Procesos de Acondicionamiento de aire Ciclos térmicos Semestre 2018/2 JOHN FREDY RIOS ROJAS Acondicionamiento de aire Para mantener una vivienda o una construcción industrial a la temperatura y humedad deseadas son necesarios algunos procesos definidos como “acondicionamiento del aire”. Estos procesos incluyen: • el calentamiento simple (elevar la temperatura), • el enfriamiento simple (reducir la temperatura), • la humidificación (agregar humedad) y • la deshumidificación (eliminar humedad). Diversos procesos de acondicionamiento de aire Procesos de Acondicionamiento de Aire Procesos de Acondicionamiento de Aire El aire es demasiado frío o demasiado caliente. Simplemente se agrega o se extrae calor. Esto está representado por A-C y BC en la figura. Calentamiento o enfriamiento sensible (a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante) La humedad relativa disminuye o aumenta, según el proceso Calentamiento o enfriamiento sensible (a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante) La humedad relativa disminuye o aumenta, según el proceso Balance de Energía de Flujo estacionario Calentamiento o enfriamiento sensible (a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante) Ecuación de la conservación de la energía Que calor es necesario entregar a 5 m3 de aire (húmedo) a 20 °C y 70% de humedad relativa para calentarlo hasta 45°C? Procesos de Acondicionamiento de Aire El aire es demasiado frío y la humedad es demasiado baja. Primero puede calentarse el aire y luego agregarse humedad, como en D-E-C. Calentamiento con humidificación Propósito Los problemas asociados con la humedad relativa baja, producto del calentamiento simple, se eliminan al humidificar al aire calentado. Esto se consigue al pasar el aire por una sección de calentamiento y después por una sección de humidificación. Calentamiento con humidificación 2 1 Métodos de humidificación Adición de un vapor en condiciones de saturación Adición de un líquido que se evapora Calentamiento con humidificación Proceso 1-2 Proceso 2-3 Aumenta Aumenta Humedad especifica Permanece igual Aumenta Humedad relativa Disminuye Entalpía Aumenta Aumenta Temperatura punto de rocío Permanece igual Aumenta Volumen especifico Aumenta Aumenta Variable Temperatura Balance de masa Para el aire seco • 𝑚𝑎1 = 𝑚𝑎2 = 𝑚𝑎3 = 𝑚𝑎 Del agua durante la calefacción 𝑚𝑎1 𝑤1 = 𝑚𝑎2 𝑤2 ∴ 𝑤1 = 𝑤2 Del agua en la humidificación • 𝑚𝑎2 𝑤2 + 𝑚𝑤 = 𝑚𝑎3 𝑤3 Balance de Energía En la calefacción 𝑄𝑒𝑛𝑡 + 𝑚𝑎 ℎ1 = 𝑚𝑎 ℎ2 ∴ 𝑄𝑒𝑛𝑡 = 𝑚𝑎 ℎ2 − ℎ1 Cuando se requiere humidificar Se necesita un humidificador en el hogar en casos como: • Piel escamosa, áspera o agrietada • Descargas electrostáticas • Molestias prematuras por lentes de contacto • Altos niveles de polvo atmosférico • Frecuentes dolores de garganta, de cabeza y cansancio ocular • Grietas en los muebles y pisos de madera Que pasa si el aire es seco Enfermedades Las mucosas de la nariz y garganta se secan y nuestro sistema inmunológico se ve debilitado. Piel y cabello Un ambiente seco vuelve la piel más propensa a agrietarse, especialmente en las manos Madera Los pisos, muebles y otros objetos de madera pueden sufrir deformaciones y eventualmente agrietarse Polvo el aire contiene más polvo y agentes contaminantes aéreos. Cuando se requiere humidificar Se necesita tener humidificación y control de humedad en casos como: Cabinas de pintura: 72%RH es optima para transferir la pintura desde la boquilla rociadora hasta la superficie a pintar. Bancos de lijado: 55%HR permite disminuir el polvo y reducir la estática, que las partículas de polvo y pintura sean atraídas y se adhieran a la carrocería Reduce el tiempo de lijado y calidad de terminación Control de RH entre 60% y 70% Garantiza la calidad y eficiencia en la producción. Producción de tabaco https://www.condair.co/aplicaciones/salud-y-bienestar-humano/hogar Disminuye evaporación. Ejercicio Mediante un sistema de acondicionamiento de aire se toma aire exterior a 10°C y 30% de humedad relativa, a una tasa constante de 45 m3/min y se le acondiciona a 25°C y 60% de humedad relativa. El aire exterior se calienta primero hasta 22°C en la sección de calentamiento, después se humidifica mediante la inyección de vapor caliente en la sección humidificadora. Suponga que todo el proceso sucede a una presión de 100 kPa. Determine: a) la tasa de suministro de calor en la sección de calentamiento. b) el flujo másico del vapor de agua que se requiere en la sección de humidificación. Ejercicio Esquema y datos Ejercicio Ejercicio Procesos de Acondicionamiento de Aire La temperatura es aceptable, pero la humedad es demasiado alta. El aire se enfría primero de F-G. Se retira humedad deG-H. Se agrega calor de H-I Deshumidificación con enfriamiento Esquema del proceso Deshumidificación con enfriamiento Deshumidificación con enfriamiento Ejemplo En una unidad de aire acondicionado de ventana entra aire a 1 atm, 30°C y 80% de humedad relativa, a una tasa de 10 m3/min y sale como aire saturado a 14°C. Parte de la humedad en el aire que se condensa durante el proceso se elimina también a 14°C. Determine las tasas de eliminación de calor y de humedad del aire. Suposiciones • Proceso de flujo estacionario. • El aire seco y el vapor de agua son gases ideales. • Los cambios en las energías cinética y potencial son insignificantes. Procesos de Acondicionamiento de Aire El aire es demasiado caliente. Una corriente de aire del exterior se mezcla con una corriente de aire del interior para obtener enfriamiento natural o aire fresco. El proceso IM representa el aire interior más caliente mezclado con el aire exterior representado por L-M. El estado M representa el aire mezclado. El estado M se encuentra a lo largo de la línea que enlaza L e I. Mezcla adiabatica de dos corrientes de aire Mezclado adiabático de corrientes de aire Balances de masa y energía Ejemplo El aire saturado que sale de la sección de enfriamiento de un sistema de acondicionamiento de aire a 14°C y a una razón de 50 m3/min, se mezcla adiabáticamente con el aire exterior a 32°C y 60% de humedad relativa que fluye a una razón de 20 m3/min. Suponga que el proceso de mezclado se efectúa a una presión de 1 atm; con ello determine la humedad específica, la humedad relativa, la temperatura de bulbo seco y el flujo volumétrico de la mezcla. Ejemplo Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operación. 2 El aire seco y el vapor de agua son gases ideales. 3 Los cambios en las energías potencial y cinética son insignificantes. 4 La sección de mezclado es adiabática. Otras propiedades de la mezcla de corrientes de aire Procesos de Acondicionamiento de Aire El aire es demasiado caliente y la humedad es baja. Se agrega humedad y resulta el proceso representado por JK. Enfriamiento Evaporativo Los sistemas de enfriamiento convencionales operan en un ciclo de refrigeración. En los climas desérticos (calientes y secos), se puede evitar el alto costo del enfriamiento mediante enfriadores evaporativos, también conocidos como enfriadores por rociado o baño de agua. Enfriamiento Evaporativo • En el estado 1 entra al enfriador evaporativo aire caliente y seco, donde se rocía con agua líquida. • Parte del agua se evapora durante este proceso al absorber calor del flujo de aire. • Como resultado, la temperatura del flujo de aire disminuye y su humedad aumenta (estado 2). • En el caso límite, el aire saldrá del enfriador saturado en el estado 2’. Enfriamiento evaporativo o Humidificacion adiabatica Torre de enfriamiento Una torre de enfriamiento es un enfriador evaporativo. El aire entra por el fondo a la torre y sale por la parte superior. El agua caliente a refrigerar se bombea hacia la parte superior de la torre y se rocía en esta corriente de aire. Cuando las gotas de agua caen bajo la influencia de la gravedad, una pequeña fracción de agua se evapora y enfría el agua restante. La temperatura y el contenido de humedad del aire aumenta durante este proceso. Torre de enfriamiento El uso de torres de enfriamiento húmedo permite rechazar el calor de desecho de un proceso hacia la atmósfera, con el agua de enfriamiento recirculando y sirviendo como medio de transporte para la transferencia de calor entre la fuente y el sumidero. Torre de enfriamiento • • • • • • El aire entra a la torre por el fondo y sale por la parte superior. El agua caliente del condensador se bombea hacia la parte superior de la torre y se rocía (gran área superficial de agua al aire). una pequeña fracción del agua (por lo común un pequeño porcentaje) se evapora y enfría el agua restante. Agua de reposición debe añadirse al ciclo para sustituir el agua perdida por la evaporación y por el arrastre de agua. La temperatura y el contenido de humedad del aire aumentan durante este proceso. El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre y se bombea de nuevo al condensador para absorber calor de desecho adicional. Para reducir la cantidad de agua transportada por el aire, se instalan mamparas deflectoras en las torres de enfriamiento húmedo encima de la sección de rociado. Torre de enfriamiento Torre de enfriamiento Ejercicio Del condensador de una central eléctrica sale agua de enfriamiento y entra a una torre de enfriamiento húmedo a 35°C, con un flujo másico de 100 kg/s. El agua se enfría hasta 22°C en la torre de enfriamiento con aire que entra a la torre a 1 atm, 20°C, con 60% de humedad relativa, y sale saturado a 30°C. Ignore la entrada de potencia al ventilador y determine: • a) el flujo volumétrico del aire en la torre de enfriamiento • b) el flujo másico del agua de reposición requerido. Ejercicio Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operación y, por lo tanto, el flujo másico del aire seco permanece constante durante todo el proceso. 2 El aire seco y el vapor de agua son gases ideales. 3 Los cambios en las energías cinética y potencial son insignificantes. 4 La torre de enfriamiento es adiabática.
