psicrometria metodos de humidificacion y

PSICROMETRÍA, METODOS DE HUMIDIFICACION
Y DEHUMIDIFICACION Y SUS APLICACIONES EN
EL DISEÑO ARQUITECTÓNICO.
Dr Isaac Pilatowsky Figueroa
Centro de Investigación en Energía
Universidad Nacional Autónoma de México.
Cerrada Xochicalco s/n, Colonia Centro
62580, Temixco, Morelos, México
Tel: (52) 55-56229733, fax: (52) 55-56229791
[email protected]
1 al 3 de julio de 2002
Universidad de Guadalajara
Guadalajara, Jalisco, México
PRESENTACION
1.0 INTRODUCCION Y PRINCIPIOS BASICOS
1.1 Termodinámica de una mezcla gas-vapor
1.2 Humedad
1.2.1 Humedad molar
1.2.2 Humedad másica
1.2.3 Humedad relativa
1.2.4 Humedad porcentual
2.0 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS VAPOR - GAS
2.1 Introducción
2.2 Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo
2.3 Temperatura de rocío
2.4 Volumen específico húmedo
2.5 Calor específico húmedo
2.6 Entalpía específica húmeda
2.7 Temperatura de saturación adiabática
2.8 Ecuaciones simplificadas
3.0 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
3.1 El diagrama psicrométrico
3.1.1 Isolíneas de temperatura
3.1.2 Isolíneas de humedad relativa
3.1.3 Líneas auxiliares
3.2 Manejo del Diagrama psicrométrico
3.3 Representación de Procesos
4. 0 MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN
4.1 Introducción
4.2 Mezclado de masas de gases húmedos
4.3 Adición de un líquido que se evapora totalmente en la mezcla gaseosa.
4.4 Adición de un líquido en cualquier condición en donde se evapora una parte.
4.5 Humidificación por contacto de una masa gaseosa con un sólido húmedo.
4.6 Humidificación de una masa gaseosa por medio de un líquido que se
encuentra a la temperatura de rocío de la masa gaseosa correspondiente a
las condiciones de humedad de diseño.
4.7Humidificación adiabática de una masa gaseosa en contacto con un líquido.
5.0 MÉTODOS DE DEHUMIDIFICACIÓN
5.1 Introducción
5.2 Métodos de humidificación
5.2.1 Contacto directo
5.2.2 Contacto directo con una masa de líquido frío.
5.2.3 Dehumidificación por medio de substancias químicas.
5.1.3.1 Ciclo de ventilación.
5.1.3.2 Ciclo de recirculación
5.1.3.3 Ciclo Dunkle.
6.0 OTROS PROCESOS DE HUMIDIFICACIÓN Y DEHUMIDIFICACIÓN
6.1 Procesos combinados de calor sensible y calor latente.
6.1.1 Calentamiento con humidificación.
6.1.2 Calentamiento con dehumidificación
6.1.3 Enfriamiento y humidificación
6.1.4 Enfriamiento y dehumidificación
BIBLIOGRAFIA
PRESENTACION
El uso eficiente de la energía es uno de los grandes retos a que nos enfrentamos,
no sólo es responsabilidad de los sectores industrial, transporte y energético, el optimizar
los recursos energéticos, sino también del sector residencial.
El sector residencial es un gran demandante de energía la cual se transforma para
ofrecer tanto enfriamiento como calentamiento. El porcentaje entre ambos dependerá de
la latitud geográfica y de las condiciones de la vivienda.
Se hace cada vez más necesaria la participación de arquitectos, ingenieros y
especialistas, en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos que incluyan
dispositivos y sistemas que permitan por un lado un ambiente confortable y por otro un
ahorro substancial en el consumo de los energéticos.
Los microclimas establecidos en el hábitat en ocasiones son más extremosos que
el medio ambiente, en donde una orientación inadecuada o el uso de ciertos materiales
provoca aumentos de temperatura o pérdidas considerables de energía.
Como se ha mencionado en textos especializados, tanto la temperatura,
humedad y velocidad, influyen sobre el bienestar. Se debe contar con un control sobre
los limites máximos y mínimos de la temperatura; el exceso de humedad limita los
procesos de evaporación a través de la piel, condicionando la pérdida de calor, la
eliminación de partículas sólidas, olores desagradables, humos y substancias tóxicas,
establecen condiciones de calidad del aire y finalmente el movimiento del aire
incrementa los procesos de pérdida de calor y humedad en donde su exceso puede
provocar sensaciones desagradables.
En el diseño arquitectónico es necesario en términos generales considerar las
variaciones promedio de las temperaturas durante todo el año, las horas de insolación
así como la cantidad de irradiación solar disponible y si distribución en las diferentes
épocas del año, el viento en su magnitud y dirección, la precipitación pluvial y la
nubosidad y en particular la humedad, es decir el contenido de vapor de agua en el aire,
ya que este influye de manera importante en las condiciones climatológicas.
La presencia de vapor de agua en la atmósfera en forma de nubes, sobre todas
las que se encuentran a una mayor altitud, provoca la reflexión de la irradiancia solar.
El vapor de agua tiene una gran capacidad de absorción y transmisión de
radiación, dependiendo del dominio de longitudes de onda, pudiéndose convertir en
un gran absorbedor - casi un cuerpo negro- y poder trasmitir y permitir el paso de
la radiación, provocando una especie de ventana atmosférica. Este diferente
comportamiento, del vapor de agua con respecto a la radiación hace que el intercambio
radiativo entre la superficie de la tierra y la atmósfera provoque efectos de
calentamiento o de invernadero o efectos de enfriamiento por pérdidas de radiación.
Este curso tiene como objetivo dar a conocer las modificaciones de las
propiedades físicas del aire, debido a la adición o substracción de vapor de agua
así como los principios básicos de los fenómenos involucrados en los procesos de
humidificación y dehumidificación y su relación con la estructura arquitectónica en la
búsqueda de soluciones a la problemática de la climatización.
La climatización de un espacio se refiere en términos generales a crear y mantener
un ambiente, cuyas condiciones de temperatura, humedad y circulación y pureza del aire
produzcan un efecto tal, que el ocupante o ocupantes de dicho espacio, puedan
desarrollar eficientemente sus actividades. Lo anterior se conoce como condiciones de
confort o de bienestar.
La climatización se aplica en general al tratamiento del aire, actuando sobre los
parámetros ya mencionados, provocando efectos de enfriamiento o de calentamiento,
no sólo sobre la fisiología humana sino también, para crear condiciones para
conservar, transformar o manejar algunos productos o materiales sin perjudicar su
apariencia y propiedades como en el caso de los alimentos.
El impacto económico de la climatización se refleja en la influencia de las
condiciones de bienestar sobre la productividad del hombre y en el caso de las
aplicaciones industriales, sobre la calidad de los productos conservados.
El propósito de este curso es brindar a los no especialistas en el tema, una base
de conocimientos que puedan normar los criterios en el diseño de hábitat sin
necesidad de un desarrollo de ingeniería complicado, logrando con esto, un mayor
entendimiento de los cambios físicos que se desarrollan al aumentar o eliminar en el
aire el contenido de vapor de agua, contribuyendo a obtener las condiciones
confortables, deseadas.
Notas del Autor
INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS
1.1 Termodinámica de una mezcla gas-vapor
El agua es un compuesto vital para el desarrollo de los procesos biológicos que se
efectúan en la tierra, su presencia en forma líquida, sólida o vapor, influye además de
forma importante en las condiciones climáticas. Los procesos físicos de evaporación, o
sea la transición del estado líquido a vapor y el de condensación, el cambio del estado
vapor a líquido, establecen mecanismos de adición y eliminación de humedad,
provocando cambios en los diferentes sistemas ecológicos.
El término humedad se aplica en los general a la cantidad de vapor presente en
un gas. Aunque los términos vapor y gas, podrían ser equivalentes, no lo son; el gas es
un estado físico en donde, por arriba de ciertas condiciones "críticas" de presión y
temperatura, no puede condensarse, es decir, convertirse en líquido. Es claro que el gas
bajo las condiciones antes mencionadas podría licuarse y por lo tanto evaporarse,
recibiendo el nombre de vapor. Entonces el vapor es el producto de la evaporación de un
líquido.
Para que el proceso de evaporación exista es necesario aplicar al líquido una
cantidad de energía tal que permita vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas
del propio líquido. Lo anterior provoca la liberación de moléculas que salen al espacio
gaseoso que las rodean. La energía suministrada al líquido se conoce como el calor de
vaporización, que no es otra cosa más que la cantidad de calor que hay que aplicar al
líquido a una temperatura determinada para convertirlo en vapor.
Al aumentar la temperatura en el liquido aceleramos el proceso de vaporización,
es decir, habrá una mayor cantidad de vapor, presente en el gas, el proceso de
evaporación continua hasta la ultima gota de liquido.
Si calentamos un liquido hasta su temperatura de ebullición, es decir la
temperatura por encima de la cual, se convierte en vapor y este lo colocamos en un
recipiente cerrado y lo aislamos
térmicamente es decir realizamos un proceso
"adiabático", podremos observar que bajo una condición de temperatura y presión,
existe un numero determinado de moléculas de liquido que se integraron a la fase vapor
(Nv) y que por choques entre moléculas y las paredes del recipiente existe otro numero
determinado de moléculas de vapor que se condensan (NL) y regresan al seno del
liquido.
Durante el proceso de evaporación el numero de moléculas de liquido
presentes en el gas irá en aumento y cuando se alcanza constancia en las
condiciones de temperatura y presión se obtiene un equilibrio, en el cual, el numero de
moléculas que salen del liquido por evaporación es igual al numero de moléculas que
entran por condensación, lográndose un equilibrio dinámico. Este equilibrio se obtiene
para cada temperatura y presión, ver figura (1).
Figura 1. Equilibrio dinámico entre fases para cada temperatura y presión
La cantidad de moléculas de vapor en el gas se puede medir por la presión que
ejercen a una temperatura determinada. Esta presión se le conoce como presión de
vapor (P0 ) y depende para substancias puras como el agua, exclusivamente de la
temperatura (T) y en el caso de mezclas dependerá además de las concentraciones
(X) de los componentes.
Para el caso de un liquido puro, P0 = f(T), esta función se puede representar en
una gráfica como lo muestra la figura 2.
Presión
Temperatura
Al líquido que alcanza este equilibrio dinámico se dice que esta bajo condiciones
de saturación o saturado, es decir que a condiciones determinadas se tiene una
máxima de moléculas en el vapor.
Esta relación entre la presión de vapor y la temperatura es particular para cada
liquido y existen ecuaciones específicas para el cálculo de P0 a diferentes temperaturas.
Es claro que el proceso de evaporación, esta influenciado por la presión que
ejerce el gas sobre el líquido. Entre mayor sea esta presión, mayor energía se
requerirá para evaporar un líquido. Este fenómeno lo podemos observar por la variación
de las temperaturas de ebullición de un liquido, cuando se varía la presión del gas.
Supongamos que se quiere evaporar agua al nivel del mar, la presión que ejerce el gas,
es la que ejerce el aire que rodea al agua. A nivel del mar se tiene la mayor columna de
gas presente sobre el liquido y por lo tanto se requerirá una temperatura mayor de
ebullición, bajo estas condiciones la temperatura de ebullición del agua es de 100 °C.
A medida que la columna de aire disminuye, la presión disminuye y por lo tanto se
tendrán temperaturas de ebullición menores a los 100 °C. Entonces, como se puede
observar la presión de vapor es una función de la temperatura y de la presión total. En
procesos de evaporación al ambiente, la presión total es igual a la atmosférica y varía
muy poco, lo cual se supone para efectos de diseño, constante. La presión
atmosférica depende básicamente de la columna de aire presente, es decir de la altitud
del lugar.
La presión que ejerce el aire al nivel del mar es la equivalente a una columna de
760 milímetros de mercurio. Si se toma referencia una temperatura de 0 °C y una latitud
de 45°, se obtiene una atmósfera normal o de referencia. Bajo estas condiciones un
gas que siga el comportamiento y las “leyes ideales del estado gaseoso”, ocupará un
volumen de 22.4 litros. A la presión que ejerce el aire se le conoce como presión
atmosférica o manométrica.
La presión es la fuerza que ejerce es este caso el aire sobre una superficie. En el
apéndice A se describen, las diferentes unidades de medida de la presión y sin
equivalencias.
Normalmente cuando nos referimos al termino humidificación, hablamos de
una mezcla de un gas y de un vapor. Si esta mezcla obedece las leyes ideales de los
gases podemos aplicar la ley de Dalton de las presiones parciales: "la presión total
(PT ) de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales (p) de
los gases constituyentes"
PT = PA + PB + PC ..... + Pn
(1.1)
La presión parcial, (P ) se define como la presión que cada gas ejerce si
ocupase por si sólo el volumen de la mezcla a la misma temperatura.
La presión parcial de un componente de una mezcla de gases ideales es, por lo tanto,
igual al producto de la presión total por la concentración de dicho constituyente particular,
si tenemos una mezcla vapor-gas.
PV = X V PT
(1.2)
En el equilibrio o sea cuando un gas contiene la máxima cantidad posible de un
vapor se dice que está saturado y por lo tanto; la presión de vapor será igual a la
presión parcial.
Si la mezcla esta constituida por los elementos vapor y gas, las presiones
parciales serán igual:
PV =
XV
XV + X G
(1.4)
y
PG =
XG
XT
XV + X G
(1.5)
en donde la concentración total X T = X V + X G
En el apéndice II, se describen las diferentes formas de expresar las unidades de
concentración. En muchos casos se utilizan unidades referidas a un mol1 (n) de gas.
Bajo estas condiciones la fracción molar del vapor (y) será:
y=
nV
P
P 0V
= V =
nG PG PT − PV
(1.6)
en donde nV , y nG son el numero de moles del vapor y del gas respectivamente ,
en donde la fracción molar es igual a la composición en volumen.
Las relaciones anteriores nos dan la concentración del vapor XV en el gas, bajo
condiciones de saturación. Si la cantidad de vapor es menor que la correspondiente en
el equilibrio, la saturación es parcial y la concentración del vapor XV quedará representa
por:
XV =
PV
PT − PV
aquí la PV es menor a PV
(1.7)
0
.
1.2 Humedad
Como se ha mencionado la humedad es la medida de la cantidad de vapor
presente en la fase gaseosa, y se le representa por la letra y' o Y. En algunos textos se
utiliza h o H.
Sin embargo no es recomendable por que causa confusión con la entalpía.
Existen diferentes términos para expresar la concentración del vapor en el gas, las
cuales se definirán a continuación.
1
Mol es una abreviación de molécula y representa la cantidad de substancia de un sistema que contiene tantas entidades
elementales como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbón-12
1.2.1 Humedad molar, saturación molar o humedad molar a saturación (Ym). Se
define como la relación entre el numero de moles de vapor y de gran contenidos en una
masa gaseosa determinada.
Ym =
nV
P
P 0V
= V =
nG PG PT − PV
(1.8)
1.2.2 Humedad másica, absoluta o a saturación absoluta (Y), que es la relación entre
la masa del vapor y la masa del gas contenido en la masa gaseosa.
Y=
MV
M
PV
Ym = V
MG
M G P − PV
(1.9)
en donde MV y MG son las masas moleculares del vapor y el gas.
1.2.3 Humedad relativa o saturación relativa. Es la relación entre la presión parcial del
vapor y la presión de vapor a la misma temperatura. También se le representa con las
siglas (HR).
P 
Ym =  V0 
 PV 
(1.10)
1.2.4 Humedad porcentual o saturación porcentual. Es la relación entre la humedad
existente en la masa gaseosa y la que existirá si ésta estuviera saturada.
YP =
PV
PV0
 PT − PV0 


P −P 
V 
 T
(1.11)
La humedad molar y la absoluta, se expresan en moles de vapor/moles de
gas y masa de vapor/masa de gas respectivamente. En el caso de la relativa y
porcentual, ambas se expresan en por ciento.
2.0 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS GAS-VAPOR.
2.1 Introducción
En los procesos de humidificación la mezcla vapor-gas mas utilizada es la del
aire como gas y el agua como vapor.
El aire es una mezcla gaseosa, cuya composición no cambia en una altura
considerable. El aire está constituido
básicamente
por nitrógeno (N ) en una
proporción del 75.51% y de oxigeno (O2 ) con un 23.01%, el 1.48% restante lo
constituyen el argón (A), anhidrido carbónico (CO2 ), hidrógeno (H2 ), Neón (Ne), Helio
(He), Kriptón (Kr) y Xenón (Xe). Además de estos gases permanentes, el aire
contiene cantidades variables de vapor de agua, debido a los procesos de
evaporación y de anhidrido carbónico (CO2 ), debido básicamente a los procesos de
combustión además de la generación de ozono. Estos gases provocan efectos que
impactan el medio ambiente, ya que su exceso crea ambientes de alta temperatura y
toxicidad.
Las propiedades de las mezclas vapor-gas o gases húmedos son estudiados
por la psicometría que en su etimología griega ψυχροζ, (frío y metro) significa la
medición del frío. Estas propiedades permiten explicar los diferentes procesos para
lograr las condiciones de bienestar en el cuerpo humano y las condiciones de
conservación en los procesos industriales.
Algunas de estas propiedades se pueden determinar experimentalmente,
utilizando un psicrómetro o analíticamente, calculándola a través de ecuaciones, cuya
representación gráfica se logra mediante la elaboración de un diagrama psicrométrico.
Los apéndices III, IV, V se refieren a las propiedades físicas del aire, agua y
vapor de agua respectivamente referidas a la presión atmosférica normal.
2.2 Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo.
Las temperaturas de bulbo seco (Tbs) y bulbo húmedo (Tbh) de un gas húmedo se
pueden determinar experimentalmente por medio de un psicrómetro que es un
instrumento que contiene dos termómetros de mercurio idénticos, uno con el bulbo
descubierto para medir la temperatura del aire y otro con el bulbo cubierto con una
gasa humedecida.
El psicrómetro se hace girar o se le induce una corriente de aire, esto provoca un
enfriamiento y la temperatura del termómetro cubierto desciende primero rápidamente y
después más lentamente hasta alcanzar un valor estacionario. La lectura registrada en
este punto es la temperatura de bulbo húmedo, la cual representa la temperatura de
equilibrio los flujos de calor entre el aire y la gasa por calor sensible y las pérdidas de
calor producidas por la evaporación del liquido en el gas. Estas pérdidas de calor
provocan una disminución en la temperatura. La diferencia entre estas dos temperaturas
dependerá del grado de saturación del aire. Entre más humedad contenga, la
diferencia será menor, y en condiciones de saturación, la temperatura de bulbo seco será
igual a la de bulbo húmedo. Con el conocimiento de estas dos temperaturas es posible
calcular el valor de la humedad relativa. La figura 2.1 representa un psicrómetro.
Figura 2.1 Psicrómetro
En la terminología de los procesos de transferencia de calor, el calor sensible (QS)
se refiere a la cantidad de calor que recibe o pierde un cuerpo, provocando un aumento o
disminución en su temperatura. Este calor sensible depende de la masa (M) y del calor
específico (CP) que es una propiedad de la materia que indica la cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de un grado referida a una masa específica de
material; el calor sensible está representado por la relación:
QS = mC P ∆T
(2.1)
En donde ∆T es el incremento o decremento de la temperatura del cuerpo. El
subíndice (p) del calor especifico indica que esta propiedad esta referida a presión
constante. Las unidades de calor son las calorías (cal), los julios (J) y las unidades
térmicas inglesas (BTU).
En cambio el calor latente es el que se aplica o elimina durante los procesos en
los cuales ocurre un cambio de fase de estado, como en una evaporación (liquido a
vapor), condensación (vapor a liquido) solidificación (líquido-sólido), fusión (sólidoliquido), sublimación (sólido-vapor), etc. Este calor es específico para cada substancia
varía muy poco con la temperatura y se llevan a cabo a presión constante. Al calor
latente se le representa por una L o λ , y sus unidades son de calor por unidad de
masa.
QL = mL = mλ
(2.2)
En el bulbo húmedo del psicrómetro, se establecen dos flujos de calor, uno que
entra, que corresponde al calor sensible debido al contacto con el aire y otro latente
hacia el exterior provocado por la evaporación del liquido presente en la gasa.
En un proceso continuo, todo el calor transferido hacia la gasa se utiliza para
vaporizar la masa del liquido.
Existe una analogía entre el flujo de calor perdido (QL ) y la masa transferida de
humedad (ML ). En la figura 2.2, TGH
y TG representan temperaturas del gas
húmedo y la superficie de la gasa respectivamente.
La temperatura húmeda o del termómetro húmedo se puede determinar a partir de
las relaciones siguientes:
P ∗ Tbh − PV =
hC
(TMG − Tbh )
K G M V λTbh
hC
YT bh − YMG =
KY
λT
bh
(TMG − Tbh )
(2.3)
(2.4)
en donde: P ∗ Tbh , λTbh
, YTbh
y TTbh son la presión de vapor, el calor latente de
vaporización, la humedad absoluta de saturación referidas a la temperatura húmeda y TTbh
la propia temperatura húmeda o de bulbo húmedo.
Figura 2.2 Balance de energía y masa en la gasa. El punto sobre las cantidades
indican que son flujos.
PV es la presión parcial del vapor en el gas, hc el coeficiente de convección
líquido-gas, KG , el coeficiente de transferencia de masa, tomando como potencial de
difusión la presión de vapor y KY considerando el potencial de difusión, la humedad
absoluta.
MV es el peso molecular del vapor T y Y la temperatura y la humedad absoluta
de la masa gaseosa.
A esta relación se le conoce como la ecuación psicrométrica y al cociente hc/KY el
coeficiente psicrométrico o relación de Lewis y se determina por la expresión:
S 
hC
= c C 
KY
 Pr 
0.56
(2.5)
2.3 Temperatura de punto de rocío (Tr)
Es la temperatura que alcanza una mezcla vapor-gas, cuando se enfría a
presión constante, por debajo de la cual se forma la primera gota de vapor condensado
persistiendo las condiciones de saturación.
2.4 Volumen especifico del gas húmedo o volumen húmedo (VH )
Que se define por el volumen ocupado por la mezcla que contiene una unidad
másica de gas, y se calcula a partir de la ecuación del estado gaseoso ideal, en donde
P es la presión, V el volumen R es una constante y T la temperatura y M la masa del gas.
PV = MRT
(2.6)
En el caso del gas húmedo es necesario considerar las masas del gas y del vapor.
 RT 
V = G

 P 
(2.6.1)
 1
Y  RT

+
V = 
 M G MV  P
(2.6.2)
Dependiendo del valor de la constante R, se determinan las unidades de la
Temperatura y la presión.
En el apéndice A se incluyen algunos valores de la constante R, del estado
gaseoso.
2.5 Calor especifico del gas húmedo o calor húmedo (CH )
El calor específico que corresponde a una mezcla vapor-gas, se define como el
calor que hay que suministrar a una unidad másica de gas y al vapor que contiene, para
elevar un grado de temperatura, manteniendo la presión constante de acuerdo a la
relación siguiente:
C H = C PG + C PV Y
(2.7)
2.6 Entalpía especifica o húmeda (HH )
Cuando un sistema cambia de un estado a otro puede perder o ganar energía bajo
forma de calor (Q) y trabajo (W). Si en este cambio de estado, se incrementa el
contenido energético del sistema (energía interna, ∆E) se tiene de acuerdo a la
primera ley de la termodinámica:
∆E = Q − W
(2.8)
A presión constante el trabajo desarrollado es igual a P∆V en donde ∆V es el
cambio en volumen, quedando la relación anterior igual a:
∆E = QP − P∆V
(2.8.1)
QP = ∆E + P∆V
(2.8.2)
en donde QP es el calor absorbido a presión constante.
Se utiliza el símbolo H para representar E + PV, al que se denomina
generalmente contenido calorífico del sistema, aunque se emplean los términos
función de calor a presión constante y entalpía.
En un cambio de estado (1) al estado (2)
QP = H 2 − H 1 = ∆H
(2.9)
el incremento en el contenido calorífico de un sistema es igual al calor absorbido a
presión constante:
∆H = ∆E + P∆V
(2.10)
En el caso de los gases húmedos la entalpía especifica es la suma del calor
sensible de una masa de gas, y el calor latente de vaporización a la temperatura a
la que se refieren las entalpías.
H H = C H (T − T0 ) + λ0Y
(2.11)
2.7 Temperatura de saturación adiabática
Es la temperatura alcanzada por una masa gaseosa cuando se pone en contacto
en un liquido en condiciones adiabáticas. El calor latente de evaporación debe ser
suministrado por el calor sensible transferido desde el aire.
Esta temperatura se puede calcular con la expresión siguiente:
(YS − Y ) = C H (T − TS )
(2.12)
λS
en donde YS y Y representan las humedades de saturación a la temperatura de
saturación adiabática y la especifica, TS la temperatura de saturación adiabática
λS es el calor latente de vaporización del liquido a TS . La ecuación (2.12) resulta del
balance entre las entalpías del aire entrante y saliente, tomando como base el cálculo de
las entalpias, la temperatura TS . El término (- CH /λS ) es la pendiente de la línea de
temperatura adiabática y (- hc/kYλTbh )es la línea de bulbo húmedo. Para el caso de la
mezcla aire-agua, el valor de la temperatura húmeda y el de la saturación adiabática es
el mismo y se puede utilizar de manera indistinta.
El proceso de saturación adiabática se describe con más detalle más adelante.
2.8 Ecuaciones Simplificadas
Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, se tienen ecuaciones
simplificadas para cada una de las propiedades:
2.8.1 Humedad absoluta
 18  PV
Y =  
 29  PT − PV
 PV

 = 0.62
 PT − PV




2.8.2 Volumen húmedo
 1 Y  0.082T
VH =  + 
 29 18  P
P en atmósfera
T en K
2.8.3 Calor húmedo
C H = 0.24 + 0.46Y
2.8.4 Entalpía específica (T = 0 0C)
H H = (0.24 + 0.46Y ) + 597.2Y
2.8.5 Temperatura húmeda
hC
≈ 0 .5
K G MυλTbh
Se puede entonces determinar Tbh de acuerdo a la ecuación psicrométrica.
PTbh − PV = 0.5(TMG − Tbh )
2.8.6. El coeficiente hC/ky
se denomina coeficiente psicrométrico y puede
determinarse por la expresión:
hC
0.56
= c(S C / Pr )
ky
2.8.7
Temperatura de saturación adiabática.- Es la temperatura alcanzada por una
masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones
adiabáticas. Se determina por medio de la expresión:
YS − Y =
C
λS
(T − TS )
3.0 DIAGRAMA PSICROMETRICO
3.1 Diagrama psicrométrico
El diagrama psicrométrico es la representación gráfica de las ecuaciones
analíticas descritas en el capitulo 2. La figura (3.1) representa este diagrama para las
mezclas aire y vapor de agua a la presión atmosférica normal. En este diagrama se
representa
la temperatura como abscisa y la humedad absoluta en ordenadas
calculadas relativa del 100% o curva de saturación, en donde se obtiene la humedad
del aire saturado en función de su temperatura. Las propiedades termodinámica del
vapor de agua saturado se representan en el apéndice III, en donde la propiedades se
localizan en función de la temperatura y en función de la presión. En este mismo
apéndice se incluye un diagrama de Mollier para el vapor de agua.
Los puntos localizados a la izquierda de la curva de saturación representan
mezclas de aire saturado con agua en estado liquido, lo que provoca bruma y son
condiciones muy inestables. Cualquier punto localizado a la derecha de la curva de
saturación, representa una mezcla bien definida de aire y vapor de agua. La figura 3.2
representa las diferentes zonas dentro del diagrama psicrométrico.
Fig. 3.2 Localización de las diferentes zonas en un diagrama
psicrométrico.
Sobre el diagrama psicrométrico se pueden trazar las líneas de temperatura
constante o isotermas de bulbo seco que son paralelas al eje de la humedad absoluta
como lo indica la figura 3.3.
Fig. 3.3 Representación de isotermas de bulbo seco y de saturación adiabática en
un diagrama psicrométrico.
Las líneas inclinadas con pendiente negativa corresponden a las isotermas de
saturación adiabática, que como se mencionó anteriormente coinciden con las de la
temperatura húmeda para el caso aire-vapor de agua. Estas líneas están representadas
en la figura 3.3.
3.1.2 Isolíneas de humedad relativa
Las curvas localizadas entre el eje de las abscisas y la curva de saturación
corresponden a las isolíneas de humedad relativa cuyo valor disminuye a medida que se
alejan de la curva de saturación. La figura 3.4 representa las líneas de humedad relativa.
Fig. 3.4 Representación de las isolíneas de humedad relativa.
3.1.3 Líneas auxiliares
Además de las isolíneas anteriores existen gráficas auxiliares que permiten la
determinación de otras propiedades, tales como: el calor húmedo, volumen saturado y
volumen seco, así como la entalpía de saturación. La localización de estas gráficas
sobre el diagrama psicrométrico es muy variable.
Como se puede observar en la mayoría de los diagramas psicrométricos su
construcción está basada para una presión de 1 atm, sin embargo, puede emplearse
para otras presiones, por medio de un factor de corrección, que consiste en
multiplicar los valores obtenidos de las humedades relativas en el diagrama por la
relación entre la presión de operación y la presión a que se ha construido el diagrama.
3.2 Manejo del diagrama psicrométrico
Para determinar un punto sobre este diagrama, es necesario conocer por lo
menos dos de las cinco variables: Tbs , TR , Y, Tbh , y y HR. Si fijamos el punto (1) sobre
el diagrama de la figura 3.5 la determinación de sus propiedades se efectúa de la
siguiente manera:
Figura 3.5. Determinación de propiedades de una mezcla aire-vapor de agua, en un
diagrama psicrométrico.
La ordenada del punto (1) corresponde al la humedad absoluta (Y) y su abscisa,
es la temperatura de bulbo seco (Tbs ) la abscisa de este punto que tiene la misma
ordenada en Y hasta las condiciones de saturación, corresponde a la temperatura de
rocío (TR); la abscisa del punto de intersección de la línea con pendiente negativa que
pasa por el punto (1) con la curva de saturación, es la temperatura de saturación
adiabática o temperatura de bulbo húmedo (Tbh ), a la cual le corresponde la ordenada
YTbh . Prolongando la vertical que pasa por (1) hasta la curva de saturación, la
ordenada del punto
de intersección es la humedad de saturación del aire a la
temperatura Tbs ; la humedad relativa del punto de cuestión se obtiene leyendo
directamente sobre la isolínea correspondiente.
3.3 Representación de Procesos
El diagrama psicrométrico o carta de humedad se pueden representar
procesos simples como calentamiento o enfriamiento a humedad y presión constante
o los mismos procesos a humedad variable, tal como lo muestra la figura 3.6 y 3.7.
También se pueden trazar procesos simples de humidificación adiabática
representado en la figura 3.8 y de mezclas de aires de la figura 3.9.
Figura 3.6 Calentamiento o en enfriamiento sensible
Figura 3.7 Variaciones latentes
Figura 3.8 Representación humidificación adiabática
Figura 3.9 Representación de mezclas de aire
En la figura 3.7 esta representado un proceso que se caracteriza por un aumento
o disminución del contenido de humedad del aire, permaneciendo constante la
temperatura de bulbo seco.
4.0 METODOS DE HUMIDIFICACION
4.1 Introducción
Existen diferentes métodos por medio de los cuales se puede humidificar el
aire. En la mayoría de los casos, la masa de aire se pone en contacto sea con líquidos,
sólidos húmedos o con masas de aire húmedo. La mayoría de los métodos son simples,
a excepción de la humidificación adiabática la cual requiere de condiciones adiabáticas
(sin intercambio de calor con el medio ambiente).
4.1 Mezclado de masas de gases húmedos.
Este método consiste en mezclar adiabaticamente masas de gases húmedos,
los cuales tienen humedades diferentes. Las condiciones finales de la masa gaseosa
resultante se pueden evaluar en función del estado inicial de las corrientes gaseosas. En
el caso de la mezcla de dos masas de gases húmedos (A y B) las condiciones son: YA ,
YB ; HA , HB ; TA , TB y MA , MB . Las condiciones finales de la mezcla están dadas
por YC , HC , TC y MC y las podemos calcular a partir del establecimiento de un
balance de materia y energía aplicado tanto a toda LA masa y al vapor.
4.1.1 Balance de materia
G A + G B = GC
G SA + G SB = G SC
(masa total, kgG+V)
(masa vapor referida al vapor, KgG. /h)
(4.1)
(4.2)
4.1.2 Balance de Humedad
G SAY A + G SB YB = G SC YC
(4.3)
(kgG/h) (kgB/kgG) =(kgv/h)
4.1.3. Balance de energía o entalpía
G SA H A + G SB H B = G SC H C
(4.4)
Humedad
YC =
G A Y A + G B YB
G A + GB
(4.5)
Entalpía
Entalpí
a
HC =
G A H A + GB H B
G A + GB
(4.6)
Temperatura
TC =
G A T A + G B TB
G A + GB
(4.7)
Las condiciones de aire húmedo resultante se pueden encontrar sobre el
diagrama psicrométrico, en la recta de unión de los dos puntos representativos de las
masas mezcladas.
En la figura 4.1, el punto A representa la condición de una masa gaseosa y el
punto B la de la otra masa gaseosa en contacto. Estos dos puntos se unen por medio de
una línea recta. El punto C sobre la línea representa la condición final de la mezcla. La
posición del punto C, depende del porcentaje de cada masa gaseosa presente en la
mezcla.
Mientras mayor sea A, más cerca estará C a B y más cercano estará de B si
ocurriese lo contrario.
Figura 4.1 Representación de una mezcla de masas gaseosas.
Con el objeto de mantener una temperatura estable en el hábitat es necesario
que el equipo de enfriamiento este por debajo de este valor. Si el aire está a una
temperatura superior, se requerirá más energía. Si el equipo de enfriamiento funcionara
solamente con aire exterior, la potencia de refrigeración sería considerable para
enfriarlo hasta la temperatura de acondicionamiento.
La mezcla de masas gaseosas podría ser interesante desde el punto de vista
económico, ya que es posible mezclar el aire exterior con el aire de retorno. El aire
resultante de esta mezcla tendrá una temperatura más baja que el aire exterior,
economizando energía en la máquina de enfriamiento.
Existen casos en los cuales no se puede utilizar el aire de retorno, ya que
siempre se requiere aire fresco. Este es el caso de algunas áreas en centros
hospitalarios.
Si en espacio acondicionado no hay contaminación y no se afecta el bienestar se
puede usar por un periodo determinado el aire de retorno, después es necesario
renovarlo.
4.2 Adición de un vapor en condiciones de saturación
En este proceso a una masa de gas húmedo (GA) en las condiciones YA , HA , TA ,
se le adiciona una masa de vapor saturado MV con una entalpía HV . Al realizar un
balance de materia y energía, se obtienen las expresiones siguientes:
MV
GA
(4.8)
H M = H A + H V (YM − Y A )
(4.9)
YM = Y A +
en donde YM y HM son la humedad y entalpía de la mezcla resultante.
Como en el caso anterior, este proceso se puede representar en un diagrama
psicrométrico y las condiciones de la mezcla resultante se obtienen sobre la recta de
unión de los puntos representativos del vapor saturado y el gas húmedo.
4.3. Adición de un líquido que se evapora totalmente en la masa gaseosa.
La adición de un líquido provoca que la masa gaseosa disminuya su temperatura,
ya que el aire cede su calor sensible al líquido para provocar su evaporación, por lo que
se produce su enfriamiento. En el caso de la adición de vapor saturado existe un
calentamiento de la masa gaseosa debido al calor sensible del vapor.
Es claro que el abatimiento de temperatura es mucho más rápido con el
contacto con un líquido que con un vapor debido básicamente a la diferencia importante
entre el calor latente de vaporización del líquido y el calor sensible
del vapor.
En este caso, las relaciones para el cálculo de las condiciones finales son
análogas a las del caso anterior, solo se substituyen las condiciones del vapor saturado
por las del líquido.
ML
GA
(4.10)
H M = H A + H C (YM − Y A )
(4.11)
YM = Y A +
4.4 Adición de un líquido en cualquier condición, en donde sólo se evapora una
parte.
En este caso suceden dos procesos simultáneamente; la masa del aire GA que
pasa de las condiciones YA1 , HA , a las condiciones YA2 , HA2 y la cantidad de líquido
inicial ML1 se enfría de TL1 a TL2 . Si efectuaron un balance de masa.
G A (Y A 2 − Y A1 ) = M L1 − M L 2
(4.12)
Del balance de energía se obtiene:
Y A2 − Y A1
M L1 − M L 2
=
H A2 − H A1 M L1 H L1 − M L 2 H L 2
(4.14)
en donde HA y HL son las entalpías de la masa gaseosa y del líquido respectivamente.
El proceso de adición del líquido puede variar en función de las condiciones del
líquido. En la figura 4.2 están representados tres procesos de humidificación: con
adición de agua caliente (A) con adición de agua fría (B) y con adición de agua muy fría
(C).
Figura 4.2 Procesos de adición de líquido
4.5 Humidificación por contacto de una masa gaseosa con un sólido húmedo.
Este es un proceso en donde el sólido transfiere humedad al aire, secando el
sólido y humidificando el aire. En este proceso de secado el sólido se introduce en un
secador a una temperatura Ts1 con una humedad Ys1 y se obtiene a una temperatura Ts2
con una humedad Ys2, (estas humedades se refieren al sólido seco). Siendo MS la
cantidad de sólido que entra y sale del secador, si la masa de aire GA que entra al secador
a TA1 con humedad YA1 sale a TA2 con una humedad YA2 se obtiene de la figura 4.3 el
balance de masa siguiente:
Figura 4.3 Diagrama de un secador
G A (Y A2 − Y A1 ) = M S (YS 1 − YS 2 )
(4.15)
Si consideramos un proceso adiabático, el balance de energía es:
G A (H A1 − H A2 ) = M S (H S 2 − H S 1 )
(4.16)
En donde HS2 y HS1 son la entalpia de entrada y salida del sólido (respecto a 0º) y
definidad por:
H S = (C S + YS C L )TS + H 0
(4.17)
En donde CS y CL son los calores específicos del sólido seco y del líquido que
acompaña al sólido respectivamente, TS y YS la temperatura y humedad del sólido y H0 el
calor integral de mezcla del sólido (referido a 0ºC).
Si el proceso no es adiabático es decir intercambia calor con el medio, el balance
de energía es:
G A (H A1 − H A2 ) = M S (H S 2 − H S 1 ) − q
Siendo (q) la cantidad de calor intercambiada.
(4.18)
4.6 Humidificación de una masa gaseosa por medio de un líquido que se encuentra
a la temperatura de rocío de la masa gaseosa correspondiente a las condiciones de
humedad de diseño.
En este proceso se requiere llevar a la masa gaseosa en el punto B a las
condiciones de diseño YB a partir de las condiciones iniciales del punto A, con YA de
acuerdo al diagrama de la figura 4.4. Para lograr este proceso se requiere poner en
contacto la masa gaseosa con un líquido que se encuentra a la temperatura
correspondiente al punto C. Para poder mantener el líquido bajo estas condiciones es
necesario suministrar una cantidad de calor equivalente a la que absorberá la masa
gaseosa en forma de calor latente al humidificarse. La masa gaseosa pasará de la
condición A a C y después, fuera de contacto con el líquido se calentará de forma
sensible para llevarlo a las condiciones deseadas del punto B. Este proceso se encuentra
representado sobre el diagrama psicrométrico de la figura 4.4.
Figura 4.4 Procesos de humidificación de un gas en contacto con un líquido
4.7 Humidificación adiabática de una masa gaseosa en contacto con un líquido.
Este método de humidificación es el más empleado a nivel industrial. Este
proceso consiste en el contacto de una masa gaseosa con un líquido para alcanzar las
condiciones de saturación adiabática. El líquido que entra al humidificador se encuentra a
la temperatura de saturación adiabática.
El líquido se circula constantemente y no recibe ni cede calor. Cuando la
temperatura inicial del líquido es igual a la temperatura inicial de bulbo húmedo, la
temperatura del líquido no cambiará durante el contacto con la masa gaseosa. La
temperatura del líquido se mantendrá constante mientras que la temperatura del bulbo
húmedo del gas se conserve. Además, como la temperatura del líquido está por debajo
de la de bulbo seco, éste se enfría.
El calor latente requerido para la evaporación del agua, solo se puede obtener
aprovechando el calor sensible que pierde el aire, de acuerdo a la disminución de la
temperatura de bulbo seco. En contenido total de calor no cambia, aunque sí los valores
parciales del calor latente y del calor sensible.
La humidificación del aire se realiza por medio de un rociador, en donde el agua se
circula constantemente, de acuerdo al diagrama de la figura 4.5.
Figura 4.5 Humidificador adiabático
Figura 4.6 Representación de un proceso de humidificación adiabática.
Si disponemos de una masa gaseosa en las condiciones de A y se desea llevarlo
hasta las condiciones de D, de acuerdo a la figura 4.6. el proceso se realiza como sigue:
1)
El aire se somete a un calentamiento fuera de contacto del agua (segmento
AB), hasta la temperatura de saturación adiabática (T3) la cual corresponde a
la temperatura de rocío del aire en las condiciones (D).
2)
El aire caliente se introduce en el humidificador adiabático, en donde alcanza
las condiciones de saturación al ponerse en contacto con el líquido, el cual se
encuentra a una temperatura igual a la de saturación del aire. Una porción del
líquido se transfiere al aire, y el resto para a la parte inferior del humidificador
a la temperatura de bulbo húmedo del aire. Para asegurar la recirculación
constante del líquido, éste se bombea hacia los rociadores, siempre a la
temperatura húmeda.
Como se observó en el capítulo 2, la relación entre la temperatura del aire y su
humedad a lo largo del humidificador adiabático está dada por la ecuación
(2.12).
YS − Y =
3)
CH
λS
(T − TS )
(4.18)
El aire que sale por la parte alta del humidificador que tiene la humedad
deseada (Y2) en el punto D, se calienta fuera del contacto con el líquido
(segmento C,D), hasta la temperatura final T2.
Sin embargo en la mayoría de los casos no se alcanza la saturación completa a la
salida del humidificador, pero sale a la humedad Y (punto E). La temperatura a la salida
T4 a la TBH2 es más grande que la temperatura de rocío correspondiente al estado D. Para
que el aire salga del humidificador en el punto E, deberá entrar en el mismo a una
temperatura TS (punto F) un poco superior a T3 pero con una temperatura de bulbo
húmedo igual que F.
Para desarrollar el proceso de E a D, sólo se le aplica el calor necesario, fuera del
contacto del líquido, a la salida por la parte alta del humidificador.
Si la temperatura de líquido no corresponde a la de bulbo húmedo de la masa
gaseosa, la relación entre la temperatura del aire y su humedad es este humidificado está
dada por:
T=
(YS − Y )[λ + C (TS − Te ]
C
+ TS
(4.19)
En donde λ, es el calor de vaporización del líquido a la temperatura de entrada en
el humidificador, TS la de saturación de la masa gaseosa y T0 la del líquido a la entrada.
Si TS es cercana a Te, el valor del calor sensible c(TS –Te) es muy pequeño comparado
con el calor latente y la ecuación (4.19) se simplifica y se convierte en la (4.20):
(YS − Y ) =
C
λS
(T − TS ) .
(4.20)
Las relaciones anteriores son aplicables para el secado de sólidos, bajo las
consideraciones de una operación adiabática y que el material por secar entra y sale del
secador a la temperatura de saturación adiabática. Este proceso no es completamente
isoentálpico, aunque la desviación es pequeña. Si desarrollamos un balance de energía
en un humidificador adiabático:
H e = H S + (Y2 − Y1 )H 2
(4.21)
En donde, He y HS son las entalpías de entrada y salida y HL las del líquido a la
temperatura de entrada.
La disminución de entalpía es:
H e − H S = (Y2 − Y1 )H L
(4.22)
5. MÉTODOS DE DEHUMIDIFICACIÓN
5.1 Introducción
Los procesos de dehumidificación no son procesos de enfriamiento propiamente
dichos, se considera que son exactamente opuestos a un enfriamiento evaporativo,
pudiéndose ser una especie de “calentamiento condensante”. La disminución en el calor
latente se intercambia con un aumento en el calor sensible. En los procesos de
humidificación el calor latente contenido en la masa gaseosa decrece y el contenido de
calor sensible aumenta. En un proceso ideal de eliminación de humedad la suma de los
dos calores la entalpía, permanece invariable, siendo este un proceso adiabático, sin
cambiar la energía total del sistema.
En el diseño arquitectónico debe de considerarse la humedad, ya que su exceso
causa problemas en el confort humano. Si el medio ambiente está cercano a las
condiciones climáticas son las que imperan en las regiones cálidas y húmedas.
El aire puede dehumidificarse pro medio de sistemas de enfriamiento mecánico o
por medio del uso de materiales sólidos o líquidos, que por mecanismos de adsorción y
absorción, pueden fijar cantidades específicas de vapores, en la mayoría de los casos
estos materiales reciben el nombre de desecantes.
Cualquier sistema de refrigeración puede producir una dehumidificación de la
masa gaseosa siempre y cuando ésta se enfríe por debajo de la temperatura de rocío,
característica de la mezcla.
En cualquier proceso en donde se varíe el contenido de humedad en el aire
húmedo, la cantidad de líquido adicionado o eliminado, se puede evaluar con la relación:
M L = G A (Y A1 − Y A 2 )
(5.1)
En donde ML es la cantidad de líquido por unidad de tiempo Kg/h o Kg/s, GA es la
masa del aire húmedo en Kg/h o kg/s y (YA1 – YA2) es el incremento o decremento en
humedad absoluta expresado en Kg/kgde aire seco.
En los sistemas de refrigeración mecánica, existe el concepto de la temperatura de
rocío del aparato (Tra), la cual representa la temperatura media de la superficie del equipo
de enfriamiento. Si toda la masa gaseosa se pusiera en contacto con toda la superficie
disponible en el enfriador, se alcanzará la Tra, sin embargo, en la práctica, se alcanzan
otras condiciones.
5.1 Métodos de dehumidificación
5.1.1 Contacto indirecto.
Si se mantiene una superficie de preferencias metálica a una temperatura inferior a
la de rocío de la masa gaseosa, ésta se enfriará paulatinamente hasta alcanzar las
condiciones de saturación, este proceso está en la figura 5.1, con el segmento AB. Si se
prosigue el enfriamiento, el vapor se condensará sobre la superficie fría, quedando la
masa gaseosa saturada.
Si se extrae continuamente el líquido, con el objeto de mantener seca la superficie,
la temperatura de superficie, la temperatura de enfriamiento siempre será la de rocío del
aire.
Fig. 5.1 Proceso de dehumidificación por contacto indirecto.
En la práctica, no toda la masa gaseosa se pone en contacto con la superficie, y
dicha parte en contacto efectivamente recorre el camino ABC, adquiere una temperatura
promedio Tc. De B a C tiene lugar la dehumidificación. Una parte de la mezcla gaseosa
no sufrió ninguna transformación y en realidad se tendrá como resultado una mezcla
gaseosa en las condiciones de D, siendo el estado final del proceso. Como se mencionó
el trayecto de B a C representa el enfriamiento y la condensación del vapor del líquido a lo
largo de la curva de saturación.
En la práctica es difícil mantener la superficie seca, por lo tanto se debe considerar
el contacto de la masa gaseosa con líquido. La temperatura del líquido alcanza una
temperatura cercana a la superficie del agua condensada, existiendo simultáneamente un
gradiente de humedad en la misma dirección.
Esto modifica el trayecto original ABC, y el proceso real es más parecido al
trayecto AC, siempre y cuando la temperatura de la superficie permanezca constante. La
ecuación de la recta AC es:
T A − TC Y A − YC
=
T − TC
Y − YC
(5.2)
Como la HC es menor que la correspondiente de la masa gaseosa, se establece un
flujo de calor de la masa gaseosa hacia la superficie y para mantener la temperatura
constante se necesita de un enfriamiento.
La cantidad de calor cedido por la masa gaseosa es:
h
q = A (H − H C )
c
(5.3)
Y la cantidad de calor que se transfiere desde la superficie fría de condensación
hasta el refrigerante a la temperatura TR.
q R = VA′(TC − TR )
(5.4)
Haciendo el balance:
T − TR
hA
=
H − H C cVA′
(5.5)
En donde las áreas de contacto A y A’ corresponden al contacto entre la masa
gaseosa y el líquido y entre el líquido y la superficie del condensador.
Como se puede apreciar la recta AC es oblicua si la temperatura de la superficie
(TS) es menor que la de rocío de la masa gaseosa ya que si TS y TR son iguales, la recta
sería una horizontal y no habrá condensación.
5.1.2
Dehumidificación por contacto directo con una masa de líquido frío.
Este proceso consiste en poner en contacto una masa gaseosa con un líquido a
una temperatura inferior a la de rocío de la masa gaseosa, en donde el aire se enfría
perdiendo calor sensible y calor latente, y el líquido aumenta su temperatura.
Las condiciones límites se alcanzan cuando la masa gaseosa se satura a la
temperatura del agua. La figura 5.2 representa este proceso de dehumidificación.
Si se cuenta con una masa gaseosa en las condiciones de A y el líquido está a la
temperatura TE’ este líquido se calentará hasta TC y el aire alcanzará las condiciones del
punto D.
Si no se considera el calor sensible del agua condensada, y se desarrolla un
balance de energía:
G (H A − H C ) = LC (TD − T A )
(5.6)
Fig. 5.2 Proceso de dehumidificación por contacto directo.
Como en el caso anterior el aire no alcanza las condiciones de saturación en D
sino que sale a una temperatura superior TB mientras que el líquido se obtiene a una
temperatura TC sin lograr una condición de equilibrio.
La eficiencia (EF) de un dehumidificador de este tipo, se representa por:
EF =
HA − HB
100
HA − HD
(5.7)
Y su valor puede variar por el caso de la mezcla aire-agua entre 55 y 99%.
5.1.3
Dehumidificación por medio de substancias químicas
Este proceso de dehumidificación utiliza materiales líquidos y sólidos, llamados
desecantes que tienen como función extraer el vapor del líquido de la masa gaseosa.
En el caso de líquidos es el proceso conocido como absorción y en el caso de los
sólidos se llama adsorción, aunque el proceso de absorción utilizando sólidos.
Los desecantes sólidos en la mayoría de los casos son adsorbentes del tipo de la
silica-gel, carbón activado, zeolitas naturales y sintéticas, y en el caso de los líquidos de
glicoles o soluciones acuosas de cloruro de litio, cloruro de calcio, ácido sulfúrico, etc.
En el caso de algunos sólidos con el objeto de tener un proceso continuo, se
diseña una rueda o una torre empacada o un encapsulado con material desecante sólido,
en donde al girar para la corriente de aire, del cual adsorbe la humedad y posteriormente
por una corriente de aire externo caliente, que seca el sólido regenerándose.
En el caso de los desecantes líquidos, este proceso consiste en rociar con una
solución que contiene un desecante adsorbente de vapor del líquido, un serpentín
refrigerante colocado en la corriente del aire a tratar, con lo cual se adsorbe la humedad.
Parte de la solución se bombea continuamente hacia el regenerador en el que también
por rociado sobre serpentín de calentamiento, cede humedad a una corriente de aire que
lo transporte al exterior.
Existen los sistemas abiertos en donde se intercambia calor y se pierde humedad
al ambiente para regenerar el desecante y poder reutilizarlo.
5.1.3.1.
Ciclo de ventilación
La figura 5.3 representa un diagrama de un proceso de discos de rotación de
desecantes sólidos y su representación en un diagrama picrométrico.
En este caso, el aire del cuarto se usa para regenerar la cama del desecante y el
aire exterior se enfría. El aire que sale del cuarto (6) es enfriado evaporativamente (7) y
se usa como el sumidero de frío para el aire de retorno seco al cuarto. Este aire de salida
se calienta durante el intercambio térmico (8). Este posteriormente se calienta por medio
de una fuente externa de energía (φ) para secar al desecante (9).
El desecante seco enfría y humidifica el aire (10). El suministro de aire ambiente
al cuarto (1) se seca con el desecante (2) y se enfría por el intercambio de calor (3) con el
aire de salida del cuarto. Este aire ambiente secado y enfriado se enfría por enfriamiento
evaporativo (4). Justo antes del proceso (5), el aire mezclado se introduce. Este proceso
propuesto por Dunkle, mezcla aire del cuarto enfriado evaporativamente con el enfriado y
secado con el objeto de controlar el factor de calor sensible (FCS); este factor se explicará
posteriormente.
Fig. 5.3 Secador de aire con el modo de funcionamiento de ventilación
5.1.3.2
Ciclo de recirculación
Otro modo de funcionamiento es el de recirculación, el cual consiste de los mismos
elementos que el anterior, excepto que el aire del cuarto es reacondicionado
constantemente en un circuito cerrado y el aire exterior se usa para la regeneración del
desecante. Este ciclo tiene la ventaja de procesar aire con una temperatura de sumidero
más alta que en el proceso de ventilación aunque éste último usa aire fresco todo el
tiempo.
Fig. 5.4 Ciclo de dehumidificación por recirculación.
5.1.3.2.
Ciclo Dunkle
El ciclo Dunkle, el cual está representado en la figura 5.5, combina las ventajas
termodinámicas de los procesos de ventilación y recirculación. Este ciclo usa la ventaja
de procesar aire del cuarto con una gran disponibilidad de enfriamiento y mantener la
temperatura baja del sumidero del proceso de recirculación.
Figura 5.5 Ciclo Dunkle
6.0 OTROS PROCESOS DE HUMIDIFICACIÓN Y DEHUMIDIFICACIÓN
6.1 Procesos combinados de calor sensible y calor latente
Existen diferentes procesos en los cuales se combinan calentamiento y
enfriamiento con procesos de humidificación y dehumidificación.
La figura 6.1 representa cuatro diferentes procesos combinados.
En la figura se pueden observar los siguientes procesos:
a)
b)
c)
d)
Calentamiento sensible y humidificación
Calentamiento sensible y dehumidificación
Enfriamiento sensible y humidificación
Enfriamiento sensible y dehumidificación
Figura 6.1 Procesos combinados
6.1.1 Calentamiento con humidificación
El aire se puede calentar y humidificar simultáneamente, si se le hace pasar a
través de un acondicionador, con un sistema que pulveriza el agua que se ha calentado
en un intercambiador agua/vapor o simplemente mediante la inyección directa de vapor.
Este proceso se caracteriza por un aumento de la entalpía y de la humedad
específica del aire tratado, mientras que su temperatura final de bulbo seco puede ser
menor, mayor o igual que la inicial.
Fig. 6.2 Procesos de calentamiento con humidificación.
Tres diferentes procesos. El proceso A, el agua es inferior en su temperatura a la
de bulbo seco del aire a la entrada.
Los procesos B y C son transformaciones análogas en el caso que el agua
pulverizada se encuentre respectivamente a una temperatura igual o mayor del bulbo
seco.
6.1.2
Calentamiento con dehumidificación
Cuando el aire se circula a través de un adsorbente sólido se dehumidifica y
calienta simultáneamente.
También como se mencionó anteriormente líquida
absorbentes. Si no se considerara el calor liberado durante la adsorción, el proceso
podría considerarse inverso al de enfriamiento adiabático.
Figura 6.3 Proceso de calentamiento con dehumidificación.
6.1.3
Enfriamiento y humidificación
Este proceso se ha mencionado anteriormente y recibe el nombre de enfriamiento
evaporativo. El agua se rocía en la corriente de aire, algo de agua evaporada incrementa
el contenido de vapor de agua en el aire. El agua no evaporada se recircula
continuamente y además no se adiciona al proceso calor externo.
Si la Tbs del aire se mide a la entrada y salida de la unidad de acondicionamiento,
se observa que la temperatura de salida es más baja que la de la entrada sin una fuente
externa de enfriamiento. Esto indica que el calor sensible fue cedido por el aire.
Esto es debido a que la evaporación del agua requiere calor latente, el cual se
obtiene del aire disminuyendo su temperatura. El proceso de enfriamiento evaporativo se
realiza a entalpía constante, ya que no se adiciona o se extrae calor de la mezcla gasvapor. El calor sensible decrece y el latente aumenta en la misma medida. El proceso en
donde no hay un cambio en el contenido total de calor se llama adiabático.
Figura 6.4 Enfriamiento con humidificación
6.1.4
Enfriamiento y dehumidificación
En la mayoría de los sistemas de acondicionamiento de aire, ocurre
simultáneamente el enfriamiento y la dehumidificación. Esto se logra si el aire pasa por el
enfriador, cuya superficie está a una temperatura inferior a la del punto de rocío. En este
proceso la humedad y la temperatura disminuyen. No obstante el aire sufre una serie de
procesos. La figura 6.5 representa el proceso de enfriamiento y dehumidificación.
Si se supone que sólo una parte del aire se pone en contacto con la superficie fría,
y que dicha parte, siguiendo el recorrido ABC, adquiere la temperatura TC de la superficie
fría, de B a C se lleva a cabo la dehumidificación. (Fig. 6.6) El resto del aire no se pone
en contacto con la superficie fría y no sufre ninguna transformación. A la salida del
enfriador se tiene un aire en las condiciones D, en donde se tiene el final del proceso.
Figura 6. 5 Proceso de enfriamiento y dehumidificación.
Figura 6.6 Proceso de enfriamiento y dehumidificación.
El aire desviado en aquella porción del aire que no se pone en contacto en la
superficie fría y por lo tanto no sufre ningún cambio. Esto se puede representar por medio
del Factor de Desvío (FD) que es la relación que existe entre la masa del aire desviado y
la masa total del aire que atraviesa el enfriador.
FD =
TI − TC
TM − TC
(6.1)
En donde: TI, TC y TM representan las temperaturas de impulsión o difusión del
aire, la del punto de rocío del aparato y la temperatura del aire mezclado y antes de entrar
al enfriador. El factor de desvío depende de la superficie externa de intercambio, si la
superficie disminuye el FD aumenta y al disminuir la velocidad disminuye, ya que el
tiempo de contacto es mayor.
En los ciclos de climatización de aire, este se mezcla con el aire exterior y el de
retorno. El aire mezclado M estará a una temperatura menor a la del exterior y algo
mayor a la del retorno del cuarto.
La figura 6.7 representa un sistema de
acondicionamiento de aire.
Figura 6.7 Sistema de acondicionamiento de aire.
El aire de desvío a TM y el que se pone en contacto con el enfriador TD hace que el
aire salga de este a un valor TI. Este aire se difunde hacia el cuarto a acondicionar donde
elimina las distintas cargas internas sensibles y latentes, para mantenerla a T y Y
estables. Esa masa adquiere las condiciones existentes en el local. Posteriormente una
determinada cantidad de ese aire, será llevado hacia el equipo donde se mezcla con el
aire exterior, produciendo el ciclo de climatización. La fig. 6.8 representa el ciclo de
climatización.
El estado I representa el estado de aire impulsado y las condiciones interiores del
local se representa por (L). El segmento (IL) representa la evolución del aire en el interior
del local y se llama recta del factor de calor sensible (FCS) del local total, donde el calor
total es la suma del calor sensible y el calor latente:
FCS =
QS
Q
= S
QS + QL QT
(6.2)
El factor de calor sensible del cuarto (FCSC), es la relación ante el calor sensible del
cuarto y el calor total del cuarto.
Figura 6. 8 Ciclo de acondicionamiento de aire.
FCSC =
QSC
QTC
(6.3)
El factor de calor sensible total (FCST) es la relación entre el calor sensible total que
se elimina en el enfriador, y la suma del calor sensible también eliminados en el enfriador.
FCST =
QST
QS + Q L
(6.4)
La pendiente de la recta (IL) nos da la relación entre las cargas de calor sensible y
latente del local. Entonces, si el flujo de aire difundido es suficiente para compensar estas
cargas, se mantendrán las condiciones de humedad relativa y temperatura fijadas para el
local, siempre que las condiciones de (I) correspondan a un punto sobre esta recta.
El paro del aire a través del enfriador produce variaciones en la temperatura y/o
humedad absoluta. Estas variaciones dependen de las cargas totales de calor sensible y
total que el equipo acondicionador debe desarrollar. Veamos ahora el proceso (MI) y se
observa un análisis similar al de FSCL, en donde éste ocurre en condiciones totalmente
diferentes. De M a I el aire se enfría y dehumidifica, mientras que de I a L el aire se
calienta y humidifica. Se observa que para trazar tanto la recta FCSL y FCST no es
necesario conocer las condiciones del aire que se difunde, ya que para trazar la recta FCSL
se puede realizar conociendo su valor y las condiciones interiores del local, y para trazar
la del FCST se necesitará conocer su valor y las condiciones del aire mezclado.
En el diagrama psicométrico, la escala FCS está a la derecha de la escala.
Si necesitamos trazar la recta FCSL
1.
2.
3.
4.
Situar el punto (L) en el diagrama.
Localizar el punto de referencia, el que se obtiene con HR=50% y una recta
paralela al eje de las abscisas hasta el valor de FCS =1.
Desde ese punto, unir con una recta el valor de FCSC, leído en la escala FCS.
La recta del FCSL considerado, será paralela a la recta anteriormente trazada y
pasará por L. De forma similar se puede trazar la recta FCST
Figura 6. 9 Cálculo gráfico de las pendientes de FCSL y FCST.
BIBLIOGRAFÍA
1. Robert E. Treybal, Mass Transfer Operations, Part two 7. Humidification operations,
2ª. Edicion, McGraw-Hill, 1955.
2. Perry, Chemical Engineer´s Handbook, 6 th. Ed.
3. J. Ocón y G. Tojo B. Problemas de Ingeniería Química, Tomo I,
Cap. 4.
Humidificación, 1968.
4. A. Valiente, Cap. 2, Operaciones aire –agua, Métodos de Producción de Frío,
Programa Universitario de Alimentos, UNAM, México, 1993.