UT 3 - EL AIRE ATMOSFÉRICO. HIGROMETRÍA

UT 3 - EL AIRE ATMOSFÉRICO. HIGROMETRÍA

4.1.- El aire atmosférico. Composición.

El aire que se encuentra a nuestro alrededor se compone de una mezcla de gases secos (aire seco), vapor de agua en suspensión e impurezas.

El conocimiento de la cantidad de agua que existe en el aire es indispensable en la industria textil, del papel, farmacéutica, etc., así como en las instalaciones de aire acondicionado.

4.1.2.- Aire seco.

El aire puro o seco es una mezcla de gases, que contiene, aproximadamente, 78% de

Nitrógeno, 21% de Oxígeno, y menos del 1% de gases enrarecidos (Argón, Neón, Helio, Criptón y Xenón). A este aire seco se le puede considerar normalmente como un gas perfecto.

4.1.3.- Vapor de agua.

El vapor de agua en suspensión existe en muy poca cantidad, y se mide en gramos de vapor por kg de aire seco (g/Kg de aire seco). Puede encontrase en cualquiera de los dos estados siguientes:

 Vapor saturado: Vapor que no puede contener más cantidad de agua en forma de vapor a una determinada temperatura. Se caracteriza porque con una mínima disminución de temperatura provoca que se inicie su condensación. En este caso, la presión ejercida por el vapor se denomina tensión, presión máxima o presión de saturación “p

”.

 Vapor recalentado o sobrecalentamiento: Vapor que no se encuentra en estado de saturación, es decir, que admite un descenso de temperatura sin condensarse. Su presión es menor que la de saturación, y el vapor de agua que se encuentra en suspensión en el aire, se encuentra a menudo en estado de vapor recalentado a la temperatura que se considere.

4.1.4.- Impurezas.

Las impurezas que se encuentran en el aire suelen ser bacterias y microorganismos, que están en suspensión.

4.2.- Términos básicos del aire atmosférico.

4.2.1.- Temperatura.

 Temperatura normal o de bulbo seco: Es la temperatura indicada por un termómetro ordinario.

 Temperatura normal o de bulbo húmedo: Es la temperatura indicada por un

termómetro ordinario, cuyo bulbo de ha recubierto con una gasa saturada de agua,

hallándose emplazado en una corriente de aire lo suficientemente rápida para dirigir

sin cesar aire fresco contra dicha gasa mojada.

 Temperatura de rocío:

 Temperatura de rocío: Es la temperatura de saturación, es decir, la temperatura en la que el aire húmedo, enfriado lentamente, llega a su saturación. A dicha temperatura, un débil enfriamiento provoca la aparición de escarcha (condensación de vapor), que se deposita en forma de rocío sobre los objetos cercanos.

4.2.2.- Humedad.

 Humedad absoluta o específica (w): También denominada razón de humedad, representa el peso real de vapor de agua en el aire.

La cantidad de vapor de agua que puede contener el aire húmedo varía con la temperatura y aumenta en función de ella. Se valora en gramos por Kg de aire seco (g/Kg de aire seco).

Cuando el aire húmedo, a una temperatura determinada, contiene la máxima cantidad de vapor de agua que puede contener por Kg de aire seco, se dice que existe saturación, o más corrientemente, que el aire está saturado.

 Humedad relativa o grado higrométrico (e ó ϕ

): Es la relación entre la masa de vapor de agua contenida en un determinado volumen de aire, y la masa que contendría ese mismo volumen de aire si estuviera saturado, a la misma temperatura. Se expresa normalmente en %:

4.2.3.- Volumen específico.

Es el volumen ocupado, a la presión atmosférica normal (1,013 bar), por 1Kg de la mezcla de aire seco y vapor de agua.

4.2.4.- Calor del aire húmedo.

 Calor sensible: Es la cantidad de calor de aire seco, expresado en Kcal/Kg de aire seco.

Se refleja por la temperatura de bulbo seco.

 Calor latente: Es el calor requerido para evaporar la humedad que contiene una cantidad determinada de aire. Esta evaporación ocurre a la temperatura de bulbo húmedo, y se expresa en Kcal/Kg.

 Calor total o entalpía: El contenido de calor total o entalpía de la mezcla de aire seco y vapor de agua, corresponde a la suma de los valores de calor latente y sensible, expresado en Kcal/Kg de aire seco. Cuando hablamos de acondicionamiento de aire, lo que nos interesan son diferencias de entalpía.

4.3.- Higrometría.

4.3.1.- Generalidades.

La higrometría es la ciencia que tiene por objeto la determinación de la cantidad de vapor de

agua contenido en el aire y fluidos gaseosos en general.

Existen dos métodos para medir la humedad del aire:

1. Medición de la humedad absoluta.

2. Medición de la humedad relativa.

La industria frigorífica emplea los dos métodos citados; el primero para verificar la sequedad del aire utilizado en fábrica para la construcción y almacenaje de los elementos de las instalaciones (compresores, condensadores, etc.), y el segundo, para controlar la humedad relativa del aire de las cámaras frigoríficas o de las instalaciones de acondicionamiento de aire, a fin de asegurar que las condiciones de funcionamiento están de acuerdo con las previsiones establecidas al calcular la instalación.

4.3.2.- Mediciones absolutas.

En la práctica frigorífica corriente, las mediciones absolutas de la humedad del aire atmosférico apenas se utilizan. Se trata de mediciones que requieren grandes precauciones operativas para que puedan ser precisas, y se practican casi exclusivamente en laboratorio.

4.3.3.- Mediciones relativas.

Los aparatos usados en refrigeración para medir la humedad relativa del aire, son generalmente los higrómetros de cabello o de película celulósica, y también los psicrómetros y ábacos psicrométricos.

Las diferencias esenciales entre ambos métodos son las siguientes:

 Los higrómetros son aparatos de lectura directa, mientras que los psicrómetros necesitan para su utilización unas condiciones particulares de puesta en marcha, y además disponer de tablas o ábacos para la interpretación de las lecturas efectuadas.

 Los higrómetros deben contrastarse periódicamente, a fin de controlar la exactitud de las indicaciones facilitadas.

 Los psicrómetros son similares entre sí, de tal forma, que las tablas y ábacos psicrométricos establecidos, pueden servir para todos los tipos de psicrómetros utilizados en condiciones idénticas a las existentes en la confección de los ábacos.

4.4.- Cartas o ábacos psicrométricos.

4.4.1.- Generalidades.

La carta o ábaco psicométrico es probablemente el mejor modo de mostrar lo que le sucede al aire húmedo cuando cambian algunas de sus características.

En él se representan todas las magnitudes anteriormente citadas: temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, temperatura de rocío, humedad específica, humedad relativas, volumen específico y entalpía, de forma que mediante el diagrama, conocidas dos de las variables, podemos obtener todas las demás.

Hay que resaltar que se construye una carta psicrométrica para cada presión, ya que dicha

magnitud afecta a todas las demás.

4.4.2.- Construcción del diagrama o ábaco psicrométrico.

Para la construcción del diagrama se fijan dos variables para los ejes de coordenadas, y se investigan las relaciones de las demás con las dos magnitudes elegidas.

Concretamente, se fijan la humedad específica (w) en ordenadas (escala vertical) y la temperatura seca o normal en abscisas (escala horizontal).

Como hemos expuesto anteriormente, para cada temperatura del aire hay un contenido máximo de vapor de agua que puede contener (humedad máxima). Representando ésta en el diagrama nos aparece la curva de saturación.

El siguiente elemento en el diagrama es la construcción de las líneas de humedad relativa, para condiciones parcialmente saturadas.

Sabemos que la humedad relativa es 100% en la línea de saturación. Pueden dibujarse líneas para 80%, 60%, 40%, etc., ya que sabemos el contenido de humedad específica en relación a las temperaturas.

Como ejemplo, (ver figura anterior) un Kg de aire a 18ºC de bulbo seco (punto A) tendrá 13g

de agua en la saturación (100% de humedad relativa). El punto B (50% de HR) puede

localizarse aproximadamente a 6,5g de agua (13/2 g). El mismo método puede utilizarse para cada temperatura de bulbo seco, y eventualmente se dibuja una línea que representa el 50%

de humedad relativa. Pueden dibujarse líneas similares para diferentes condiciones de humedad relativa.

La temperatura de bulbo húmedo también refleja la cantidad de humedad en el aire. El grado de evaporación en el psicrométrico determina la depresión de bulbo húmedo por debajo de la temperatura de bulbo seco, es decir, cuanto mayor sea la evaporación, mayor va a ser la diferencia entre la lectura dada por el termómetro de bulbo húmedo y el seco.

De esta forma, sabemos que para una determinada temperatura de bulbo seco y una depresión de bulbo húmedo, le corresponde una humedad relativa concreta. Por ejemplo: en la siguiente figura, para una humedad de bulbo seco de 18ºC y una depresión de bulbo húmedo de 3ºC (es decir, 15ºC de BH), sabemos que la humedad relativa es de un 73% (punto A). Si se bajara la temperatura de bulbo seco a 16ºC manteniendo la temperatura de bulbo húmedo a 15ºC, se tendría una depresión de bulbo húmedo de 1ºC, y le correspondería una humedad relativa del 90% (punto B). Conectando los puntos A y B creamos una línea de bulbo húmedo constante.

La temperatura de bulbo húmedo se lee en la línea de saturación, a causa de que en ese punto no se puede contener más humedad, y viene a ser igual a la temperatura de bulbo seco.

Esto completa la construcción de la carta psicrométrica simplificada (ver siguiente figura).

Aunque no es 100% precisa, esta descripción pretende ayudar a entender las relaciones de las líneas en la carta real.

Recordemos que si se conocen dos de las cinco propiedades del aire, las otras tres pueden

hallarse en la carta psicrométrica, localizando el punto de intersección de las líneas que

representan las dos condiciones conocidas.

Además de esta información básica, los diagramas psicrométricos, según sea su complejidad, pueden aportar información en forma de diferentes escalas para las siguientes magnitudes:

 Volumen específico (m

/Kg): Es el número de metros cúbicos ocupados por un Kg de aire.

Puesto que el aire es menos denso, cuanto mayor sea la temperatura ocupará mayor volumen. Así por ejemplo, si 1Kg de aire seco a 25ºC ocupa un volumen de 0,84m

, al calentarlo hasta 31ºC, el volumen ocupado será de 0,86m

.

Estos volúmenes específicos se usan principalmente para verificar el comportamiento del ventilador y para determinar los tamaños del motor del ventilador en aplicaciones de alta y baja temperatura.

 Entalpía (Kcal/Kg): Es el contenido de calor total de la mezcla de aire y de vapor de agua. La entalpía es muy útil para determinar la cantidad de calor añadido o retirado del aire en un proceso dado. Se encuentra en la tabla psicrométrica siguiendo las líneas de temperatura de bulbo húmedo; pasando la línea de saturación está la escala de entalpía.

4.4.3.- Procesos en el diagrama psicrométrico.

4.4.3.1.- Introducción.

El grado de utilización de la carta psicrométrica depende de la actividad para la que se precise.

En la mayoría de los casos, un técnico de aire acondicionado usa únicamente las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo para determinar el comportamiento del sistema (conocidas dos variables, tenemos determinadas las otras tres magnitudes fundamentales).

Otras de las utilidades del diagrama se relacionan a continuación.

4.4.3.1.- Determinación de la temperatura de rocío (punto de rocío).

En la siguiente figura tomamos una muestra de aire (punto A) con una temperatura de bulbo seco de 30ºC que contiene 8g/Kg de humedad. Si fuéramos a calentar el aire sin añadir humedad, el punto se movería a la derecha sobre una línea horizontal mostrando un incremento de temperatura de bulbo seco, sin cambiar su contenido de humedad.

Si fuéramos a añadir humedad (humidificar) sin cambiar la temperatura de bulbo seco, el

punto se movería verticalmente hacia arriba. Si se redujera la humedad (deshumidificar) se

movería verticalmente hacia abajo. Si se añade temperatura y humedad, el punto se movería

hacia arriba y a la derecha, y si el aire fuera enfriado sin cambiar su contenido de humedad, el

punto se movería horizontalmente a la izquierda.

Continuando con el ejemplo (ver siguiente figura), si al muestra de aire se enfría, eventualmente alcanza la línea de saturación (punto B) en donde no puede contener más vapor de agua, y con un enfriamiento posterior, se empezaría a condensar algo de ese vapor.

Esta se conoce como TEMPERATURA DE ROCÍO de la muestra (10,5ºC). Puede leerse en la intersección de la línea vertical de la temperatura de bulbo seco y la línea de saturación.

Ahora (figura siguiente), si la muestra se enfría más, por ejemplo a 7ºC de BS, la humedad se condensará siguiendo la línea de saturación hasta el punto C, en donde tendrá un punto de rocío de 7ºC y una humedad específica de 6,2g/Kg. Así la muestra ha perdido 1,8g/Kg de humedad. Se ha enfriado y deshumidificado.

4.4.3.3.- Mezclas de aire.

En la mayoría de los sistemas de aire acondicionado, habrá aire de ventilación del exterior que se mezcla con el aire que retorna del local a la unidad.

Si mezclamos dos tipos distintos de aire, cada uno tiene un punto de representación en el diagrama. Mediante el diagrama psicrométrico se puede calcular el punto, y por tanto, averiguar las características de la mezcla.

En la figura siguiente, el sistema maneja 600m

/min. (m

) de aire total. De éstos, 120m

/min.,

son de aire exterior (m

) a 35ºC BS y 25,5ºC BH, y el resto de aire interior a 27ºC BS y 19,5ºC

BH. ¿Cuáles son las características de la mezcla?

En primer lugar, determinamos los porcentajes que representan en la mezcla a cada tipo de aire:

A continuación, multiplicamos cada porcentaje de aire por su correspondiente temperatura de bulbo seco, para encontrar la contribución de cada uno en la mezcla:

X

· t

BS = 0,8 · 27 = 21,6ºC X

· t

BS = 0,2 · 35 = 7ºC

El aire mezclado, tendrá por tanto, una temperatura de bulbo seco:

X

· t

+ X

· t

= 21,6 + 7 = 28,6ºC BS

Teniendo en cuenta, además, que en el diagrama psicrométrico el punto de la mezcla se encontrará sobre la recta que une los dos puntos de partida (aire interior y aire exterior), tendremos localizado el punto que indica el aire de la mezcla (ver figura siguiente) y que se corresponde con:

Temperatura BS ... 28,6ºC Temperatura BH ... 20,8ºC Humedad relativa ... 50%

Humedad específica ... 12,3 g/Kg

Punto de rocío ... 17,2ºC