relativa del aire que les rodea. Permiten una medida cmoda y rpida, adems de poder ser adaptados para volcar datos en un ordenador. Los higrmetros electrnicos estn definidos en el apartado 5.5 de la norma UNE 100010 (1989), donde se indica que el error para humedades del 20% al 95% es del 2% al 3%, siendo de 03 C en la medida de temperaturas (seca, hmeda y de roco).

3. Diagramas psicromtricos. Las diferentes propiedades del aire hmedo estn relacionadas entre s, de forma que a partir de dos cualesquiera de las definidas anteriormente (T, X, HR, Tr , Th , v* , h* ) es posible obtener el resto. Sin embargo, el uso de las diversas ecuaciones o aproximaciones puede complicar excesivamente el clculo de las propiedades. Por ello, se ha impuesto en la prctica la utilizacin de diagramas, que no son ms que las representaciones grficas de las ecuaciones anteriores, y que se denominan diagramas psicromtricos. En estos diagramas, cada estado del aire vendr representado por un punto, y cada proceso psicromtrico por una lnea. Se consigue as una estimacin rpida y precisa de la informacin necesaria en el estudio y diseo de equipos

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o procesos relacionados con la psicrometra. Adems permiten realizar clculos en cualquier momento y situacin. El principal inconveniente de los diagramas psicromtricos es que solamente pueden ser utilizados para la presin indicada (con un margen aproximado de un 10% arriba o abajo), es decir, es necesario construir un diagrama para cada presin total P. Otro inconveniente es la gran cantidad de lneas que vienen representadas, lo cual puede llevar al usuario inexperto a cometer errores fcilmente. Es necesario, por tanto, aprender a utilizar correctamente los mencionados diagramas. Tambin hay que tener en cuenta que no estn representadas las curvas para todos los valores posibles, por lo que en muchos casos ser necesario interpolar. Finalmente, otro inconveniente es que encontramos, al menos, tres diagramas distintos segn las principales coordenadas (ejes) que se eligen. Resulta necesario, por tanto, aprender a utilizar cualquiera de ellos. Mostraremos aqu los diagramas Carrier, Mollier y ASHRAE para la presin atmosfrica (101.3 kPa). Diagrama Carrier.

- Representa la T (C) en el eje de abcisas (eje x) y la razn de mezcla o humedad (X, en kg de agua/kg de aire seco) en el eje de ordenadas (eje y, a la derecha). - La curva de saturacin (HR = 100%) asciende hacia la derecha y representa el final del diagrama. En esta curva se localizan las temperaturas de termmetro hmedo y las temperaturas de roco. - Las curvas de humedad relativa constante son similares a la de saturacin, avanzando hacia abajo (tumbndose ms) segn disminuye la humedad del aire.

Esquema del diagrama Carrier

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- El volumen hmedo y las lneas de Th constante o isoentlpicas se representan por oblicuas de distinta inclinacin. En realidad las lneas de Th constante son hiprbolas con una pequea curvatura, por lo que parecen rectas. - En el caso de la entalpa se obtiene nicamente el valor de la entalpa hmeda en la saturacin, siendo entonces necesario incluir otras curvas que dan la desviacin correspondiente. - El calor hmedo no est representado, pero puede obtenerse fcilmente a partir de la ecuacin psicromtrica para la entalpa hmeda. Diagrama Mollier.

- Es el ms antiguo de los diagramas psicromtricos, ya que fue propuesto por R. Mollier en 1932. Actualmente se utiliza, sobre todo, en Alemania y Francia. - Representa la entalpa hmeda en el eje de ordenadas (a la izquierda) frente a la humedad X en abcisas. Las lneas de humedad constante son verticales, mientras que las isoentlpicas son rectas con pendiente negativa y paralelas entre s.

Esquema del diagrama Mollier

- Las isotermas son lneas rectas que arrancan del eje de ordenadas. La isoterma correspondiente a 0 C es horizontal, mientras que el resto de isotermas son lneas rectas con mayor pendiente a las temperaturas ms altas. - Las curvas de humedad relativa constante parten de abscisas prximas al origen y van creciendo y separndose en abanico. La curva ms cercana al eje horizontal es la de saturacin.

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- Las lneas de volumen especfico constante son rectas que parten del eje vertical, tienen pendiente negativa, aunque con menor inclinacin que las isoentlpicas, y finalizan en la curva de saturacin. Diagrama ASHRAE.

- Es el diagrama propuesto por la American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers (ASHRAE) y su empleo se est generalizando tanto en Amrica como en Europa. - Es muy similar al tipo Carrier, siendo la principal diferencia el que aqu se representa directamente la entalpa hmeda, en lugar de la entalpa de saturacin. Adems se elimina la aproximacin de considerar exactamente iguales a las lneas isoentlpicas (lneas continuas) y las de temperatura de termmetro hmedo (lneas discontinuas).

Esquema del diagrama ASHRAE (De Andrs y Aroca, 1990)

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4. Procesos psicromtricos. Para finalizar el tema, vamos a estudiar algunas aplicaciones prcticas derivadas del conocimiento adquirido sobre el estudio de la humedad del aire. Nos referiremos tanto a aplicaciones industriales como a las relacionadas con fenmenos atmosfricos, ya que ambas tienen relacin con la Ingeniera Agraria. El estudio de estos procesos es fundamental para poder abordar los temas referidos a secado, acondicionamiento de aire o climatizacin. Los procesos psicromtricos fundamentales consisten en transferencias de energa en forma de calor y transferencias de masa en forma de agua. El signo de dichas transferencias dar lugar a una multitud de posibilidades, tal y como se muestra en la siguiente tabla. PROCESO Calentamiento Enfriamiento Humidificacin adiabtica Deshumectacin adiabtica h* X PROCESO >0 0 Humidificacin con calentamiento 0 Deshumectacin con 0 calentamiento 0 0 0 0 >0

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