tema-5-psicrom

UNEFM
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNIDAD CURRICULAR: TERMODINÁMICA APLICADA
PUNTO FIJO-ESTADO FALCÓN
GUIA COMPLEMENTARIA
TEMA 5: PSICROMETRIA
Objetivo terminal: Analizar el comportamiento termodinámico del aire atmosférico
sometido a diferentes condiciones por medio de sistemas mecánicos de
acondicionamiento.
ELABORADA POR:
 ING. GELYS GUANIPA. MSc
 ING. JOSMERY SANCHEZ. MSc
 ING. ELIER GARCÍA
Ultima modificación: Abril, 2017
Aprobado por:
TEMA 7: PSICROMETRIA
Contenido:
• Definición de psicrometría y principal aplicación
•Definición de aire seco y atmosférico
•Propiedades de una mezcla aire-vapor.
• Temperatura de bulbo seco y húmedo.
• Temperatura de saturación adiabática.
• Carta Psicométrica.
• Procesos de acondicionamiento de ambientes:
 Calentamiento y enfriamiento simple.
 Deshidratación con calentamiento.
 Enfriamiento Evaporativo.
 Calentamiento con humidificación.
 Mezcla adiabática de dos corrientes de aire.
•Torres de enfriamiento.
¿QUE ES LA PSICROMETRIA?
Es la ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y
el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano,
es decir, el método de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo.
Su aplicación más importante es en los procesos de
acondicionamiento de aire
La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning
Engineers) define el acondicionamiento del aire como: "El proceso de tratar el aire,
de tal manera, que se controle simultáneamente su temperatura, humedad,
limpieza y distribución, para que cumpla con los requisitos del espacio
acondicionado".
AIRE SECO Y ATMOSFÉRICO
El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases.
Normalmente el aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de vapor de agua (o
humedad) y se conoce como aire atmosférico. En contraste, al aire que no contiene
vapor de agua se le llama aire seco.
Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y de aire seco,
porque la composición del aire seco permanece relativamente constante, pero la
cantidad de vapor de agua cambia por la condensación y evaporación de los oceanos,
lagos, ríos, e incluso del agua del cuerpo humano.
La temperatura del aire en aplicaciones de acondicionamiento de ambientes varía de 10 a cerca de 50°C. En esta rango el aire seco puede tratarse como gas ideal con un
valor de Cp constante de 1,005 kJ/kg.K ó 0,240 Btu/lbm.R
A 50°C, la presión de saturación del agua es 12,3kPa. A presines por debajo de este
valor, el vapor de agua puede tratarse como gas ideal, incluso cuando es vapor
saturado. Por tanto, el vapor de agua en el aire se comporta como si existiera solo y
obedece a la relación P.v=R.T. El aire atmosférico se trata como una mezcla de
gases ideales cuya presión total esta dada por:
P  Pa  Pv
(kPa)
Pa: Presión parcial del aire sec; Pv: Presión parcial del vapor
PROPIEDADES DE UNA MEZCLA AIRE-VAPOR
Humedad específica o absoluta ():
Es la masa de vapor de agua (mv) presente en una masa unitaria de aire seco (ma),
también conocida como relación de humedad, y se determina a través de:


mv
ma
(kg vapor de agua/kg de aire seco)

Siendo:
PvV / RvT
P / Rv
 v
PaV / RaT
Pa / Ra
pa  P  pv
 Pg
Pv
Pv
  0,622
 0,622
 0,622
Pa
P  pv
P   pg
Pg: presión de saturación a la temperatura indicada
PROPIEDADES DE UNA MEZCLA AIRE-VAPOR
Humedad relativa
: Se refiere a la cantidad de humedad que el aire contiene (mv) en
relación con la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener a la misma
temperatura (mg). Es decir:
vg
Pv
RTv / vv
v
 



Pg
RTg / v g
vv
g

mv
mg
Esta varia de 0 para aire seco a 1 para aire saturado. La misma varia con la temperatura
aunque su humedad especifica permanece constante.
Con lo planteado en esta ecuación podemos determinar que:
P
Pa 
 v 
Pg
0,622 Pg

.P
(0,622  w) Pg
PROPIEDADES DE UNA MEZCLA AIRE-VAPOR
Entalpia del aire atmosférico: Se refiere a la entalpia del aire seco mas la entalpía del
vapor de agua, y se determina de la siguiente manera:
hm  ha  hv
Para rangos de:
0 º C  TC  40 º C
hm  1,005TC /º C    2501,7  1,82TC /º c 
Sist. Internacional
32 º F  TC 110 º F
hm  0,240TF /º F    1061,5  0,435TF /º F 
Volumen especifico del aire:
vm 
Va
ma
va 
Ra T
R T
 a
Pa
P  Pv
Sist. Inglés
TEMPERATURA DE BULBO SECO Y BULBO HÚMEDO
Temperatura de bulbo seco:
Es la temperatura de una mezcla gas-vapor medida con un termómetro convencional.
Temperatura de bulbo húmedo:
Es la temperatura de la humedad contenida en el aire. Se obtiene empleando un
termómetro cuyo bulbo está cubierto con una mecha de algodón saturada con agua y se
hace pasar aire sobre ella.
Temperatura de punto de rocío:
Temperatura a la que se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante. Es
decir, la temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor.
Tpr  TSat, Pv
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
El sistema se compone de un canal largo aislado que contiene una pila de agua. Por
el canal se hace pasar una corriente uniforme de aire no saturado que tiene una
humedad especifica de w1 (desconocida) y una temperatura de T1. Cuando el aire
fluye sobre el agua, un poco de esta se evapora y mezcla con la corriente de aire. El
contenido de humedad del aire aumentará durante este proceso y su temperatura
descenderá, puesto que parte del calor latente de evaporación del agua que se
gasificará provendrá del aire. Si el canal tiene un largo suficiente, la corriente del aire
saldrá como aire saturado a la temperatura de T2 , que se llama temperatura de
saturación adiabática.
 a1 hm,1  m
 a 2 hm, 2  m
 w3 hw3
0m
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
Partiendo de: hmez  ha   hv ;
la ecuación de la energía puede escribirse como:
 a1 ha   hv 1  m
 a 2 ha   hv 2  m
 w hw3
0m
 a1  m
 a2  m
 a1
m
 v1  m
 v2  m
 w3
0m
Empleando
  m v / m a
(Masa de aire seco)
o
 w3  m
 v2  m
 v1
m
(Masa de agua)
e igualando los flujos másicos del aire seco tenemos:
 w3  m
 a 2  1 
m
Sustituyendo la ecuación final del balance de masa en la ecuación de balance de energía y
dividiendo entre
tenemos:

ma
0  ha1  1 hv1   ha 2   hv 2   2  1  hw3
TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA
Resolviendo esta ecuación en la relación de humedad 1 del aire húmedo que entra al
proceso de saturación adiabática, se tiene:
tiene la siguiente expresión:
1 
ha 2  ha1   2 hv 2  hw3 
hv1  hw3
ha  CP,a T
1 
Donde

C P ,a T2  T1    2 hg 2  hw3 
y
hg1  hw3
hv  hg
C P ,a Tsa,1  T1    sat, 2 h fg 2
hg1  h f 2
 sat, 2 , h fg , 2 y h f 2 están medidos a la temperatura de saturación adiabática
T2  Tsat,1
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
Para facilitar el cálculo y la visualización de los procesos en los que interviene el aire
atmosferico es útil representar gráficamente las propiedades del mismo en un
diagrama conocido como carta psicométrica (ver figura).
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE
Para mantener un ambiente en las condiciones deseadas, son necesarios algunos
procesos que generalmente se aplican para modificar la temperatura y humedad del aire.
Estos procesos incluyen el calentamiento simple (aumentar la temperatura), enfriamiento
simple (disminuir la temperatura), la humidificación (agregar humedad) y la
deshumidificación (eliminar humedad).
Algunas veces dos o mas de estos procesos son necesarios para llevar el aire al nivel de
temperatura y humedad requeridos.
CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO SIMPLE
Ambos procesos se representan por una linea horizontal sobre la carta psicrométrica
debido a que la humedad especifica es constante. El calentamiento hacia la derecha
(aumento de temperatura) y el enfriamiento hacia la izquierda (disminución de la
temperatura).
Aplicando el balance de energia nos queda:
 m
 a1 ha1  m
 v1 hv1  m
 a 2 ha 2  m
 v 2 hv 2
0Q
v   m
 a para las dos corrientes, la de entrada y la de salida. Basándose en la
Donde m
ecuación h  c T . Por tanto, la ecuación de la energía queda:
a
p ,a
 a 2 ha 2  2 hv 2   m
 a1 ha1  1hv1   m
 a c p,a T2  2 hg 2   m
 a c p,a T1  1 hg1 
Q  m
Siendo
2 . 1
DESHIDRATACIÓN CON CALENTAMIENTO
Balance de energía
0  Q   m h   m h
ent
sal
hm  c p Taire   hg
donde

0,622  p g
P   pg
ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
Se basa en un sencillo principio: cuando se evapora el agua el calor latente de evaporación
se absorbe del cuerpo del agua circulante. Como resultado tanto el agua como el aire se
enfrían durante el proceso. Es utilizado bajo condiciones de altas temperaturas y humedad
relativa y especifica baja.
Balance de energía
0  Q   m h   m h
ent
sal
Para el proceso de enfriamiento adiabático se tiene:
 a1 h  m
 w hw  m
 a 2 h2
0m
Dividiendo entre la masa de aire seco, se tiene
0  h1  2  1  hw  h2
CALENTAMIENTO CON HUMIDIFICACIÓN
Es utilizado bajo condiciones de bajas temperaturas y humedad relativa y especifica baja.
Balance de energía
0  Q   m h   m h
ent
sal
 a3  m
 a2  m
 a se tiene:
Debido a que m
a hm
 s hs  m
 a h2
0m
Donde el subíndice s representa a la corriente
de vapor. El balance de masa del agua es:
3 m a  2 m a  m s  0
m s  3  2  m a
MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES DE AIRE
 a1  m
 a2  m
 a3
m
 a1 1  m
 a 2 2  m
 a3 3
m
 a1 h1  m
 a 2 h2  m
 a3 h3
m
 a 3 se tiene:
Para eliminar m
m a1 2  3

m a 2 3  1
De la misma forma se tiene:
m a1 h2  h3

m a 2 h3  h1
TORRES DE ENFRIAMIENTO
Una torre de enfriamiento húmedo es un enfriador evaporativo semiencerrado. 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 en esta corriente
de aire. Cuando las gotas de agua caen por la influencia de la gravedad, una pequeña
fracción del agua se evapora y enfría el agua restante. La temperatura y 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 recuperar calor de
desecho adicional.
Existen torres de tiro natural y de tiro forzado.
TORRES DE ENFRIAMIENTO
Aplicando un balance de energía en la torre:
 a1 hm1  m
 w3 hw3  m
 a 2 hm2  m
 w4 hw4
m
o
 a1 ha1  1 hg 1   m
 w3 hw3
m
 a 2 ha 2  2 hg 2   m
 w 4 hw 4
 m
 w3 con m
 w4
Para relacionar m
se plantea:
 w4  m
 w3  m
 a 2  1 
m
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 LEVENSPIEL,
Educación.
O
(2001).
Fundamentos
De
Termodinámica
.Pearson
 POTTER, M; SOMERTON, C (2004). Termodinámica Para Ingenieros. Editorial
McGraw-Hill.
 VAN WYLEN G, SONNTAG R. (1999). Fundamentos de Termodinámica.
México: Limusa.
 WARK K; RICHARDS D (2001). Termodinámica. España: Mc Graw Hill.
 YUNUS C; BOLES, M (2006). Termodinámica. México: Mc G