libro termodinamica cap 16 aire acondicionado hadzich1

Cap 16 Aire Acondicionado- Pg. 1

Termodinmica para ingenieros PUCP

INTRODUCCIN

El clima en todos los lugares del mundo es cambiante y diferente, existen sitios secos y hmedos, sitios fros y calientes y una gran combinacin de estos estados; y peor todava, stos varan segn las pocas del ao: Primavera, verano, otoo e invierno; y segn algunos fenmenos (caso Corriente del Nio) debido a la rotacin de la Tierra y su translacin alrededor del Sol, que es nuestra fuente de energa. Estos cambios del clima hacen que tambin varen los estados de los seres humanos (nos tenemos que abrigar o baarnos en la playas, etc), pero tambin de las mquinas trmicas (en todas aquellas donde se involucra la Presin y la Temperatura ambiente Po y To) que cambian sus condiciones de trabajo conforme cambia el clima.El ser humano es el nico de los seres vivientes que pudo cambiar el clima diseando y construyendo mquinas que acondicionan el aire, motivo de estudio de este Captulo. Aprenderemos a seleccionar mquinas que puedan calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier ambiente segn 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 cmodo. Diseemos estos equipos.

Cap. 16

Aire Acondicionado Mezcla de GasesPsicrometria

Valores de alta temperatura en una casa

Cap 16 Aire Acondicionado - Pg. 2

Aire AcondicionAdo

SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL



16.1 Aire Acondicionado

El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosfrico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende tambin la ventilacin de ambientes.. Temperatura. Humedad: humedecer y/o secar. Limpieza. Movimiento

Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aqu algunas de las principales:- Industria Textil, industria fotogrfica, imprenta.- Salas de cmputo, auditorios, instalaciones mdicas, instalaciones bancarias.- Conservacin 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 (CONFORT-ABLE) CUANDO PUEDE DISI-PAR LIBREMENTE SU CALOR DE DESECHO, Y NO MS. UN AMBIENTE COMODO ESTA ALREDEDOR DE 23 C, 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 hmedo que es el aire seco ms vapor

de agua.

En el Captulo 15 estudiamos uno de los equipos ms usados para los sistemas de acondicionamiento de aire, los sistemas de refrigeracin y bomba de

calor.


Aire AcondicionAdo

Dnde se utilizan estos sistemas ?

Unidad de acondicionamiento de aire. Incluye evaporacin con ventilador a 90.

Diferencia de temperaturas en una casa

acondicionada en invierno.

Modelo de evaporador tipo CV, alta velocidad y flujo directo para la extraccin de aire en cabinas. Ventiladores de 24 y 30 con 1 HP del

motor.

Unidad central exterior de una unidad de

tratamiento de aire. Trane Company,

Estacin compacta de Monitoreo del clima. Cole Parmer. Presin baromtrica. Humedades. Velocidad y direccin del viento. Lluvia. Radiacin solar. US$1440

Simple T,Po,HR. US$ 177

Estufa Hi-Tech de 9 paneles.US$. Medidor porttil de temperatura y humedad relativa.

Rango 25 a 95 % HR; temperaturas de 0 a 50 C.

Digital. 4000 horas continuas. US$ 58



16.2 El Aire HmedoMEZCLA DE GASES CON UN VAPOR

- Estudiaremos al aire hmedo. (aire seco + vapor de H2O)- Consideremos:a) Composicin del aire: 21% O2 y 79% de N2.b) Dado que la presin del vapor es su presin parcial, la cual es usualmente pequea, 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 condensacin de la mezcla puede variar ante cambios de P y T.

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

www.


Aire AcondicionAdo

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

Barmetro

Po



16.3 Humedad Relativa ( 0, HR )

Humedad Relativa:

CONCEPTOS PREVIOS

Humedad Relativa: (o) HREs el cociente entre la masa de vapor en una unidad de volumen (mv) y la masa de vapor que dicho volumen podra contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la mezcla (Pv), entre la presin de satu-racin del vapor a la temperatura de la mezcla (Pg), es decir a la misma temperatura.

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

Unidad Compacta de medicin de HR, temperatura, Tbs, punto de roco. US$ 129 Catalogo Cole Parmer

DIBUJE ESTE PUNTO EN UN DIAGRAMA T-S


Aire AcondicionAdo

16.4 Humedad Absoluta (w)

16.5 El ClimaAire Saturado:Cuando el vapor en la mezcla est saturado, entonces es igual a 1 o 100%.

Punto de Roco:Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se enfra isobricamente.En el punto de roco 0 = 1 100%.Escarcha, granizo, nieve: aire hmedo saturado a T



16.5 Proceso de Saturacin Adiabtica PROCESO DE SATURACIN ADIABTICA

Para definir el estado de una mezcla de gases ideales y vapores condensables, no es suficiente conocer las propiedades P, T, V, debemos tener informacin adems de la composicin de sta. En el caso particular del aire hmedo sera suficiente por ejemplo conocer la humedad absoluta (w = mv / ma) y esto es posible mediante un

saturador adiabtico 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 (lquido saturado h = hf) se evapore exactamente la cantidad suficiente para que en la salida sea

saturada, es decir humedad relativa 100 %.


Aire AcondicionAdo

Es importante observar que con la expresin anterior, es posible conocer la humedad absoluta del aire hmedo en cuestin, si conocemos P, T1 y T2 que son fciles de obtener experimentalmente (sirve para medir la

humedad del aire)



16.7 Temperatura de Bulbo Hmedo (Tbh)

Los subndices h y s, denotan temperatura de bulbo hmedo y seco, respectivamente. Notar que Tbs es la Temperatura de la

Mezcla.

Psicrmetro de bolsillo. Humedad relativa HR de 10 a 100 %. Temperatura de -5 C

a 50 C- US 63.. Marca Ertco

Psicrmetro tipo vaivn. HR de 10 a 100%. Temperaturas de -

5C a 50C.

Tbs Tbh

P Psicrometro


Aire AcondicionAdo

Ventilador Joy con paletas

regulables

Rodete y ventilador de plancha de acero.

Rodete y caja del ventilador con la tapa desmontada.

Los ventiladores se disean segn el flujo de aire que queramos.



16.8 Carta PsicromtricaCARTA PSICROMTRICA

Es un diagrama que tiene como ordenada la humedad absoluta y como abscisa la temperatura de bulbo seco. En l estn trazadas tambin las lneas de humedad relativa constante, las de temperatura de bulbo hmedo constante, de entalpa especifica y volumen especifico aire-vapor. La Carta Psicromtrica se construye para una presin de la

mezcla constante.


Aire AcondicionAdo



16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire

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

Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.Humedad: humedecer y/o secarLimpieza.Movimiento.

Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aqu algunas de las principales:- Industria Textil, industria fotogrfica, imprenta.- Salas de cmputo, auditorios, instalaciones mdicas, instalaciones bancarias.- Conservacin de productos, secado de productos.

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

Calor transferido a travs 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.

FRIO

SECO

HUMEDOHAY UN ERROR EN ESTE GRFICO, CUL

ES?


Aire AcondicionAdo

PROCESOS EN PSICROMETRIALos procesos ms comunes en Psicometra, son los que analizaremos a continuacin.

1) Calentamiento sensible.En estos procesos no hay vaporizacin ni condensacin 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 Psicromtrica, entre los lmites de temperatura de bulbo seco de entrada y salida.

Para el calentamiento, podemos representar un conducto a travs del cual fluye aire que es

calentado por medio de una resistencia elctrica.

Equipos: Resistencia ElctricaIntercambiadores (caldera)

Caractersticas:

No cambia la humedad absoluta, slo aumentan la temperatura.

Estufa Hi-Tech de 7 paneles



2) Enfriamiento sensible


Aire AcondicionAdo

3) Deshumidificacin



Evaporadores

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

Ventilador 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 pequeas habitaciones. Extremadamente silenciosos. 1/3 HP. Ventilador 18.


Aire AcondicionAdo

4) Humidificacin y Enfriamiento



5) Humidificacin 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 aguaCaractersticas:

Cambian la humedad y aumentan la temperatura.


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6) Secado



Mezcla Adiabtica de Aire (Cines)

1) Mezcla adiabtica.Se trata de dos flujos de aire de diferentes condiciones, que se juntan en un mezclador adiabtico con dos entradas y una salida y que salen mezclados. El proceso se puede representar en la Carta Psicomtrica mediante una recta que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla estar ubicado sobre dicho segmento de recta,

dividindolo en dos partes proporcionales a la variacin de la humedad especfica de cada flujo.

MUCHOS ERRORES EN ESTAS

FRMULAS, CUALES SON?

DIBUJE EL ESQUEMA DEL AIRE

ACONDICIONADO DE UN CINE


Aire AcondicionAdo

16.10 Torres de Enfriamiento

ESCRIBA LAS ECUACIONES DE ENERGA Y MASA EN LAS TORRES DE



Probl. 1 : (Usando Frmulas)

Por un conducto se hace pasar 0.35 kg/s de aire hmedo a 1 bar. Se instala un psicmetro donde se aprecia que la temperatura de bulbo seco es 30 C y la de bulbo hmedo 25 C. Determinar:a) La humedad absoluta del aire hmedo.b) La presin parcial del vapor y la humedad relativac) El flujo de masa de aire seco y vapor.

d) El volumen especfico de vapor.

Problemas

En el curso solamente trabajaremos con la carta psicromtrica, este problema es solo para conocer el


Aire AcondicionAdo

Prob. 2.-Cual es la humedad relativa del aire atmosfrico cuya humedad especfica es de 0.0163 kg vapor/ kg

aire seco, a 30 C y a 1 bar?



Probl 3 : Usando Carta Psicomtrica.

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

d) El calor entregado por la resistencia.


Aire AcondicionAdo



4. Una mezcla de aire seco y vapor de agua ingresa a una unidad de acondicionamiento de aire a una presin de 2 bar y 30C 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, 20C y f=100%. El

lquido condensado sale a 20C. Calcular el calor transferido, en kW.


Aire AcondicionAdo

5. Se tiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presin 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 presin constante, a qu temperatura empezar la condensacin?c)Qu cantidad de vapor se condensar si la mezcla se enfra a 10C, mantenindose constante la presin total?d)Si la mezcla original se calienta hasta 40 C, a presin constante, Cul ser la humedad relativa final?e)Si para el caso d) se requiere alcanzar nuevamente una humedad relativa de 70%. Qu cantidad de

agua tendr que agregarse si este se encuentra a 40C?



Sistema de RefrigeracinCon R-12 como portador de energa y que consta de:Evaporador instalado en la zona E con tubo extractor de condensado


Aire AcondicionAdo

4. CLCULOS Y GRFICOS. Realizar el balance trmico de los calentadores.. Realizar el balance trmico del evaporador.. Representar los procesos en una carta psicromtrica.

. Comparar el caudal de condensado medio con el evaluado con la ayuda de la carta psicromtrica.


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