CAPÍTULO 16Aire Acondicionado

INTRODUCCIÓN

El ser humano es el único de los seres vivientes que pudo cambiar el clima diseñando y construyendo máquinas que “acondicionan el aire”, motivo de estudio de este Capítulo. Aprenderemos a seleccionar máquinas que puedan calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier ambiente según lo creamos conveniente; es decir podemos cambiar cualquier lugar del mundo hacia unos estados (que lo llamamos Confort) donde vivamos tranquilos en un ambiente sano y cómodo. Diseñemos estos equipos.

SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL

INDICEIntroducciónSistema de Aire Acondicionado16.1 Aire Acondicionado16.2 El Aire Húmedo16.3 Humedad relativa16.4 Humedad Absoluta16.5 El Clima16.6 Proceso de Saturación Adiabática16.7 Temperaturas de Bulbo Húmedo Tbh y Bulbo seco Tbs16.8 Carta Psicrométrica16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire

Calentamiento, Enfriamiento, Enfriamiento y deshumidificación,Humidificación,Secado, Mezcla de aire

16.10 Torres de Enfriamiento Problemas Laboratorio Psicrometría PUCP

16.1 AIRE ACONDICIONADO

El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes.

· Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.· Humedad: humedecer y/o secar· Limpieza.· Movimiento.

Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales:

- Industria Textil, industria fotográfica, imprenta.- Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias.- Conservación de productos, secado de productos.

El AIRE que respiramos es una mezcla de aire seco y vapor de agua.

AIRE HUMEDO = AIRE SECO + Vapor de AGUA

EL CUERPO HUMANO SE SIENTE COMODO (CONFORTABLE) CUANDO PUEDE DISIPAR LIBREMENTE SU CALOR DE DESCHO, Y NO MÁS. UN AMBIENTE COMODO ESTA ALREDEDOR DE 23 ºC, HUMEDAD RELATIVA DE 50 % CON UN MOVIMIENTO O FLUJO DE AIRE DE 15 M /MIN.En estos sistema de acondicionamiento de aire usaremos una mezcla de gases (aire y vapor de agua) por lo que tenemos que usar una tabla que mezcle ambos gases. Es el llamado aire húmedo que es el aire seco más vapor de agua.

Dónde se utilizan estos Sistemas ?

Unidad de acondicionamiento de aire. Incluye de evaporación con ventilador a 90 º.

Diferencia de temperaturas en una casa acondicionada en invierno.

Modelo de evaporador tipo CV, alta velocidad y flujo directo para la extracción de aireen cabinas. Ventiladores de 24” y 30 “ con 1 HP del motor.

Estación compacta de Monitoreo del clima. Cole Parmer. Presión barométrica. Humedades. Velocidad y dirección del viento. Lluvia. Radiación solar. US$1440Simple T,Po,HR. US$ 177

Unidad central exterior de una unidad de tratamiento de aire. Trane Company,

Estufa Hi-Tech de 9 paneles.

Medidor portátil de temperatura y humedad relativa. Rango 25 a 95 % HR; temperaturas de 0 a 50 ºC. Digital. 4000 horas continuas. US$ 58

16.2 El Aire Húmedo

MEZCLA DE GASES CON UN VAPOR

- Estudiaremos al aire húmedo. (aire seco + vapor de H2O)- Consideremos:a) Composición del aire: 21% O2 y 79% de N2.b) Dado que la presión del vapor es su presión parcial, la cual es usualmente pequeña, se tratar al vapor de agua como gas ideal.

M = 18.015R = 0.46152 kJ/kg-KCp= 1.8723 kJ/kg-KCv= 1.4108 kJ/kg-KPc= 22.09 MPa Tc = 647.3 K

Esta mezcla no se puede considerar como una sustancia pura, pues el vapor es no condensable, por lo tanto la condensación de la mezcla puede variar ante cambios de P y T.

El rango de trabajo en AIRE ACONDICIONADO se considera entre 50º C y -40º C, por lo que para podrá ser considerado como gas ideal, el aire húmedo (aire seco + vapor) hasta 15 bar.

Presión Parcial (Pi)

- Ley de Dalton

La presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones parciales que cada componente ejercería si éste ocupara el volumen de la mezcla a la temperatura de la mezcla.

T,v T,v T,v

)osecaire(i)OH de i(vapor

i

PP

c,.....b,a,i PP

2

Aire Vapor de H 2O Aire Húmedo

Pa

Pb

Pa+Pb

A la misma presión y temperatura dos gases ocupan el mismo volumen, tal como sucede con el aire seco y el vapor de agua en nuestro ambiente.

BarómetroPo

16.3 Humedad Relativa ()CONCEPTOS PREVIOS Humedad Relativa: (Φ) Es el cociente entre la masa de vapor en una unidad de volumen (mv) y la masa de vapor que dicho volumen podría contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la mezcla (Pv), entre la presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (Pg), es decir a la misma temperatura.

g

v

g

v

g

v

g

v

v

v

vv

mezcla

rocío

g

v

g

v

V

V

m

m

P

P

v

RTm

V

RTP

:Entonces

T a sat. de Presión

T a sat. Presión

ó m

m

)T(P

)T(P

NOTA: El subíndice "g" corresponde a la curva de vapor saturado.

Ejemplo: Para una temperatura de 20º C, la presión del vapor de agua es muy pequeña: Pg=2.339 kPa y a menores presiones es sobrecalentado. (gas ideal) Las presiones parciales en el aire siempre tienen que ser menores que la presión P g. Por ejemplo puede ser P v = 1.75 kPa, entonces la humedad relativa sería:

748.0339.2

75.1

P

P

g

v %8.74

Unidad Compacta de medición de HR, temperatura, Tbs, punto de rocío. US$ 129 Catalogo Cole Parmer

16.4 Humedad Absoluta (w)

H u m e d a d A b s o l u t a ( r a z ó n d e h u m e d a d ) : ω E s e l c o c i e n t e e n t r e l a m a s a d e v a p o r y l a m a s a d e a i r e s e c o .

)PP(

P622.0

P

P622.0

m

m

P

P

R

R

m

m entonces,

TR

VPm

TR

VPm

:T yV a ánest Ambos

vo

v

a

v

a

v

a

v

622.0

v

a

a

v

a

aa

v

vv

: y lacionandoRe

g

a

g

v

P622.0

P

P

P

vaporv

airea

vaaatmosférico

P:P

P:P

PPP:P

go

g

a

g

PP

P622.0

P

P622.0

16.5 El Clima

Aire Saturado:Cuando el vapor en la mezcla está saturado, entonces Ö es igual a 1 o 100%.

Punto de Rocío:Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se enfría isobáricamente.En el punto de rocío Ö = 1 ó 100%.Escarcha, granizo, nieve: aire húmedo saturado a T<0.01 C.Niebla: justo vapor saturado.Lluvia: justo vapor saturado más condensación.

Unidad digital de Mediciones del clima. Data Logger.- Presión Po- Temperatura To- Humedad Relativa HR- Pluviómetro- Velocidad y Dirección del viento- Radiación Solar

PROCESO DE SATURACIÓN ADIABÁTICA

Para definir el estado de una mezcla de gases ideales y vapores condensables, no es suficiente conocer las propiedades P, T, V, debemos tener información además de la composición de ésta. En el caso particular del aire húmedo sería suficiente por ejemplo conocer la humedad absoluta (w = mv / ma) y esto es posible mediante un saturador adiabático como el que se muestra.

La idea es hacer pasar el aire no saturado (humedad relativa menor que 100 %) , por un lugar en el que el agua saturada (líquido saturado h = hf) se evapore exactamente la cantidad suficiente para que en la salida sea saturada, es decir humedad relativa 100 %.

S e h a c e p a s a r e l a ir e h ú m e d o p o r u n d u c t o c o n a g u a c o m o s e m u e s t r a , d e b id o a q u e Φ 1 < 1 , e l a g u a t ie n d e a e v a p o r a r s e h a s t a q u e e n la s a lid a t e n e m o s a ir e s a t u r a d o . N o t a r q u e s e d e b e s u m in is t r a r u n a m a s a d e líq u id o , ig u a l a la d ife r e n c ia e n t r e la m a s a d e v a p o r e n la s a lid a y la e n t r a d a , d e m a n e r a q u e la m a s a d e l V C n o v a r íe y s e p u e d a c o n s id e r a r e s t a c io n a r io e l p r o c e s o . ( e c u a c ió n d e c o n t in u id a d ) M a s a líq u id a q u e e n t r a :

l1v2v mmm

A p l i c a n d o l a P r i m e r a L e y , d e s p r e c i a n d o ? E K y ? E P

22222121111 gvaafvvvvaa hmhmh)mm(hmhm

( e s t a d o 2 e s v a p o r s a t u r a d o h v 2 = h g 2 )

d i v i d i e n d o e n t r e m a ( m a s a d e a i r e s e c o ) q u e e s c o n s t a n t e :

aaa mmm21

E n t o n c e s :

22211 g2af12v1a hhh)(hh

E n l a p r á c t i c a s e d e m u e s t r a q u e l a e n t a l p í a d e l v a p o r e n l a e n t r a d a ( h v 1 ) e s a p r o x i m a d a m e n t e i g u a l a l a e n t a l p í a d e v a p o r s a t u r a d o a T 1 , e s d e c i r :

gv hh1

( s i n c o m e t e r m u c h o e r r o r )

y c o m o e l a i r e e s g a s i d e a l :

Tchapa

O r d e n a n d o y d e s p e j a n d o :

21

22a

fg

2fg12p1 hh

)hh()TT(c

D o n d e :

a

2g2 P

P622.02

Φ 2 = 1 P a = P – P g 2 P g 2 : d e t a b l a s d e v a p o r s a t u r a d o a T 2 P : P r e s i ó n a t m o s f é r i c a . T 2 : T e m p e r a t u r a d e S a t u r a c i ó n A d i a b á t i c a .

Es importante observar que con la expresión anterior, es posible conocer la humedad absoluta del aire húmedo en cuestión, si conocemos P, T1 y T2 que son fáciles de obtener experimentalmente (sirve para medir la humedad del aire)

16.7 Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh)TEMPERATURA DEL BULBO HUMEDO: (Tbh)

Si rodeamos el bulbo de un termómetro con una gasa húmeda y hacemos pasar una corriente de aire, la lectura que obtenemos se denomina “Temperatura de Bulbo Húmedo” Tbh y será menor que la de un “termómetro de bulbo seco” Tbs (un termómetro cualquiera). La diferencia entre ambas temperaturas será mayor cuando el aire esté menos saturado.

Psicrómetro tipo vaivén. HR de 10 a 100 %. Temperaturas de - 5 ºC a 50 ºC.

E n la p rá c t ic a s e o b s e rv a q u e s i la c o r r ie n te q u e p a s a p o r e l te rm ó m e t ro d e b u lb o h ú m e d o e s d e 3 0 a 6 0 m /m in . , s e c u m p le q u e :

T 1 = T b s

T 2 = T b h

T b h : T e m p e ra tu ra d e S a tu ra c ió n A d ia b á t ic a

P o r lo ta n to :

fhgs

fhghsatbsbhp

hh

)hh()TT(ca

D o n d e :

gh

ghsat PP

P622.0

Los subíndices h y s, denotan temperatura de bulbo húmedo y seco, respectivamente. Notar que Tbs es la Temperatura de la Mezcla.

Psicrómetro de bolsillo. Humedad relativa HR de 10 a 100 %. Temperatura de -5 ºC a 50 ºC- US 63.. Marca Ertco

V o l u m e n e s p e c í f i c o d e l a i r e h ú m e d o : ( v 1 + ω )

)1(

vv

m

Vv

m

m1

m

V

)mm(

V

m

Vv

)1(

as)1(

a

v

as

vas

)1(vv )(1

Entalpía:

ASASASvASAH

1AsAH

1AsAHAhAH

m) (1 m m m m m

vm V

hm hm H

VENTILADORES

Ventilador Joy con paletas regulables

Rodete y ventilador de plancha de acero.

Rodete y caja del ventilador con la tapa desmontada.

Los ventiladores se diseñan según el flujo de aire que queramos.

16.8 Carta Psicrométrica

Es un diagrama que tiene como ordenada la humedad absoluta y como abscisa la temperatura de bulbo seco. En él están trazadas también las líneas de humedad relativa constante, las de temperatura de bulbo húmedo constante, de entalpía especifica y volumen especifico aire-vapor. La Carta Psicrométrica se construye para una presión de la mezcla constante.

16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire

El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento.

Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes.Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.Humedad: humedecer y/o secarLimpieza.Movimiento.

Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales:

- Industria Textil, industria fotográfica, imprenta.- Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias.- Conservación de productos, secado de productos.

Uno de los factores importantes a tener en cuenta en los sistemas de acondicionamiento de aire, es la carga térmica. Esta se debe a lo siguiente.

·Calor transferido a través de paredes, techo, piso y vidrios.·Calor liberado por alumbrado interior, equipos (motores u otros).·Carga del aire interior.·Infiltraciones de aire.·Calor liberado por la presencia de personas.

PROCESOS EN PSICROMETRIA

Los procesos más comunes en Psicometría, son los que analizaremos a continuación.

1)Calentamiento sensible.

En estos procesos no hay vaporización ni condensación del agua por lo tanto, el contenido de humedad del aire permanece constante. Los valores de w y P, permanecen constantes. Se representa por una recta horizontal en la Carta Psicrométrica, entre los límites de temperatura de bulbo seco de entrada y salida.

Para el calentamiento, podemos representar un conducto a través del cual fluye aire que es calentado por medio de una resistencia eléctrica.

Equipos: Resistencia EléctricaIntercambiadores (caldera)

Características: No cambia la humedad absoluta, sólo aumentan la temperatura.

Ecuaciones: )h- (h m Q12 11as

Estufa Hi-Tech de 7 paneles

P a r a e l e n f r i a m i e n t o , p o d e m o s r e p r e s e n t a r u n c o n d u c t o a t r a v é s d e l c u a l f l u y e a i r e , q u e e s e n f r i a d o p o r u n s e r p e n t í n d e e n f r i a m i e n t o ( p o r e j e m p l o e l e v a p o r a d o r d e u n s i s t e m a d e r e f r i g e r a c i ó n ) E q u i p o s : E q u i p o d e r e f r i g e r a c i ó n . C a r a c t e r í s t i c a s : C a m b i a n l a h u m e d a d r e l a t i v a y a u m e n t a n l a t e m p e r a t u r a .

E c u a c i o n e s : )h- (h m Q12 11as

3) Deshumidificación - D e s h u m i d i f i c a c i ó n p o r e n f r i a m i e n t o . E s t e p r o c e s o c o n s i s t e e n u n e n f r i a m i e n t o s e n s i b l e h a s t a e l p u n t o d e r o c í o (Φ = - 1 0 0 % ) , s e g u i d o d e u n p r o c e s o d e e n f r i a m i e n t o y c o n d e n s a c i ó n s i g u i e n d o l a l í n e a d e Φ = - 1 0 0 % h a s t a l a t e m p e r a t u r a c o r r e s p o n d i e n t e a l a s u p e r f i c i e d e e n f r i a m i e n t o , q u e d e b e e s t a r p o r d e b a j o d e l a t e m p e r a t u r a d e r o c í o i n i c i a l . E n e s t e p r o c e s o e l a i r e p i e r d e h u m e d a d d e b i d o a l a c o n d e n s a c i ó n d e u n a p a r t e d e l v a p o r d e a g u a c o n t e n i d o e n é l . E l c o n d e n s a d o a b a n d o n a l a m e z c l a . E l p r o c e s o s e p u e d e l o g r a r e n u n c o n d u c t o q u e t r a n s p o r t a a i r e , e l c u a l e s e n f r i a d o p o r m e d i o d e u n s e r p e n t í n d e e n f r i a m i e n t o ( c o m o e l e v a p o r a d o r d e u n s i s t e m a d e r e f r i g e r a c i ó n ) E q u i p o s : E q u i p o d e r e f r i g e r a c i ó n . C a r a c t e r í s t i c a s : D i s m i n u y e l a t e m p e r a t u r a y d i s m i n u y e l a h u m e d a d a b s o l u t a y a u m e n t a l a h u m e d a d r e l a t i v a . E c u a c i o n e s :

hm h m Q h m f (T2)c1as1as 21

)( m m- m m 21asvvc 21

Evaporadores

Unidad de acondicionamiento de aire para cuartos. Vilter Modelo UF y SUF Baja velocidad y silencioso. Ventilador de 18 “ - 1/3 HPVentilador de 24 “ - 1/2 HP

Unidad Vilter modelo SC (Standard Cooler). 1/2 HP a 3/4 HP. Ventilador de 24 “. Motor de 1150 RPM para funcionamiento silencioso.

Unidad de acondicionamiento Vilter modelo LP (Low Profile) para pequeñas habitaciones. Extremadamente silenciosos. 1/3 HP. Ventilador 18”. 1150 RPM

4) Humidificación y Enfriamiento - H u m i d i f i c a c i ó n p o r e n f r i a m i e n t o . E l e n f r i a m i e n t o p o r e v a p o r a c i ó n d e l a g u a , s e p u e d e r e a l i z a r p o n i e n d o e l a i r e e n c o n t a c t o c o n a g u a a u n a t e m p e r a t u r a i g u a l a l a T b h d e l a i r e . S e r e p r e s e n t a p o r u n a r e c t a t r a z a d a s i g u i e n d o l a l í n e a d e T b h d e l a i r e , e n t r e l o s l í m i t e s d e l p r o c e s o . E l p r o c e s o s e p u e d e l o g r a r e n u n c o n d u c t o q u e t r a n s p o r t a a i r e y e n e l c u a l s e i n y e c t a a g u a f r í a p u l v e r i z a d a . S e p r o d u c e u n a u m e n t o e n l a h u m e d a d e s p e c í f i c a d e l a i r e . E q u i p o s : R o c i a d o r d e a g u a f r í a c o n B o m b a . C a r a c t e r í s t i c a s : D i s m i n u y e l a t e m p e r a t u r a y a u m e n t a l a h u m e d a d . E c u a c i o n e s :

h m hm h m Q221 1as)f (Tv1as

)( m m- m m 21a sv 1v 2v a p

5) Humidificación y Calentamiento

En este caso, se incrementa la humedad del aire, incorporando vapor de agua una temperatura mayor que la del aire. Se representa por una recta inclinada, denotando un aumento de la temperatura y de la humedad especifica del aire.El proceso se puede lograr en un conducto que transporta aire y en el cual se inyecta vapor de agua a mayor temperatura que la del aire.

Equipos:Hervidor de agua

Características:Cambian la humedad y aumentan la temperatura.

E c u a c i o n e s :

21 1asgg1as h m hm h xm Q

)( m m- m m 12asvvg 12

6) Secado

- S e c a d o . E q u i p o s : F i l t r o s C a r a c t e r í s t i c a s : M a n t i e n e l a t e m p e r a t u r a y d i s m i n u y e l a h u m e d a d . E c u a c i o n e s :

hm h m Q h m fc1as1as 21

)(m m m m 21asvvc 21

Mezcla Adiabática de Aire (Cines)

Se trata de dos flujos de aire de diferentes condiciones, que se juntan en un mezclador adiabático con dos entradas y una salida y que salen mezclados. El proceso se puede representar en la Carta Psicométrica mediante una recta que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla estará ubicado sobre dicho segmento de recta, dividiéndolo en dos partes proporcionales a la variación de la humedad específica de cada flujo.

E c u a c i o n e s :

332211 1as1as1as h m h m h m

321 asasas m m m

332211 vm v m vm

3as2as1as m m m321

- S e c a d o . E q u i p o s : F i l t r o s C a r a c t e r í s t i c a s : M a n t i e n e l a t e m p e r a t u r a y d i s m i n u y e l a h u m e d a d . E c u a c i o n e s :

hm h m Q h m fc1as1as 21

)(m m m m 21asvvc 21

16.10 Torres de Enfriamiento

Probl. 1 : (Usando Fórmulas)

Por un conducto se hace pasar 0.35 kg/s de aire húmedo a 1 bar. Se instala un psicómetro donde se aprecia que la temperatura de bulbo seco es 30º C y la de bulbo húmedo 25º C. Determinar:a) La humedad absoluta del aire húmedo.b) La presión parcial del vapor y la humedad relativac) El flujo de masa de aire seco y vapor.d) El volumen específico de vapor. En el curso

solamente trabajaremos con la carta psicrométrica, este problema es solo para conocer el otro método.

Prob. 2.-¿Cual es la humedad relativa del aire atmosférico cuya humedad específica es de 0.0163 kg vapor/ kg aire seco, a 30° C y a 1 bar?

Probl 3 : Usando Carta Psicométrica.

Se tiene aire ambiente (P =1 bar) a 30º C y Ö=50%, mediante el acondicionador mostrado, se desea tener aire a 25º C pero con la misma humedad relativa. Si el caudal de aire húmedo a la entrada es 0.5 m3/s, hallar:a) El proceso en la Carta Psicométrica.b) La masa de condensado.c) El calor que será necesario extraer. El condensado se encuentra a 15º C y es líquido saturado.d) El calor entregado por la resistencia.

4. Una mezcla de aire seco y vapor de agua ingresa a una unidad de acondicionamiento de aire a una presión de 2 bar y 30°C con f=80%. La masa de aire que ingresa a la unidad es de 100kg/min. La mezcla de aire seco y de vapor sale de la unidad de acondicionamiento a 1.5 bar, 20°C y f=100%. El líquido condensado sale a 20°C. Calcular el calor transferido, en kW.

5. Se tiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión de 1 bar y 20° C, el cual ocupa un volumen de 0.2 m3 . Si su humedad relativa es 70%, determinar:a)La masa de vapor existente, en gramos.b)Si se realiza un enfriamiento a presión constante, ¿a qué temperatura empezará la condensación?c)¿Qué cantidad de vapor se condensará si la mezcla se enfría a 10°C, manteniéndose constante la presión total?d)Si la mezcla original se calienta hasta 40 °C, a presión constante, ¿Cuál será la humedad relativa final?e)Si para el caso d) se requiere alcanzar nuevamente una humedad relativa de 70%. ¿Qué cantidad de agua tendrá que agregarse si este se encuentra a 40°C?