Psicrometría.

Características del aire húmedo y sus procesos

PSICROMETRÍA

• “La psicrometría tiene por objetivo la determinación y el estudio de las propiedades termodinámicas de mezcla aire-vapor de agua.”

Aplicaciones

• La psicrometría resulta entonces útil en:

– El diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos

– El diseño de equipos de refrigeración

– El estudio del secado de alimentos

– Todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire

El aire seco• El aire es una mezcla de gases, su composición varia

ligeramente en función de la posición geográfica y la altitud.

• El calor específico del aire a 1 atm (-40ºC a 60 ºC) varía desde 0,9997 hasta 1,022 kJ/(kg.K), en la mayoría de los casos se usa el valor intermedio: 1,005 kJ/(kg.K)

• La entalpía es equivalente al contenido energético del aire, es un término relativo.

• La temperatura de bulbo seco se muestra por un indicador de temperatura invariable

El vapor de agua

• El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor.

• El vapor en el aire es esencialmente vapor recalentado a baja presión parcial y temperatura.

• Por debajo de los 66ºC el vapor sobresaturado o sobrecalentado sigue las leyes de los gases ideales.

• Entre -71ºC y 124ºC, el calor específico tanto del vapor saturado como del sobrecalentado tiene variaciones mínimas, generalmente se toma un valor de 1,88 kJ/(kg.K).

• Para el cálculo de la entalpía se aumente el calor latente de vaporización.

Pi Nixi = -- = --P NT

Ley de Dalton

P = PA + PB + PC +...+ Pi

Ley de Gibbs Dalton

Las propiedades de una mezcla de gases ideales se

pueden calcular a partir de las propiedades de los gases

constituyentes

mR m = m1 R 1 + m2 R 2 +...+ mi R i

mhm = m1 h1 + m2 h2 +...+ mi hi

mcpm = m1 cp1 + m2 cp2 +...+ mi cpi

P

V

NT = NA + NB + NC +...+ Ni

Fracción molar

Nixi = --NT

Mezcla de gases ideales

Vapor de aguaRv´=461,5 J/kg K

Aire secoRa´=287 J/kg K

Airehúmedo = +

PaV = ma Ra´T PvV = mv Rv´T

A) > R Aire húmedo no saturado

R) = R Aire húmedo saturado

< R Aire húmedo sobresaturado

C

Pv

s

R

A

R

A

Temperatura de rocío R

Mínima Tª que puede tener el aire húmedo sin que el vapor de agua se condense.

P =Pa + Pv

Mezcla aire-vapor

• Las mezclas aire-vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales, aunque éstas pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm.

• Las mezclas de aire-vapor de agua existen en la atmósfera y siguen la Ley de Gibbs-Dalton (La presión total o barométrica del aire húmedo es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por el aire seco y por el vapor de agua).

• El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión.

Mezcla aire-vapor

• El punto de rocío es la temperatura a la que comienza la condensación de la humedad.

• El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la presión parcial ejercida por el vapor de agua (temp. de rocío)

Propiedades del aire húmedo

Humedad relativa Pv

= --Ps

Aire saturado 100

Aire seco 0

Parámetros característicos

Humedad absoluta mv

= --ma

Pv =0,622 ----

P -Pv

kg-----kg a.s.

Grado de humedad

φ = --s

humedad absoluta-------------------humedad de saturación

Entalpía del aire húmedo H = maha + mvhv

h = + (2501+ 1,82 )

Hh = -- = ha+ hvma

hv = 2501+ 1,82

ha = cpa kJ-----kg a.s.

Origen de referencia 0ºC 1 atm

Mezcla aire-vapor• La humedad se define como la masa de vapor de agua por

unidad de masa de aire seco.

• La humedad relativa es la relación entre la fracción molar del vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presión.

• En condiciones en que se cumpla la ley de los gases ideales, la humedad relativa también se puede expresar como el cociente entre la densidad del vapor de agua en el aire y la densidad del vapor de agua saturado a la temp. de bulbo seco del aire

Mezcla aire-vapor

• El calor húmedo es la cantidad de calor que es necesario aplicar para aumentar 1K la temperatura de 1kg de aire seco más la del vapor de agua presente en el mismo.

• El volumen específico de la mezcla se expresa en m3/kg de aire seco, es el volumen que ocupa 1kg de aire seco más el del vapor de agua presente.

Mezcla aire-vapor

• El fenómeno de saturación adiabática del aire se aplica en el secado de alimentos por convección.

• Ocurre en un ambiente completamente aislado al calor donde el aire se pone en contacto con una superficie de agua; en este proceso parte del calor sensible del aire que ingresa se transforma en calor latente.

Técnica de saturación adiabática

Mezcla aire-vapor• Generalmente se utilizan dos temperaturas de bulbo

húmedo: la Tºbh termodinámica y la Tºbh psicrométrica.

• La Tºbh psicrométrica es la que se alcanza cuando el bulbo de un termómetro de mercurio cubierto con un paño húmedo se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a elevadas velocidades (5 m/s).

• La Tºbh termodinámica se alcanza cuando se satura adiabáticamente aire húmedo mediante la evaporación del agua. Para el caso del aire húmedo ambas temperaturas son casi iguales.

Psicrómetro

BS - BH

gasa humedecida

BS BH

Aire

Psicrómetro normal

BSTª de bulbo seco

BHTª de bulbo húmedo

BS = BH aire saturado

BS - BH aire no saturadoMirando en tablas

BS >>> BH (BS - BH)

BS > BH (BS - BH)

disminuye

aumenta

Otros instrumentos de medida

Carta psicrométrica

Humedad relativa

60

H

um

ed

ad a

bso

luta

kg/

kg a

ire

se

co

20

Tª bulbo seco ºC

90 70 50 40 3060

-10 50-5 35 504540 55

30

25

20

15

-10

-5

0

5

10

10

0.005

0.000

0.010

0.015

0.020

0.025

Otras cartas psicrométricas

Ejemplos

• Utilizando la carta psicrométrica:

– Caracterizar el aire de 50°C y 20% de humedad relativa

– Caracterizar el aire de 30°C y 25°C de bulbo húmedo

Procesos psicrométricos

Torres de refrigeración

1

2

B

Agua caliente

Agua fría

A

Airefrío

Airecaliente

. . mB= mas . mB

. . mA= mas . mA

masa agua fríamB= ----------

kg aire seco

. . .mas ( 2 – 1) = mA - mB

Balance de materia

masa agua calientemA= ------------

kg aire seco

. . .mas (h2 – h1) = mAhA - mBhB

Balance de energía

Acondicionamiento de aire

Calentamiento

Enfriamiento

Ventilación

Humidificación

Deshumidificación

Purificación

Procesos deacondicionamiento

Adsorción por carbón

Lavadores de aire

Ventilación

Olores, gases

Secos

Viscosos

Precipitadores electrostáticos

Filtros

Polvos

Supresión

Calentamiento y enfriamiento sensible

1 2

2 1

.Q

BS 1 2

h 1

h 2

1= 21 2

. .Q = mas (h2 - h1) < 0

. m3 h3

3

BS 1 2

h 1

h 2

1

1

2

3

h 3

32

3

Mezcla adiabática de dos corrientes

. m2 h2

. m1 h1

1

2

h 3 - h 2 3 - 2---- = ------ ------

h 1 - h 3 1 - 3

. ma1 . ma2

• Balance energía

3 - 2---- = ------

1 - 3

. ma1 . ma2

• Balance materia

Enfriamiento con deshumidificación

1 2 3.QE

.QC

BS

h 1

h 2

1

1

2

h 3

32,3

1-2 Deshumidificación. . .QE = mas (h1 – h2) - mas ( 1 –2) hf2

2-3 Calentamiento. .Qc = mas (h3 – h2)

Humidificación

1

2

BS

h 1

h 2

1

2

21

Adición de vapor

BS

h 1

h 2

1

1

22

2 1

Inyección de agua líquida

h1 + (2 – 1) hf = h2

h1>> (2 – 1) hf

h 1 h 2

1 2agua

Tela mojada

Enfriamiento evaporativo

BS

h 1=h 2

1

1

2 2

2 1

2´

Ejemplo

• Calcular la energía necesaria para calentar en forma sensible10 kg/s de aire a 30ºC de temperatura de bulbo seco y 80% de humedad relativa hasta alcanzar una temperatura de bulbo seco de 45 ºC.