I Unidad: Psicrometra

I Unidad: PsicrometraAsignatura: Balance de Materia y EnergaIng. Mara Elena Ramrez01/02/2013Contenidos:Psicrometra y sus aplicacionesMezclas saturadas y no saturadas de gases y vaporTemperatura de roco y temperatura de burbujaTemperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo hmedoLa carta psicromtrica (lectura de propiedades)Clculos psicromtricos para procesos de secado, calentamiento, enfriamiento, condensacin y saturacin adiabtica.La Regla de la Palanca.

1.1 Psicrometra y sus aplicaciones

Introduccin:

La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) define el acondicionamiento del aire como: "El proceso de tratar el aire, de tal manera, que se controle simultneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribucin, para que cumpla con los requisitos del espacio acondicionado".

Como se indica en la definicin, las acciones importantes involucradas en la operacin de un sistema de aire acondicionado son:

1. Control de la temperatura.

2. Control de la humedad.

3. Filtracin, limpieza y purificacin del aire.

4. Circulacin y movimiento del aire.

Conocer el Balance de Materia y Energa es fundamental para saber cunta cantidad de masa y energa tanto calrica o fra se requiere para tener un producto finalizado. La masa y energa que entran, salen y se acumulan en el sistema.

Psicrometra:

Habla del estudio de las propiedades termodinmicas del aire como calor, trabajo y energa.

Psicrometra es una palabra que impresiona, y se define como la medicin del contenido de humedad del aire. Ampliando la definicin a trminos ms tcnicos, psicrometra es la ciencia que involucra las propiedades termodinmicas del aire hmedo, y el efecto de la humedad atmosfrica sobre los materiales y el confort humano.

Ampliando an ms, incluiramos el mtodo de controlar las propiedades trmicas del aire hmedo. Lo anterior, se puede llevar a cabo a travs del uso de tablas psicromtricas o de la carta psicromtrica.

La importancia es que influyen en la conservacin de los alimentos principalmente los alimentos frescos en los cuales se debe controlar la humedad del ambiente, la temperatura y la produccin de CO2 (Dixido de Carbono) al igual que la composicin del aire. En la conservacin de frutos secos se debe proteger al producto de la humedad del ambiente.

La psicrometra est relacionada con el diseo de empaques y embalaje de los alimentos. Tambin en la postcosecha de granos, es de importancia el estudio de la psicrometra para disear los mtodos de secado.

Aplicaciones en la industria

Secado de alimentos

Humidificacin y Deshumidificacin

Almacenamiento

Refrigeracin

Fermentacin de alimentos

Climatizacin de plantas industriales y laboratorios

Aire y Humedad y las Tablas Psicromtricas

Cul es el significado de humedad relativa? Cmo se produce la condensacin de la humedad en un serpentn de enfriamiento? Por qu "suda" un ducto de aire fro?

Las respuestas a las preguntas anteriores, tienen que ver con las propiedades de la mezcla de aire y vapor de agua (humedad). El conocimiento de estas propiedades, es requisito para el acondicionamiento del aire en forma apropiada y econmica.

Propiedades del Aire

Puesto que nosotros podemos movernos tan libremente en el aire, podramos suponer que el aire no tiene peso, o por lo menos, tiene tan poco peso, que es despreciable.

El aire s tiene peso, y es sorprendentemente pesado. Su densidad (o peso por metro cbico) vara, siendo mayor a nivel del mar (donde es comprimido por todo el aire encima del mismo) que en la cima de una alta montaa.

El aire, no es un vapor saturado que est cercano a temperaturas donde pueda ser condensado. Es siempre un gas altamente sobrecalentado, o ms precisamente, es una mezcla de gases altamente sobrecalentados.

Podemos enfriar o calentar el aire, limpiarlo y moverlo, pero esto no cambia significativamente sus propiedades; ya que, los relativamente pequeos cambios de temperatura que le hagamos, slo causan pequesimos cambios en el volumen y la densidad.

Si el aire seco se calienta, se expande; y su densidad disminuye, cuando la presin permanece constante. Inversamente, si se enfra el aire seco, aumenta su densidad. An ms, las temperaturas, densidades, volmenes y presiones, todas varan proporcionalmente.

AIRE SECO

Nombre

Smbolo Qumico

% en peso

% en volumen

Nitrgeno

N2

75.47

78.03

Oxgeno

O2

23.19

20.99

Dixido de Carbono

CO2

0.04

0.03

Hidrgeno

H2

0.00

0.01

Gases raros

----

1.30

0.94

Gases que componen al aire en la atmsfera

El aire como ya vimos, tiene peso, densidad, temperatura, calor especfico y adems, cuando est en movimiento, tiene momento e inercia. Retiene sustancias en suspensin y en solucin. El aire tiene conductividad trmica, pero sta es muy pobre.

Debido a que el aire tiene peso, se requiere energa para moverlo. Una vez en movimiento, el aire posee energa propia (cintica).

La energa cintica del aire en movimiento, es igual a la mitad de su masa, multiplicada por el cuadrado de su velocidad. La velocidad se mide en metros por segundo. De acuerdo a la ecuacin de Bernoulli, al aumentar la velocidad disminuye la presin.

La densidad del aire, vara con la presin atmosfrica y la humedad. Un kilogramo de aire seco en condiciones normales (21C y 101.3 kPa), ocupa 0.8329 metros cbicos, tal como se puede apreciar en la tabla Propiedades del aire seco a la presin atmosfrica. (Ver anexo)

El calor especfico del aire, es la cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura de un kilogramo de aire en un grado centgrado. El valor del calor especfico del aire seco, a nivel del mar, es 0.244 kcal/kg C.

Propiedades del Vapor de Agua (Humedad)

Humedad: presencia de vapor de agua en el aire.

El vapor de agua en el aire hmedo est en sus condiciones de saturacin o muy prxima a ellas por encima. 2/3 partes de la superficie de la tierra es Agua.

El vapor de agua se produce a cualquier temperatura.

El vapor ejerce una presin definida encima del agua independientemente de si el espacio encima de agua contiene aire (la presin del aire no ejerce efecto sobre la presin de vapor)

1.2 Mezclas saturadas y no saturadas de gases y vapor

Vaporizacin: El agua al ser sometido al calor, se forman burbujas que cuando explotan empiezan a liberar vapor de agua al espacio.

Cuando un gas o una mezcla gaseosa permanecen en contacto con una superficie lquida, tomar vapor del lquido hasta que la presin parcial del vapor en la mezcla gaseosa sea igual a la presin de vapor del lquido a la temperatura a la que se encuentra.

Cuando la concentracin de vapor alcanza este equilibrio se dice que el gas est saturado de vapor.

Donde:

P = Presin (Pa)

F= Fuerza (Newton(N) =kg*m/s2)

A= Unidad de rea (metro cuadradom2)

Saturacin Parcial:

Las mezclas no saturadas se dice que tienen una saturacin parcial. Si un gas posee vapor en proporciones tales que su presin parcial es menor que la presin de vapor del lquido a la temperatura a la que se encuentra, la mezcla est parcialmente saturada.

Presin de vapor:

La vaporizacin y condensacin a temperatura y presin constantes son procesos en equilibrio y la Presin de equilibrio se denomina Presin de Vapor

El volumen del componente puro del vapor en un gas saturado puede calcularse aplicando la ley de gases ideales:

Vv = V*(Pv/P)

Donde:

Vv = Volumen del componente puro del vapor

Pv= Presin parcial del vapor = presin de vapor del lquido a la temperatura a la que se encuentre.

V = Volumen total

P = Presin Total

1.3 Temperatura de roco y de burbuja

Temperatura de roco (Tpr)

Es la temperatura a la cual se inicia la condensacin si el aire se enfra a presin constante, es decir es la temperatura de saturacin del agua a la presin parcial del vapor.

Es la temperatura a la cual se condensa la primera gota de agua.

Los puntos de roco se refieren a la temperatura y presin a la cual un sistema condensa.

Cuando, por ejemplo, en una habitacin se comienzan a empaar los vidrios ocurre que se ha llegado al punto de saturacin de la humedad del local y al descenso de la temperatura esa humedad precipita, condensndose sobre las superficies. El roco matutino sobre las hojas de las plantas es un ejemplo similar. (Salazar, sf)

Temperatura de burbuja:

Es la temperatura a la cual el lquido est listo para vaporizarse, es la temperatura que se libera en la superficie.

Los puntos de burbuja, temperatura y presin por su parte, se refieren a las condiciones en las cuales en un sistema se inicia la ebullicin. En el simple hecho de calentar agua, al momento en que se ve la primera burbuja de vapor de agua formarse, se ha llegado a las condiciones de burbuja. (Salazar, sf)

1.4 Temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo

Antes de conocer las definiciones de temperatura de bulbo hmedo y seco, es necesario conocer la diferencia que existe entre Humedad Relativa y Humedad Absoluta.

Humedad Relativa (HR): es la razn entre la presin de vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presin de vapor de agua cuando el aire est saturado.

La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relacin con la mxima humedad absoluta que podra admitir sin producirse condensacin, conservando las mismas condiciones de temperatura y presin atmosfrica. (Prez, 2008; Prez, 2008)

Donde=

Pa = Presin parcial de vapor

Pas = Presin del vapor a saturacin.

Vara entre 0 y 1

Humedad Absoluta: Representa la masa de vapor de agua presente en una masa unitaria de aire seco.

Es la cantidad devapor de agua(generalmente medida en gramos) por unidad de volumen de aire ambiente (medido en metros cbicos).

Es uno de los modos de valorar la cantidad de vapor contenido en el aire, lo que sirve, con el dato de la temperatura, para estimar la capacidad del aire para admitir o no mayor cantidad de vapor.

Ha = g de humedad /kg de aire seco

Relacin entre Humedad Especfica o Absoluta () y Humedad Relativa ()

- La humedad relativa cambia con la temperatura, pero la humedad especfica se mantiene constante.

- La humedad especfica es la cantidad real de vapor contenida en una unidad msica de aire seco.

- La humedad relativa es la proporcin entre la cantidad real de humedad en el aire y la mxima cantidad de humedad que puede contener el aire a esa temperatura.

Temperatura de bulbo seco (Tbs)

Es la temperatura medida con un termmetro ordinario, esta corresponde a la temperatura verdadera del aire hmedo, la temperatura del aire atmosfrico se conoce como temperatura de bulbo seco. (Villamar, 2003)

Temperatura de bulbo humedo (Tbh)

Temperatura a la cual el vapor de agua comienza a condensarse. Es la temperatura medida con un termmetro que tiene el bulbo envuelto en una mecha hmeda. (Villamar, 2003)

Si el aire est saturado (=1) Tbs = Tbh

En el ambiente Tbs > Tbh

Bsicamente, un termmetro de bulbo hmedo no es diferente de un termmetro ordinario, excepto que tiene una pequea mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo.

Si esta mecha se humedece con agua limpia, la evaporacin de esta agua disminuir la lectura (temperatura) del termmetro. Esta temperatura se conoce como de bulbo hmedo (bh). Si el aire estuviese saturado con humedad (100% hr), la lectura de la temperatura en el termmetro de bulbo hmedo, sera la misma que la del termmetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr normalmente es menor de 100% y el aire est parcialmente seco, por lo que algo de la humedad de la mecha se evapora hacia el aire. Esta evaporacin de la humedad de la mecha, provoca que la mecha y el bulbo del termmetro se enfren, provocando una temperatura ms baja que la del bulbo seco.

Mientras ms seco est el aire, ms rpida ser la evaporacin de la humedad de la mecha. As que, la lectura de la temperatura del bulbo hmedo, vara de acuerdo a qu tan seco est el aire. (Psicrometra Cap 13, sf)

1.5 La carta psicomtrica

Aire

El aire normal, conocido como aire hmedo en psicrometra est constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua.

El aire seco es una mezcla de varios gases, siendo la composicin general la siguiente:

Nitrgeno 77%

Oxgeno 22%

Dixido de carbono y otros gases: 1%

El aire tiene la capacidad de retener una cantidad variable de vapor de agua en relacin a la temperatura del aire. A menor temperatura, menor cantidad de vapor y a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua; a presin atmosfrica constante.

Definicin:

Una carta psicromtrica, es una grfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, hr, volumen, presin, etc. Las cartas psicromtricas se utilizan para determinar, cmo varan estas propiedades al cambiar la humedad en el aire.

Prez, J. (2008). Carta Psicromtrica Definicin de parmetros. Recuperado el 22 de Febrero de 2013, de http://htca.us.es/materiales/perezdelama/0809_etsas/0809_arq_medioambiente/200904_resumen_carta_psicrometrica.pdf

Salazar, F. (sf). Determinacin de Puntos de Roco y de Burbuja. Recuperado el 22 de Febrero de 2013, de http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_01_QUI01.pdf

Psicrometra Cap 13. (sf). Recuperado el 22 de Febrero de 2013, de www.valycontrol.com.mx/mt/mt_cap_13.pdf

Villamar, C. (Mayo de 2003). Psicrometra. Recuperado el 22 de Febrero de 2013, de webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/villamar/.../PSICROMETRIA.pps

ANEXOS

Propiedades del aire seco a la presin atmosfrica.

Propiedades del vapor de agua saturado

8

Ing. Mara Elena RamrezBMYE2M1 IAI

AS

A

R

p

p

H

100

=