PSICROMETRÍA
Se estudiarán aquí sistemas que contienen
mezclas de aire seco y vapor de agua. También puede estar
presente una fase condensada de agua. El conocimiento del comportamiento de
tales sistemas es esencial para el análisis y diseño de dispositivos de aire
acondicionado, torres de refrigeración y procesos industriales que exijan un
fuerte control del contenido en vapor de agua del aire.
Aire húmedo
El término aire húmedo se refiere a una mezcla
de aire seco y vapor de agua en la cual el aire seco se trata como si fuera un
componente puro. Mediante un análisis de sus propiedades, la mezcla global y
cada uno de sus componentes se comporta
como un gas ideal en las condiciones que se van a considerar,
consecuentemente se aplican los conceptos desarrollados previamente para
mezclas de gases ideales.
Diagrama psicrométrico
Es un diagrama en el que se relacionan
múltiples parámetros referentes a una mezcla de aire húmedo: temperatura,
humedad
relativa, humedad absoluta, punto de
rocío, entalpía específica o calor total,
calor
sensible, calor latente y volumen específico del aire.
Los valores del diagrama no son
constantes: varían según la altura sobre el nivel del mar. En la bibliografía
especializada es usual encontrarlo referido a «la altura» del nivel del mar.
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Diagrama psicrométrico conceptual.
Se utiliza en arquitectura
e ingeniería
en la enseñanza de las instalaciones termomecánicas en edificios
para dimensionamiento de sistemas de calefacción
y de aire acondicionado
Cambio en la condición del
aire
Los procesos de calefacción,
refrigeración,
humidificación y deshumidificación que
ocurren en el acondicionamiento del aire modifican la condición de éste desde
la representada por el punto de estado inicial en el ábaco hasta una condición
diferente, representada por un segundo punto en el ábaco.
Hay cinco procesos posibles:
- Procesos de calor sensible constante (indicados por una temperatura de bulbo seco constante).
- Procesos de calor latente constante (indicados por un contenido de humedad constante y una temperatura de punto de rocío constante).
- Procesos de entalpía constante o adiabáticos (indicados por una temperatura de bulbo húmedo constante).
- Procesos de humedad relativa constante (todos los demás factores varían).
- O, finalmente, una modificación que representa una combinación cualquiera de los anteriores y que no procede a lo largo de -ninguna de- las líneas de procesos anteriores.
Para esto debe observarse
nuevamente:
- Las líneas de bulbo seco son líneas de calor sensible constante.
- Las líneas de punto de rocío son líneas de calor latente constante.
- Las líneas de bulbo húmedo son líneas de calor total constante (entalpía constante).
Psicrometro
Un psicrómetro (del griego
ψυχρός "húmedo" y μέτρον "medida") es un aparato utilizado
en meteorología
para medir la humedad relativa o contenido de vapor de agua
en el aire. Es distinto de los higrómetros
domésticos.
Funcionamiento
Los psicrómetros constan de un termómetro de bulbo húmedo y un termómetro
de bulbo seco. La humedad relativa del aire se calcula a partir de la
diferencia de temperatura entre ambos aparatos. El húmedo es
sensible a la evaporación de agua, y debido al enfriamiento que produce la
evaporación, medirá una temperatura inferior. Si hay poca diferencia
entre una y otra temperatura, hay poca evaporación, lo cual indica que la
humedad relativa es alta. Si hay mucha diferencia, hay mucha evaporación, lo
cual indica que la humedad relativa es baja. Una tabla nos puede proporcionar
el dato exacto de humedad relativa, expresada como un porcentaje
con respecto a la saturación.
Conociendo la temperatura y la
humedad relativa, podemos calcular también el punto de
rocío o temperatura a la que se producirá la condensación del vapor
de agua.
Es importante, para el correcto
funcionamiento del psicrómetro, que este se instale aislado de vientos fuertes
y de la luz solar directa.
PSICROMETRIA Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
1. Un cuarto de dimensiones 4 m x 6 m x
2.4 m contiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión total de 100
kPa y a una temperatura de 25ºC. La presión parcial del vapor es 1.4 kPa.
Calcule la humedad relativa y específica, la temperatura de rocío, la entalpía
específica, el volumen específico, la masa total de vapor de agua en el cuarto
y la humedad específica máxima, analíticamente y usando la carta psicrométrica.
2. Una mezcla de gases ideales contiene
las siguientes cantidades de los componentes indicados en kmol: dióxido de
carbono, 8; vapor de agua, 9; oxígeno, 2.5; nitrógeno, 56.4. Determine la
temperatura a la cual el agua empezará a condensar si la mezcla es enfriada a
presión constante. Determine la masa de agua que habrá condensado si la mezcla
es enfriada 10ºC por debajo de esta temperatura de condensación. Asuma que la
presión total permanece en 100 kPa.
3. Una mezcla de aire-vapor de agua entra
a una unidad calentadora-humidificadora a 5ºC, 100 kPa, 50% de humedad
relativa. El flujo másico de aire seco es 0.1 kg/s. El agua líquida es rociada
a la mezcla a 10°C y a una rata de 0.0022 kg/s. La mezcla deja la unidad a
30ºC, 100 kPa. Determine la humedad relativa en la salida y la rata de
transferencia de calor a la unidad.
4. Una mezcla de aire-vapor de agua entra
a una unidad de acondicionamiento de aire a una presión de 150 kPa, una
temperatura de 30ºC y una humedad relativa de 80%. El flujo màsico de aire seco
que entra es 1 kg/s. La mezcla de aire-vapor de agua deja la unidad a 125 kPa,
10ºC, 100% de humedad y el agua condensada sale a 10ºC. Determine la rata de
transferencia de calor para el proceso.
5. Una unidad enfriadora y
deshumidificadora recibe aire externo a 35ºC, 100 kPa y una humedad relativa de
90%. La mezcla aire-vapor de agua es primero enfriada hasta una temperatura lo
suficientemente baja para que condense una cantidad apropiada de agua, después
de lo cual la mezcla es calentada, dejando la unidad a 20ºC, 100 kPa y humedad
relativa de 30%. El flujo volumétrico de mezcla en la salida es 10 L/s.
a) Determine la temperatura a la cual la mezcla es inicialmente enfriada
y la masa de agua condensada por kg de aire seco. Muestre el proceso que
experimenta el agua sobre un diagrama T-s.
b) Si todo el líquido que condensa deja la
unidad a la mínima temperatura posible, determine la rata de transferencia de
calor.
6. Dos corrientes de aire saturado, una de
0.2 kg/s y 50ºC y la otra de 0.1 kg/s y –15ºC, se mezclan en un proceso
adiabático de EEFE. Determine la temperatura de salida, considerando la misma
presión en los tres puntos e igual a 105 kPa.
7. Una sección de calentamiento se compone
de un ducto de 35 cm de diámetro que contiene un calentador de resistencia
eléctrica de 4 kW. A esta sección entra aire a 1 atm, 15ºC y 40% de humedad
relativa a una velocidad de 7.5 m/s. Determine la temperatura de salida, la
humedad relativa de salida del aire y la velocidad de salida.
8. En una sección de enfriamiento de 40 cm
de diámetro entra aire a 1 atm, 30ºC, 30% de humedad relativa y a una velocidad
de 18 m/s. El calor se extrae del aire a una relación de 1200 kJ/min. Determine
la temperatura de salida, la humedad relativa de salida del aire y la velocidad
de salida.
9. Un sistema de acondicionamiento de aire
opera a una presión de 1 atm. Se compone de una sección de calentamiento y de
un humidificador que suministra vapor de agua saturado a 100ºC. El aire entra a
la sección de calentamiento a 10ºC, 70% de humedad relativa y a una relación de
70 metros cúbicos por minuto, y sale de la sección de humificación a 20ºC y 60%
de humedad relativa. Determine la temperatura y humedad relativa del aire
cuando éste abandona la sección de calentamiento, la velocidad de transferencia
de calor en la sección de calentamiento y el flujo másico de agua que se añade
al aire en la sección de humificación.
10. Un sistema de acondicionamiento de aire
tomará aire a 1 atm, 35ºC y 70% de humedad relativa y lo entregará a 20ºC y 50%
de humedad relativa. El aire fluye primero sobre los serpentines de
enfriamiento, donde se enfría y deshumidifica, y luego sobre los alambres de la
resistencia de calentamiento, donde se calienta hasta la temperatura deseada.
Suponga que el condensado se elimina de la sección de enfriamiento a 10ºC y
determine la temperatura del aire antes de que entre a la sección de
calentamiento, la cantidad de calor eliminada en la sección de enfriamiento por
kg de aire seco y la cantidad de calor transferida en la sección de
calentamiento por kg de aire seco.
11. En un enfriador evaporativo entra aire a
95 kPa, 35ºC y 30% de humedad relativa y sale saturado. Determine la
temperatura de salida del aire.
12. En un enfriador evaporativo entra aire
a 1 atm, 30ºC y 30% de humedad relativa a una relación de 6 metros cúbicos por
minuto y sale a 20ºC. Determine la humedad relativa final y la cantidad de agua
añadida al aire.
13. Durante un proceso de acondicionamiento
de aire, 60 metros cúbicos por minuto de aire acondicionado a 15ºC y 30% de
humedad relativa se mezclan adiabáticamente con 20 metros cúbicos de aire exterior
a 30ºC y 90% de humedad relativa; ambas corrientes tienen una presión de 1 atm.
Determine la temperatura, la humedad específica y la humedad relativa de la
mezcla.
14. Una torre de enfriamiento húmedo va a
enfriar 60 kg/s de agua de 40 a 25ºC. En la torre entra aire atmosférico a 1
atm con temperaturas de bulbo seco y húmedo de 20 y 15ºC, respectivamente, y
sale a 35ºC con humedad relativa de 90%. Determine analíticamente y con la
carta psicrométrica el flujo volumétrico de aire que entra a la torre y el flujo
másico de agua de reemplazo requerido, despreciando la entrada de potencia al
ventilador.
15. Una torre de enfriamiento húmedo va a
enfriar 110 kg/s de agua de enfriamiento de 40 a 25ºC en una localidad donde la
presión atmosférica es 96 kPa. El aire atmosférico entra a la torre a 20ºC y
70% de humedad relativa y sale saturado a 35ºC. Descarte la entrada de potencia
al ventilador y determine el flujo volumétrico de aire que entra a la torre y
el flujo másico de agua de reemplazo requerido.
16. A 1500 m3/min de aire
atmosférico a 15ºC, 90 kPa y 40% de humedad relativa, se le inyecta vapor de
agua sobrecalentado a 90 kPa en un proceso de EEFE hasta que el aire alcanza
los 20ºC y un 70% de humedad relativa. Siendo adiabático el proceso, determine
analíticamente y usando la carta psicrométrica:
a) El flujo másico necesario de vapor.
b) La temperatura del vapor empleado.
17. En una torre de enfriamiento entran
1300 kg/min de agua a 45°C, la cual se enfría hasta 25°C. El agua de reposición
es de 2250 kg/hora. La torre tiene un diámetro en la sección de salida de 3
metros. Por el fondo de la torre entran 1235 m3/min de aire con una
temperatura de bulbo seco de 30°C y una temperatura de bulbo húmedo de 20°C. El
motor del ventilador tiene una potencia de 9 kW. La presión atmosférica es 100
kPa. Determine la humedad relativa y la velocidad del aire que sale de la
torre.
18. Las condiciones del aire atmosférico de
una ciudad son 100 kPa, 35°C y 40% de humedad relativa. Se requiere producir
una corriente de aire a 100 kPa, 23°C y 70% de humedad relativa, para lo cual
se enfría una corriente de aire atmosférico hasta una temperatura lo
suficientemente baja para hacer condensar la cantidad apropiada de agua y luego
se mezcla con una segunda corriente de aire atmosférico.
a) ¿Cuál es la temperatura hasta la que
debe ser realizado el proceso de enfriamiento?
b) ¿Cuál es la relación de flujos másicos
de aire atmosférico empleados en el proceso?
c) ¿Cuál es la cantidad de calor que debe
retirarse del aire durante el proceso de enfriamiento por cada kilogramo de
aire seco, considerando que el condensado y el aire abandonan la sección de
enfriamiento a la misma temperatura?
19. Una empresa manufacturera ubicada en la
Zona Industrial de Valencia requiere para uno de sus procesos un flujo másico
de aire de 13600 kg/hora a 30°C y con una humedad relativa de 60%. Con ese
propósito se acondiciona aire atmosférico cuya temperatura y humedad relativa
son 35°C y 70% en un equipo de acondicionamiento que consiste de una sección de
enfriamiento y una de calentamiento. Una primera corriente de aire atmosférico
se hace pasar por la sección de enfriamiento donde su temperatura desciende por
debajo de su temperatura de rocío. A continuación, esta corriente se mezcla
adiabáticamente con una segunda corriente de aire atmosférico y la mezcla
resultante pasa a través de la sección de calentamiento de la cual el aire sale
con las condiciones deseadas para ser suministrado al proceso. Se conoce que el
flujo másico de aire atmosférico que ingresa a la sección de enfriamiento es
3.57 veces el flujo másico de aire atmosférico usado en el proceso de mezclado
adiabático. La presión barométrica es 100 kPa. Para el proceso descrito,
determine:
a) El flujo volumétrico de aire
atmosférico que se utiliza en el proceso de mezcla, en m3/min.
b) El flujo volumétrico de aire
atmosférico total utilizado en la unidad, en m3/min.
c) La temperatura del aire que sale de la
sección de enfriamiento.
d) La temperatura del aire luego del
proceso de mezclado adiabático.
e) El flujo másico de condensado, en
kg/min.
RESPUESTAS
1.
0.008832 kgv/kga; 44.18%; 11.82°C; 47.58 kJ/kga;
0.8674 m3/kga; 0.5865 kgv; 0.02036 kgv/kga;
0.008832 kgv/kga; 44%; 12°C; 48 kJ/kga; 0.857
m3/kga; 5.9361 kgv; 0.02 kgv/kga
2. 48.85°C; 71.7 kg
3. 90%; 8.05 kW
4. –41.02 kW
5. 1.63°C; 0.02879 kgAC/kga; -1.05 kW
6. 40.6°C
7. 19.5°C; 30%; 7.62 m/s
8. 22.5°C; 46.3%; 17.55 m/s
9. 19.53°C; 37.7%; 13.98 kW; 0.004944 kg/s
10. 9.18°C; -71.41 kJ/kga; 11 kJ/kga
11. 21.02°C
12. 81.52%; 1.66 kg/hr
13. 18.6°C; 0.0081 kgv/kga; 60.3%
14. 42.39 m3/s; 1.22 kg/s
15. 73.06 m3/s; 2.29 kg/s
16. 0.1832 kg/s; 402.94°C; 0.1857 kg/s; 478.67°C
17. 70.75%; 3.15 m/s
18. 16°C; 1.717; -28.73 kJ/kga
19. 44.92 m3/min; 205. 24 m3/min; 18.57C; 23.23°C; 2.06 kg/min
EJERCICIOS
