Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MÉXICO
FACULDAD DE INGENIERIA
Legazpi Ascencio Axhel
PSICROMETRIAParte de la Termodinámica que estudia una mezcla de gases ideales con un vapor condensable.- Se considera un vapor a un gas que se encuentra por debajo de su
temperatura critica, es decir un gas que se encuentra cerca de la zona de saturación.
- Se considera Gas aquella sustancia que se encuentra a una temperatura superior que su temperatura critica.
* Estudiaremos el aire atmosférico que contiene una mezcla de gases ideales y vapor de agua.
SIMPLIFICACIONES- La fase gaseosa se considera una mezcla de gases ideales.- La fase líquida no contiene gases disueltos.- El estado de equilibrio entre el vapor y su fase condensada no se altera por
la presencia de otras sustancias.
Aire Seco: Esta compuesto por una mezcla de gases que se pueden considerar que se comportan como gases ideales, y no contiene vapor de agua.
Aire Atmosférico: Considera que la mezcla de gases ideales contiene vapor de agua.
* La base de cálculo es la masa de aire seco.* La composición del aire atmosférico permanece relativa constante pero varia la cantidad de vapor de agua debido a la condensación y evaporación de océanos, lagos, ríos.* La cantidad de vapor de agua dentro del aire es muy pequeña pero desempeña un papel importante en el confort.
P = Pa + Pv
Pa = Presión parcial del aire seco.Pv = Presión parcial del vapor de agua, es la presión que ejercería el vapor de agua si existiera solo y estuviera a la temperatura y volumen de la mezcla. hv = Entalpía del vapor de agua evaluada a la temperatura de la mezcla.Tmezcla = Temperatura ambiente.
HUMEDAD ESPECIFICA ωRepresenta la masa de vapor de agua presente en una masa unitaria de aire seco.
v
a
mm
Si consideramos el vapor y el aire como gases ideales u
a v
v av a
v a
v
v v a v v v v
a a v a a a v
a
RPV mRT RM
M 28.94 M 18P V P Vm mR T R T
P VR T P R P M P P0.622 0.622P V P R P M P P PR T
ω = 0 Aire Seco.
HUMEDAD RELATIVA ΦRelación entre la fracción molar de vapor presente en la mezcla y la fracción molar del vapor si la mezcla estuviera saturada.
m m
v
vi m
g g gMezcla saturada T T
m
PPY P
Y P P
P
Además se debe cumplir la ecuación de los gases ideales, considerando que T, P, R son iguales.
m
m
g T v
v g T
v
v
(aire seco) 0 1 (aire saturado)
T
s
Tamb 12
P1
P2
amb
amb
amb
v T1
2 sat T
g sat T
PPP P
P P
Entalpía del vapor (hv)hv = h @ Tamb y Pv
Donde:Pv = Psat @Tamb ΦPero en los problemas con aire atmosférico, debido a la baja presión del vapor de agua presente en la atmósfera, se puede hacer la siguiente aproximación.hv ≈ hg@Tmezcla
T
s
Tamb 12
P1
P2
amb
amb
amb
v T1
2 sat T
g sat T
PPP P
P P
RELACION ENTRE HUMEDAD ESPECIFICA (ω) Y HUMEDAD RELATIVA (Φ)
v v
a g
g g
a v
P P0.622
P P
Combinando ambas ecuacionesP P
0.622 0.622P P P
- La humedad relativa cambia con la temperatura, pero la humedad especifica se mantiene constante.- La humedad especifica es la cantidad real de vapor contenida en una unidad másica de aire seco.- La humedad relativa es la proporción entre la cantidad real de humedad en el aire y la máxima cantidad de humedad que puede contener el aire a esa temperatura.
TEMPERATURA DE BULBO SECO (Tbs)Es la temperatura medida con un termómetro ordinario, la temperatura del aire atmosférico se conoce como temperatura de bulbo seco.
TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO (Tbh)Es la temperatura medida con un termómetro que tiene el bulbo envuelto en una mecha húmeda. Si el aire esta saturado (Φ=1) Tbs = Tbh En el ambiente Tbs > Tbh
PSICROMETRO.Aparato que cuenta con un termómetro normal y uno de bulbo húmedo, en un espacio determinado, y así poder determinar el comportamiento de la mezclas de aire húmedo.
TEPERATURA DE PUNTO ROCIO (Tpr)Es la temperatura a la cual se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante, es decir es la temperatura de saturación del agua a la presión parcial del vapor.
T
s
T1
Pv
Tpr
1
2
vpr sat P
T T
Si la temperatura desciende por debajo de T2 algo de vapor de agua se condensa, la cantidad de vapor en el aire disminuye lo que produce una disminución de Pv
Determinación de la humedad especifica y relativaLa determinación directa es difícil por tanto se relacionan con cantidades fáciles de medir como P y T
Determino Tpr enfriando agua en una copa metalica cuando empieze a haber condensación en su superficie esa es la Tpr con ella busco en las tablas de vapor Pv
Conociendo Pv y Pg = Psat @ Tamb
Finalmente hallo Φ = Pv / Pg y ω = f(Φ, Pv, Pa)
PROCESO DE SATURACION ADIABATICA
ω1 = ?
T2 = Temperatura de saturación adiabática.- El agua de reemplazo entra al canal a la misma relación de saturación y a T2
- El proceso de saturación adiabática puede analizarse como un proceso de FEEE con 2 entradas y una salida.Q = 0 W = 0 EC = 0 EP = 0
PROCESO DE SATURACION ADIABATICA
ω1 = ?
APLICANDO CONTINUIDADa1 a 2
v1 f 2 v2
AIRE m m m
AGUA m m m
APLICANDO CONSERVACION DE LA ENERGIA
a1 v1 f 2 a 2 v2a1 v1 f 2 a 2 v2
va
a
p0 2 1 2 v2 f 2a 2 a1 2 v2 f 21
v1 f 2 v1 f 2
m h m h m h m h m hmDividiendo entre m y considerandoquem
C (T T ) (h h )(h h ) (h h )h h h h
hv2 = hg @ T2
hv1 = hg @ T1
hf2 = hf @ T2
T2 = Temperatura de saturación adiabática = Tbh (caso especial de mezcla aire – agua – vapor saturado)
CARTA PSICROMETRICA- El estado del aire atmosférico se puede definir por completo mediante dos propiedades intensivas e independientes.- Manteniendo la presión de la mezcla constante se pueden construir curvas que representan los procesos en los cuales la temperatura, humedad especifica y relativa permanecen constante.- Se puede construir un diagrama que represente el comportamiento del aire atmosférico.
Φ =
100
%Φ
= C
te
ω
Tbs
Tbh
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
CALENTAMIENTOENFRIAMIENTO
DESHUMIDIFICACIÓN
HUMIDIFICACION CALENTAMIENTO Y HUMIDIFICACION
ENFRIAMIENTO Y DESHUMIDIFICACION
- En el invierno el aire se calienta y humidifica.- En el verano se enfría y deshumidifica.
CALENTAMIENTO SIMPLE
ω
Tbs
Se incrementa Tbs mediante una bomba de calor, resistencia eléctrica o un serpentín de calentamiento. Es un proceso a presión constante
Serpentín de Calentamiento
QT1 ω1 Φ1 T2 > T1
1 2
Φ
Φ2 < Φ1ω1 = ω2
Si la humedad relativa es muy baja puede causar resequedad en la piel y dificultad para respirar.Se debe humidificar.
ENFRIAMIENTO SIMPLE
ω
Tbs
Disminuye Tbs mediante el enfriamiento obtenido por un serpentín por el cual fluye un refrigerante o agua fría. Es un proceso a presión constante
Serpentín de Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T2 < T1
12
Φ
Φ2 > Φ1ω1 = ω2
Si la humedad relativa es muy alta, se debe deshumidificar.
ENFRIAMIENTO CON DESHUMIDIFICACIONSe enfría el aire a ω constante, hasta la saturación (Tpr), parte del agua se condensa y su ω disminuye así como la Tbs
Serpentín de Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T3
12
Φ1 < Φ3ω1 > ω3
ω
Tbs
Φ
3
ENFRIAMIENTO EVAPORATIVOSe atomiza agua en el aire, aumenta Φ, ω y disminuye la Tbs , si no existe intercambio de calor con el exterior el proceso es equivalente al de saturación adiabática por tanto se realiza a Tbh constante, ya que Tbh = Tsat. adiab
T1 ω1 Φ1 T1 > T2
1
2
Φ2 > Φ1ω2 > ω1
-
ω
Tbs
Φ- Se implementa en climas
desérticos para reducir costos de refrigeración.
- El enfriamiento se basa en el principio de que cuando se evapora agua, el calor latente de evaporación se absorbe del cuerpo del agua y del aire circundante.
- El proceso es a Tbh = Cte Este no seria el caso si el agua se atomizada a una temperatura diferente a la de salida del aire.
Humidificador
CALENTAMIENTO CON HUMIDIFICACIONSe calienta el aire a ω constante, luego se atomiza agua o vapor en la corriente de aire.
Serpentín de Calentamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T3
1 2
Φ1 > Φ3ω1 < ω3
- Si se introduce vapor en la sección de humidificación produce una razonable humidificación con calentamiento adicional.
- Si la humidificación se realiza rociando agua en la corriente de aire, parte del calor latente de vaporización producirá enfriamiento en la corriente de aire, en este caso el aire se debe calentar mas en la sección de calentamiento para compensar el enfriamiento en la sección de humidificación.
Humidificador
ω
Tbs
Φ
3
CALENTAMIENTO CON DESHUMIDIFICACION
ω
Tbs
El aire se enfría hasta la saturación en un proceso a ω, si se sigue enfriando se produce condensación, luego se aumenta la temperatura hasta la deseada.
Serpentín de Enfriamiento
QT1 ω1 Φ1 T1 < T4
12
Φ
Φ1 > Φ4ω1 > ω4
Los procesos pueden combinarse entre si, dependiendo de los requerimientos.
Serpentín de Calentamiento
Q
3 4
- Son intercambiadores de calor de contacto directo.- Se utilizan para enfriar grandes caudales de agua, pero los cambios
de temperatura que se pueden obtener son relativamente pequeños.- Utilizan la posibilidad que tiene el aire de absorber humedad cuando
se pone en contacto con el agua que se desea enfriar, de manera que como el agua requiere energía para evaporarse y no la puede tomar del aire ya que Taire < Tagua , por tanto toma energía de la misma agua que permanece líquida, esto trae como consecuencia el enfriamiento del agua.
- El máximo enfriamiento que se puede obtener es hasta alcanzar la saturación del aire.
- Como existe evaporación debe reponerse el agua perdida
Estanque de Enfriamiento.Se atomiza el agua para enfriarla, presenta grandes perdidas por el arrastre del agua. Requiere de 20 a 25 veces el área de una torre de enfriamientoHiperbólicas.Operan utilizando el efecto de tiro natural, suelen tener grandes alturas, el objetivo del perfil es darle mayor resistencia estructural y no por alguna razón termodinámica.
De tiro Forzado o Inducido.Utilizan ventiladores para obtener la circulación adecuada del aire, son de menores alturas
ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
2 2
1
3
4
BALANCE DE ENERGIAse e sQ m h W m h
Si no hay Calor ni TrabajoCONTINUIDAD
a2 a3
v2 ev v3 ev v3 v2
f1 f 4 ev f 4 f1 ev
ev
m m
m m m m m m
m m m m m m
m Masa de vapor que se evapora en la torre
Combinando ambas ecuaciones
f1 v2 a 2 a3 v3 f 4f1 v2 a 2 a3 v3 f 4m h m h m h m h m h m h
- No se emplean intercambiadores de calor ya que serian muy ineficientes debido a las pequeñas diferencias de temperatura y baja conductividad del aire, se recurre al enfriamiento por evaporación del agua.
- El T del agua de enfriamiento no debe ser mayor de 10 a 15°C - La circulación del aire puede ser por tiro natural, forzado o inducido.- El uso de tiro natural implica mayores costos de instalación, ya que
se requieren torres muy altas, algunas veces llegan a 100 metros de altura.
- La eficiencia se mide como el enfriamiento del agua conseguido en relación con el que se podría haber conseguido si el aire y el agua salieran en equilibrio. (aire saturado de humedad y agua a la misma temperatura)
