2 sicrometria y procesos sicrometricos

1

SicrometríaProcesos Sicrométricos

Experto Universitario enClimatización2007-2008

2

E. U. Climatización Sicrometría

MÓDULO 1.- FUNDAMENTOS DE LA CLIMATIZACIÓN

• SICROMETRÍA

• TRANSMISIÓN DE CALOR

3


BIBLIOGRAFÍA

• Documentos Técnicos de ATECYR• DTIE 3.01

• Calefacción, ventilación y A.A.• Mc Quiston• Ed. Limusa

• ASHRAE, Handbook• Fundamentals 1997

4


CONTENIDO

• Primera parte: Variables sicrométricas

• Segunda parte: Diagramas

• Tercera parte: Procesos sicrométricos

• Cuarta parte: Espacios acondicionados

5

SicrometríaE. U. Climatización Sicrometría

Primera parte

Variables sicrométricas

6


1.- INTRODUCCIÓN

Propiedades termodinámicas del aire húmedo

• SicrometríaAnaliza procesos relacionados con el aire húmedo

Fórmulas de Hyland y Wexler: 1.983 Propiedades termodinámicas

Aire húmedo y agua

• Herramientas Alternativa Relaciones de los gases perfectosErrores < 0,7 %

Carrier (1.911) Cartas sicrométricas

7


1.- INTRODUCCIÓN

• Método de análisis• Balance de masas• Balance de energía• Estados inicial y final

• Importancia• Variables a controlar en climatización

– Temperatura– Humedad relativa

• Materia prima: Aire atmosférico

8


2.- AIRE HÚMEDO: COMPOSICIÓN

• Aire atmosférico• Aire húmedo

– Aire seco» Diversos componentes gaseosos» Relativamente constante» Masa molecular Ma = 28,97 kg/kmol» Constante de gas perfecto Ra = 287 J/kg-K

– Vapor de agua» Variable entre 0 y máximo» Masa molecular Mv = 18,02 kg/kmol» Constante de gas perfecto Rv = 462 J/kg-K

• Contaminantes gaseosos diversos

9


Composición del aire seco

10


3.- RELACIONES DE GAS PERFECTO

• Comportamiento individual• Aire seco Gas perfecto: • Vapor de agua Gas perfecto:

Justificación

TRnVp aa =

TRnVp vv =

11


3.- RELACIONES DE GAS PERFECTO

• Comportamiento de la mezcla

• Cumple la ecuación de los gases perfectos

TRnVp =

va ppp +=

( ) ( ) TRnnVpp vava +=+

12


4.- PARÁMETROS Y PROPIEDADES DEL AIRE HUMEDO

• Relación de humedad o humedad absoluta• Definición

• Deducción

a

v

mmW =

v

v

pppW−

= 622,0

13



• Aire Saturado

• Aire recalentado

( )tpp sv =1

( )tpp sv <2

14



• Grado de saturación

• Humedad relativa

• Relación• Aire seco

• Aire saturado

• General

tpsWW

,

=μ

pts

v

pts

v

tpvs

v

pp

xx

,,,ρρφ =≅=

0== φμ1== φμ

φμ <

15



• Humedad relativa

Estado 1: Estado 2: Estado 3:1vp 12 vv pp > ( ) 213 vsv ptpp >=

1003

1 ×=tv

v

ppφ

16



• Punto de rocío: tR

• Se obtiene por enfriamientoa W = cte

• A partir de tR, evolucionapor la curva

• Pérdida de agua• Bajada de pV

17



• Punto de rocío

18



• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en vidrios

LOCALAIREROCIOVIDRIO tt <

19



• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en conductos

ECIRCUNDANTAIREROCIOCHAPA tt <

20



• Aplicaciones del concepto de tR: Condensación en baterías

RETORNOAIREROCIOBATERÍA tt <

21



• Volumen específico

amVv =

( )p

WTRv a 6078,11+=

( ) ( ) pWtv /6078,1115,2732871,0 ++=

22



• Entalpía

• Elección de un origen

va iWii +=

( )tii =

( )[ ]CLtcWtci Vpvpa º0++=

[ ]2501805,10,1 ++= tWti

23



• Temperatura de saturación adiabática• Añadir a p y t una propiedad para definir el estado del aire• Las anteriores sirven pero no son fáciles de medir (W,Φ,i)

• Dispositivo

24



• Definición: t2*=t2

• Balance de energía

• Conclusión:

( ) ∗∗∗∗∗ +=−++ 22212111 vsawsva iWiiWWiWi

( )∗

∗∗∗

−

+−=

wv

fgspa

iiiWttc

W1

22121

25



( ) ( )21211

22121 ,,, ppttf

iiiWttc

Wwv

fgspa ∗∗

∗∗∗

=−

+−=

• Conclusiones finales

– t2* es una propiedad del aire de entrada– Para cualquier estado de aire húmedo, existe una temperatura a

la que el agua líquida evapora en el aire para llevarlo a la saturación exactamente a esta misma temperatura y presión

26



Temperatura de bulbo húmedoSicrómetro

– Simulador práctico del saturador adiabático– Dos termómetros

• Bulbo seco: simula t1• Bulbo húmedo: simula t2*• P1 = P2 = Patm

27



• Proceso en el termómetro húmedo• Combinación de procesos de transferencia

» Transferencia de calor» Transferencia de masa

• Distinto del saturador

• Conclusión• Si el sicrómetro se usa bien ..2 HBtt ≅∗

28


Segunda parte

Diagramas sicrométricos

29


5.- DIAGRAMAS SICROMÉTRICOS

• Hasta aquí: Expresiones analíticas

• Otra posibilidad: Diagramas sicrométricos• Ventajas• Tipos: Carrier, Mollier, Ashrae

• Fases+Libertades=Componentes+2

30


5.1.-DIAGRAMA DE CARRIER

31


5.2.- DIAGRAMA DE MOLLIER

32


5.3.- DIAGRAMA DE ASHRAE

33


Tercera parte

Procesos sicrométricos

34


6.- PROCESOS SICROMÉTRICOS

• Procesos simples– Yuxtaposición Procesos complejos de Climatización

• Herramientas– Balance de energía– Balance de masas– Manejo de funciones de punto– Cartas sicrométricas

• Aproximaciones– Presión constante : 101,325 kPa– Valores promedios de las propiedades

35


6.1.- CALENTAMIENTO SENSIBLE

• Aportación de calor sin cambio de humedad

• Representación gráfica

36



• Balance de energía:

• Balance de masa:

• No conservación de caudales:

• Aproximación:

• Justificación:

( )12 iimq a −= &&

aaa mmm &&& == 21

21 VV ≠

VVV =≅ 21

kgmvv

3

21 833,0≅≅

37


• Realización práctica

• Proceso defectuoso– Humedad relativa final muy

baja

• Expresiones prácticas


( ) ( ) ( )[ ]121212 ttcWttcmiimq pvpaaa −+−=−= &&&

( )12 ttcmq paa −= && ( )12 ttcvVq pa −=&

38



CkgkJ

Ckgkcalc

aa

pa º1

º24,0 ==

CkgkJ

Ckgkcalc

vv

pv º86,1

º45,0 ==

( ) ( ) ( )121212 30,029,0833,0

24,0 ttVttVttVq −≅−≅−=&

( ) ( ) ( )121212 2,1 iiViivViimq −≅−=−= &&

akgmv

3

833,0=

•Expresiones prácticas con valores numéricos

39


6.2.- ENFRIAMIENTO SENSIBLE

• Pérdida de calor sin

cambio de humedad

• Limitación

• Balances: Apartado anterior

• Aplicación: Recuperadores de calor

] ]AIRERCAMBIADORR tt >

40


6.3.- MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES

• Frecuente en Aire Acondicionado

• Balances de materia y energía:

321 aaa mmm &&& =+

332211 WmWmWm aaa &&& =+

332211 imimim aaa &&& =+

41


Conclusión:

– Regla de la palanca inversa– ASHRAE– Mollier

Aproximación

– Regla de la palanca inversa– Carrier

Extensión a caudales volumétricos

6.3.- MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES

2

1

13

32

13

32

a

a

mm

wwww

iiii

&

&=

−−

=−−

2

1

13

32

a

a

mm

tttt

&

&≅

−−

42


6.4.- FACTOR DE BY-PASS DE UNA BATERÍA

fs

fs

f

f

total

tratadono

TTTT

iiii

mm

FB−

−=

−

−==

1

2

1

2

&

&•Definición

•Concepto

Ideal: Ts2 = Tf

Real: Ts2 < Tf

43



( )12 iiFBii ff −⋅−=

( )12 ttFBtt ff −⋅−=

•Condiciones de salida

•Calor intercambiado

( ) ( )( )112 1 iiBFmiimq faasens −−=−= &&&

44



45


6.5.- ENFRIAMIENTO Y DESHUMECTACIÓN

• Proceso simple pero dos fenómenos simultáneos

• Típico de instalaciones de verano

• Realización práctica

INICIALFINAL tt < INICIALFINAL WW <

AIREROCIOADP tt <

46



• Proceso ideal: 1-b• Proceso real en una batería: 1-2

– Riguroso: Línea de puntos

• Balances:– Solo depende de 1 y 2– Cualquier camino ficticio

47



• Formulación.- 1ª opción: Planteamiento global


• Balance de agua en el aire

• Global

wwaa imimQim &&&& ++= 21

waa mWmWm &&& += 21

( ) ( ) waa iWWmiimQ 2121 −−−= &&&

48



• Formulación.- 2ª opción: 1 2 = 1 A + A 2

• 1 A: Proceso de deshumectación:

• A 2: Enfriamiento sensible:

1ttA = 1WWA <

( ) ( )AAaLAT WWLvViimQ −=−= 11&&

( ) ( )211 72,072,0 WWVWWVQ ALAT −=−=&

AWW =2 Att <2

( ) ( )22 ttcvViimQ APaAaSENS −=−= &&

LATSENTOTAL QQQ &&& +=

( ) ( )212 29,029,0 ttVttVQ ASENS −=−=&

49



• Balance en la batería

• El agua no distingue si el calor que le cede el aire es sensible o latente

AGUAAGUAAGUAAIRE tmQQ Δ== &&&

50


6.6.- FACTOR DE CALOR SENSIBLE

• Tiene otros nombres: R.O.P.; R.M.P.; Factor Térmico

• Definición

• Caracteriza a la transformación

• Se muestra en los sicrométricos

• Puede ser positivo y negativo

A

A

TOTAL

SEN

iiii

qqFCS

−−

==1

2

&

&

51


6.7.- CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN

• Proceso habitual en invierno

• Evolución del aire en el local en verano

52



• Balance de aire seco

• Balance de agua

2211 imimqim awwa &&&& =++

2211 WmmWm awa &&& =+21 aa mm && =

• Resumen– Ecuación de una recta que une los estados inicial y final– Recta de maniobra del proceso– Utiliza la escala circular del sicrométrico– Tiene unidades– Puede ser positiva o negativa– Separación en dos procesos

totalaguadeMasatotalEnergíai

mq

WWii

Wi

ww

=+=−−

=ΔΔ

&

&

12

12

6.7.- CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN

53


6.8.- RECTA DE MANIOBRA

• Extensión a otros procesos– Calentamiento sensible– Enfriamiento y deshumectación

54


6.9.- RECTA DE MANIOBRA FRENTE A FCS

• Preferencias• Evolución del aire en los locales: FCS

• Procesos de humectación: RM

• Dimensionalidad

RMFCS 541.21−≅

55


6.10.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE

• Suministro solo de humedad– Ningún otro tipo de energía

• Hipótesis: Toda la humedad aportada es retenida por el aire

• Caso particular de calentamiento y humectación

wiWi=

ΔΔ

56



• Análisis del nomograma ASHRAE– Variación: + ∞ a - ∞

• Teoría: Cualquier trayectoria es posible• Práctica: Agua suministrada:

10ºC líquida a 120ºC vapor saturado

• Rango de

wiWi=

ΔΔ

Wi

ΔΔ

57



1SAGUA TT >

11 HAGUAS TTT >>

1RAGUA TT <

1SAGUA TT >

11 RAGUAH TTT >>

1HAGUA TT = C

B

AD

E

58


6.11.- EFICIENCIA DE UN HUMECTADOR

1

12

1

12

1

12

sw

ss

wwtotal

tratado

TTTT

WWWW

iiii

mm

EFI−−

=−−

=−−

==&

&

59


6.11.- EFICIENCIA DE UN HUMECTADOR

( )

( )

( )112

112

112

100

100

100

ttEFItt

WWEFIWW

iiEFIii

w

w

w

−+=

−+=

−+=

60


6.12.- HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA DEL AIRE CON VAPOR

21 imimim avva &&& =+

21 WmmWm ava &&& =+

Balances

( )vvv tftiWWii

Wi

=+==−−

=ΔΔ 805,1501.2

12

12

61


6.13.- FLUJO DE AIRE SOBRE UN ABSORBENTE

62


Cuarta parte

Espacios acondicionados

63


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 1: Situación clásica de verano

•Sistema de A.A.: Dos o mas procesos básicos

64


Datos de partida:

•Condiciones a mantener

Cargas térmicas del local

Requerimiento de aire exterior

Requerimiento de aire de retorno

Condiciones exteriores

Podría añadirse un tratamiento del aire exterior


65



Paso 1º: Recta de Operación del Local

• Pasa por las condiciones del local (3)

• Su inclinación viene dada por el FCS del local

• El aire de impulsión (2) debe estar en dicha recta

66



Paso 2º: Ubicación del punto (2) en la R.O.L.

• Características de operación del equipo

• Condiciones de confort

• ¿t2 muy cerca de t3?

• ¿t2 muy lejos de t3?

• Ubicación de compromiso

• Posibilidad de un proceso iterativo

67



Paso 3º: Obtención del caudal de aire impulsado: V2

• Balance de energía en el local

] ( )232 iimq aLocalt −= &&

]( )23

2 iiq

m Localta −=&

& 222 .vmV a&=

68



Paso 4º: Obtención del estado 1 de entrada al climatizador

• Balance de masas en la caja de mezcla

• Regla de la palanca inversa

4012 aaaa mmmm &&&& +==

0

00 v

Vma =& 024 aaa mmm &&& −=

1

0

0313

a

a

mm&

&=

−−

69



Paso 5º: Recta de Operación de la Batería (R.O.B.)

70



Paso 6º: Calor total eliminado en la batería

• Balance de energía en la batería ] ( ) ]LocaltaBatt qiimq &&& >−= 211

] ] BatBatTBatS FCSqq .&& =• Factor de Calor Sensible Total

– Dado por la inclinación de la R.O.B,– Obtener en el sicrométrico ] ] ( )BatBatTBatL FCSqq −= 1.&&

• Características de la batería– Objetivos de la iteración

• Temperatura superficial: tb• Factor de by-pass de la batería

71



Primera modificación: Calor ganado en ventiladores y conductos

• Se manifiesta como calor

sensible

• La R.O.L. no se modifica

• La R.O.B. si se modifica

• La potencia requerida en

la batería es mayor

72



Segunda modificación : Aire exterior cálido y húmedo

73



Tercera modificación : Aire exterior cálido y húmedo

• Primera: Aire exterior (sin evaporativo) mezclado con retorno = 1Enfriamiento sensible hasta llegar a 2

• Segunda: Aire exterior (con evaporativo) mezclado con retorno = 1’Enfriamiento sensible hasta llegar a 2

• Tercera: Aire exterior se enfría en el evaporativo hasta 1’’Enfriamiento sensible hasta llegar a 2

74


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 2: Situación clásica de invierno

75



• Obtención de la R.O.L.• Ubicación del punto de impulsión en la misma: Caudal• Obtención del punto de mezcla: 1• Evaluación de los procesos de calentamiento y humectación

76



• Balance de energía en la batería

• Balance de energía en la batería ( )122 WWmm av −= &&

] ( )12 .. ttcmq ApaCalentS −= &&

77



Primera modificación: Precalentamiento del Aire Exterior

78



Primera modificación: Precalentamiento del Aire Exterior

79


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 3: Método del Factor de By-pass

80


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 4: Carga latente elevada

81


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 6: Enfriamiento por evaporación

82


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 6: Enfriamiento por evaporación

83


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 7: Enfriamiento por evaporación con pulverizadores auxiliares

84


ESPACIOS ACONDICIONADOS. Ejercicio 7: Enfriamiento por evaporación con pulverizadores auxiliares

2 sicrometria y procesos sicrometricos

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