UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA
División de Ciencias Básicas e Ingeniería
Licenciatura en Ingeniería en Energía
“SEMINARIO DE PROYECTOS I Y II”
SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO
ALUMNO: CRUZ RAMÍREZ LUIS ALBERTO ASESOR : M. C. RAÚL LUGO LEYTE
Diciembre del 2001
i
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi padre que con su ejemplo me ha demostrado que en la vida siempre hay que trabajar duro y superarse día a día; a mi madre que con su paciencia y cariño siempre me ha brindado palabras de aliento que me ha motivado a lograr nuestro sueño; a mi hermana y su familia que me han brindado su apoyo y cariño sin condición; a mi hermano que a su manera me ha apoyado y muy en especial a Ana Lilia que es la persona que me ha brindado todo su apoyo incondicional en cada palabra de motivación que ha dado calma a mi corazón y, sobre todo, a Dios que me ha permitido lograr lo que algún día me pareció imposible.
Objetivo
OBJETIVO
Mediante el uso de la psicrometría cuantificar los parámetros de las variables termodinámicas importantes de la mezcla aire seco y vapor de agua mediante la solución de problemas relacionados con el acondicionamiento de aire, utilizando como herramienta las tablas y la carta psicrométrica con el fin de obtener un ambiente controlado dentro de un espacio determinado en el que se garantice el confort de las personas en su interior así como de los procesos industriales, tanto para verano como para invierno; abordando problemas ideales para posteriormente resolver problemas prácticos que sirva como una herramienta para aquellas personas que incursionan en el área del aire acondicionado.
ÍNDICE GENERAL
PÁG.
DEDICATORIA i
OBJETIVO ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Representación gráfica del calor sensible y del calor
latente en un diagrama Temperatura - Entropía 5 Figura 2.2. Representación gráfica de la humedad relativa en un
diagrama Temperatura - Entropía 10 Figura 2.3. Representación gráfica de los diferentes procesos
que ocurren al enfriarse o expandirse la mezcla de
aire y vapor de agua en un diagrama Temperatura - Entropía 15 Figura 2.4. Representación esquemática de la Ley de
Dalton de las presiones aditivas 23 Figura 2.5. Representación esquemática de la Ley de
Amagat de los volumenes aditivos 27 Figura 2.6. Gráfico comparativo del incremento de la temperatura en
el termómetro de bulbo seco con la temperatura del
termómetro de bulbo húmedo 30
Figura 2.7. Carta psicrométrica a temperaturas normales
y presión barométrica de 101.325 kPa 32 Figura 2.8. Líneas de temperatura de bulbo seco 33 Figura 2.9. Líneas de temperatura de bulbo húmedo 34 Figura 2.10. Líneas de temperatura de punto de rocío 35
Figura 2.11. Líneas de humedad relativa 36
Figura 2.12. Líneas de humedad absoluta 37
Figura 2.13. Líneas de entalpía de saturación 38
Figura 2.14. Líneas de volumen específico 39
Figura 3.1. Proceso de humidificación 41
Figura 3.2. Proceso de deshumidificación 42
Figura 3.3. Proceso de enfriamiento sensible 43
Figura 3.4. Proceso de enfriamiento y humidificación 44 Figura 3.5. Proceso de enfriamiento y deshumidificación 45
Figura 3.6. Proceso de calentamiento sensible 47
Figura 3.7. Proceso de calentamiento y humidificación 48 Figura 3.8. Proceso de calentamiento, humidificación y recalentamiento 48
Índice General
PÁG.
Figura 3.9. Proceso de calentamiento y deshumidificación 49 Figura 3.10. Diagrama esquemático de un sistema de desvío de una
mezcla de aire exterior y de aire de retorno 51 Figura 3.11. Dibujo esquemático de un sistema de desvío de aire
de retorno solamente 51
Figura 4.1. Ejemplo del uso de la carta psicrométrica 78 Figura 4.2. Localización de las propiedades termodinámicas en la carta
psicrométrica 81
Figura 4.3. Ejemplo del cambio de calor sensible y del calor latente 85 Figura 4.4. Ejemplo en el que se muestra el cambio de calor sensible
al enfriar aire 87
Figura 4.5. Gráfico que representa el enfriamiento sensible del aire al pasar a través del serpentín de un equipo de aire
acondicionado 89
Figura 4.6. Ejemplo de un proceso de calentamiento y humidificación 91 Figura 4.7. Calentamiento y humidificación en un equipo acondicionador 92 Figura 4.8. Ejemplo de un proceso de aire de retorno solamente 97 Figura 4.9. Ejemplo de la mezcla de aire exterior y aire de retorno 101 Figura 4.10. Ejemplo de un enfriamiento sensible 105 Figura 4.11. Ejemplo de un enfriamiento y deshumidificación 114 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Composición del aire seco 6
Tabla 2.2. Propiedades del aire seco a la presión atmosférica 7 Tabla 2.3. Propiedades del vapor de agua saturado 11 Tabla 2.4. Propiedades de mezclas de aire seco y vapor de agua saturado 17 Tabla 2.5. Presión atmosférica a diferentes altitudes 19 Tabla 2.6. Conversión de humedad relativa exterior-interior 31 Tabla 3.1. Factores de desvio típicos de diferentes aplicaciones 54 Tabla 3.2. Factores de desvío típicos para serpentines aletados 56
NOMENCLATURA VI
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 2. CONCEPTOS GENERALES 4
2.1 PSICROMETRÍA 4
2.1.1 Propiedades del aire 4
2.1.2 Propiedades del vapor de agua (humedad) 8
2.1.3 Aire saturado 9
2.1.4 Humedad relativa (hr) 10
2.1.5 Humedad absoluta (ha) 12
2.1.6 Humedad específica (ω) 13
2.1.7 Porcentaje de saturación 14
2.1.8 Temperatura de punto de rocío (tpr) 14
2.1.9 Humedad específica (g/kilogramo de aire seco) 16 2.1.10 Entalpía de las mezclas de aire y vapor de agua 18
2.2 ANÁLISIS DE LA CAMPOSICIÓN DE LAS MEZCLAS GASEOSAS 20 2.2.1 Relaciones pvt para mezclas de gases ideales 22
Ley de Dalton de las presiones aditivas 23
Ley de Amagat y Leduc de los volumenes aditivos 25
2.3 CARTA PSICROMÉTRICA 28
2.3.1 Temperatura de bulbo seco (tbs) 28
2.3.2 Temperatura de bulbo húmedo (tbh) 28
2.3.3 Psicrómetro 30
2.3.4 Humedad relativa para interiores 31
2.3.5 Cartas psicométricas 31
Líneas de temperatura de bulbo seco 33
Líneas de temperatura de bulbo húmedo 34
Líneas de temperatura de punto de rocío 35
Líneas de humedad relativa 36
Líneas de humedad específica 37
Líneas de entalpía 38
Líneas de volumen específico 39
CAPÍTULO 3. PROCESOS PSICROMÉTRICOS 40
3.1 Introducción 40
3.2 Enfriamiento sensible 40
3.3 Deshumidificación (remoción de humedad) 41
3.4 Enfriamiento y deshumidificación 42
3.5 Humidificación 43
3.6 Enfriamiento y humidificación 44
3.7 Calentamiento sensible 46
3.8 Calentamiento y deshumidificación 47
3.9 Calentamiento y humidificación 49
3.10 Mezclado de aire a diferentes condiciones 50
Índice General
PÁG.
3.11Temperatura de superficie efectiva (tse) 50
3.12 Factor de calor sensible del cuarto (FCSC) 52
3.13 Gran factor de calor sensible 52
3.14 Cantidad de aire requerido (aire de abastecimiento) 52
3.15 Factor de desvio 54
3.16 Función del serpentin 55
3.17 Factor de calor sensible efectivo (FCSE) 57
3.18 Cantidad de aire usando FCSE, el tpra y el FD 57
CAPÍTULO 4. EJEMPLOS PRÁCTICOS 59
4.1 Manejo de las tablas de aire seco, vapor de agua y mezclas de
aire y vapor de agua saturada 59
4.1.1 Cálculo de la humedad absoluta 59
4.1.2 Cálculo de la presión, volumen específico y masa del aire seco 61
4.1.3 Calentamiento 63
4.1.4 Cálculo de la humedad relativa 65
4.1.5 Cálculo del calor total 68
4.1.6 Enfriamiento 70
4.1.7 Humidificación 74
4.2 Manejo de los conceptos fundamentales dentro de la carta
psicrométrica 75
4.2.1 Temperatura de punto de rocío 75
4.2.2 Humedad relativa 76
4.2.3 Humedad relativa, humedad específica y temperatura de punto
de rocío 76
4.3 Propiedades termodinámicas en la carta psicrometrica 79
4.3.1 Temperatura de punto de rocío 79
4.3.2 Humedad específica 79
4.3.3 Humedad relativa 79
4.3.4 Volumen específico 80
4.3.5 Densidad 80
4.3.6 Entalpía de saturación 80
4.3.7 Calor sensible y calor latente 82
4.3.8 Calor sensible en el proceso de enfriamiento de aire 86
4.3.9 Calentamiento y humidificación 89
4.4 Mezcla de aire a diferentes condiciones 94
4.4.1 Aire de retorno solamente 94
4.4.2 Mezcla de aire exterior y aire de retorno 98
4.4.3 Factor de calor sensible del cuarto (FCSC) 100
4.4.4 Gran factor de calor sensible (GFCS) 102
4.4.5 Enfriamiento sensible 103
4.4.6 Enfriamiento y deshumidificación 111
CONCLUSIONES 121
REFERENCIAS 124
BIBLIOGRAFÍA 125
Nomenclatura
NOMENCLATURA
T Temperatura; [°C], m Masa; [kg],
Mm Masa molecular promedio; [g/mol], mm Masa total de la mezcla; [kg], y Fracción molar; [-],
p Presión; [kPa], ρ Densidad; [kg/ m3], mf Fracción masa; [-],
N Número de moles; [moles],
Ru Constante de los gases; [J/gmolºC], ha Humedad absoluta; [g/m3],
hr Humedad relativa; [%],
ω Humedad específica; [g/kg de aire seco], V Volumen; [m3],
CST Calor sensible total; [kJ/kg], ν Volumen específico; [m3/Kg],
tpr Temperatura de punto de rocío; [ºC], pv Presión de vapor; [kPa],
pd Presión de saturación; [kPa], ρv Densidad del vapor; [kg/ m3], ρd Densidad de saturación; [kg/ m3],
ω1 Humedad específica en el punto de rocío del mezcla del aire seco y vapor de agua; [g/kg de aire seco]
ωs Humedad específica en el punto de saturación; [g/kg de aire seco], tbs Temperatura de bulbo seco; [ºC],
tbh Temperatura de bulbo húmedo; [ºC], hT Calor total; [kJ/kg],
h Calor sensible; [kJ/kg],
hl Calor latente; [kJ/kg],
E Eficiencia de humidificación; [-],
FCSC Factor de calor sensible del cuarto; [-], hsc Calor sensible del cuarto; [kJ/kg], hlc Calor latente del cuarto; [kJ/kg], htc Calor total del cuarto; [kJ/kg], GFCS Gran factor de calor sensible; [-], hst Calor sensible total; [kJ/kg], hlt Calor latente total; [kJ/kg], GCT Gran calor total; [kJ/kg],
CSC Calor sensible del cuarto; [kJ/kg],
tc Temperatura de bulbo seco del cuarto; [ºC],
taa Temperatura de bulbo seco del aire de abastecimiento; [ºC],
tm Temperatura de bulbo seco de la mezcla que entra al aparato acondicionado; [ºC],
tas Temperatura de bulbo seco del aire que sale al aparato de aire acondicionado; [ºC],
tae Temperatura de bulbo seco del aire que entra al aparato de aire acondicionado; [ºC],
tse Temperatura de superficie efectiva; [ºC],
tpra Temperatura del punto de rocío del aparato; [ºC],
ωae Contenido de humedad a la entrada de aire; [g/kg de aire seco], ωas Contenido de humedad a la salida de aire; [g/kg de aire seco], ωpra Contenido de humedad a la tpra; (g/kg de aire seco),
has Entalpía de salida del aire; [kJ/kg], hae Entalpía de entrada del aire; [kJ/kg], hpra Entalpía en el tpra; (kJ/kg de aire seco), FCSE Factor de calor sensible efectivo; [-], CSCE Calor sensible del cuarto efectivo; [kJ/kg],
Nomenclatura
CLCE Calor latente del cuarto efectivo; [kJ/kg],
m&ae Flujo másico del aire exterior; [kg/min],
m&ar Flujo másico del aire de retorno; [kg/min],
ρtae Densidad del aire exterior a la temperatura de bulbo seco;[kg/ m3],
ρtar Densidad del aire de retorno a la temperatura de bulbo seco; [kg/ m3],
νtae Volumen específico del aire exterior a la temperatura de bulbo seco;
[m3/Kg],
νtar Volumen específico del aire de retorno a la temperatura de bulbo seco;
[m3/Kg],
QT Calor total agregado;[kJ/kg], A Área frontal del serpentín; [m2],
Vaes Velocidad del aire entrando al serpentín ; [m/min].
SUBÍNDICES m Mezcla
i i-ésimo elemento v Vapor
d Aire saturado a Aire
INTRODUCCIÓN
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 simultáneamente su temperatura, humedad relativa, limpieza y distribución, para que cumpla con los requerimientos del espacio acondicionado”.
Como se indica en la definición, las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema de aire acondicionado son:
1. Control de la temperatura.
2. Control de la humedad.
3. Filtración, limpieza y purificación del aire.
4. Circulación y movimiento del aire.
El acondicionamiento completo del aire, proporciona el control automático de estas condiciones, tanto para el verano como para el invierno. El control de temperatura en verano se logra mediante un sistema de refrigeración, y en invierno, mediante una fuente de calor. El control de humedad en verano requiere de deshumidificadores, lo que se hace normalmente al pasar el aire sobre la superficie fría del evaporador. En invierno, se requiere de humidificadores, para agregar humedad al aire en el sistema de calentamiento. La filtración de aire, en general, es la misma en verano que en invierno. El acondicionamiento de aire en casas, edificios o en industrias, se hace por dos razones principales: proporcionar confort al ser humano, y para un confort más completo del proceso de manufactura; el control de la temperatura y la humedad, mejora la calidad del producto terminado.
Capítulo 1 Introducción
La climatización en espacios cerrados se ha convertido en una necesidad. En gran parte para lograr que sus condiciones de habitabilidad, cumplan las exigencias de confort de sus ocupantes para obtener una mayor satisfacción de permanencia en el lugar y en otros casos como equipamiento fundamental del espacio para satisfacer la buena función de las personas.
La utilización de la climatización en un espacio determinado, en especial de los edificios utilizados a servicios públicos, oficinas, bibliotecas, etc., que se encuentran entre los primeros lugares en la utilización de un ambiente controlado, y en segundo lugar se encuentran los edificios destinados al esparcimiento como son centros deportivos, museos, cines, etc.
En cualquier caso los equipos de climatización constituyen hoy en día uno de los equipos más importantes de un edificio. La finalidad de las instalaciones de acondicionamiento de aire es, fundamentalmente, la de crear en los diferentes ambientes condiciones más satisfactorias para la permanencia de las personas en éstos.
Para poder determinar la influencia de los diferentes factores ambientales sobre el bienestar de las personas es necesario estudiar la relación que existen entre dichas personas y el ambiente en el que permanece o vive. De manera resumida, se puede decir que el organismo humano, como consecuencia de sus complejos procesos metabólicos, produce una cierta cantidad de calor. Esta energía calorífica es transmitida al exterior por convección, radiación y evaporación, de manera que, en condiciones de reposo, la temperatura del cuerpo humano varía entre límites muy estrechos, debiendo existir una igualdad entre el calor producido y el eliminado.
El intercambio de energía entre el hombre y el ambiente depende de la temperatura, humedad relativa del aire, velocidad, temperatura de las paredes del lugar,
El organismo humano altera la composición del aire de los ambientes en los que vive, elevando el porcentaje de CO2, disminuyendo el de O2, emitiendo sustancias aromáticas, humo de tabaco y elevando la concentración de bacterias patógenas [1].
El filtrado del aire exterior introducido es conveniente no solo bajo el punto de vista de la salud de los ocupantes, sino porque, a demás, reduce los gastos de mantenimiento de los ambientes acondicionados. La eliminación del polvo es particularmente necesaria para los enfermos de asma y para las personas que presentan algún tipo de alergias [2].
Sobre el aspecto de cuáles son las condiciones de confort ideales se han realizado multitud de experimentos sobre conjuntos de personas, con objeto de determinar los parámetros de las variables que entran en juego en la sensación de bienestar de las personas, ya que resulta erróneo asimilar la “sensación de confort” únicamente a una variable como la temperatura. Así, se ha demostrado experimentalmente que la humedad relativa y la velocidad del aire tienen una gran importancia en la “sensación de confort“, por cuanto contribuye de una manera notable a facilitar o dificultar la evaporación de agua producida en la transpiración. Incluso la existencia de superficies frías y/o calientes alrededor de las personas condiciona su “sensación de confort" debido a la radiación de calor que se establece desde estas superficies hacia ellas [3].
Capítulo 2 Conceptos Generales
CAPÍTULO 2
CONCEPTOS GENERALES
En este capítulo, se presentan los fundamentos del aire acondicionado, las propiedades del aire y la humedad.
2.1 Psicrometría
Psicrometría se define como la medición del contenido de humedad del aire.
Ampliando la definición, psicometría es la ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano. Ampliando aún más, se incluye el método de controlar las propiedades termodinámicas del aire húmedo. Lo anterior se puede llevar a cabo a través del uso de tablas psicrométricas o de la carta psicrométrica.
2.1.1 Propiedades del aire
El aire es una mezcla de gases incolora, inodora e insabora que rodea a la Tierra. El aire que envuelve a la Tierra se conoce como atmósfera. Se extiende a una altura de hasta aproximadamente 645 km y se divide en varias capas. La capa más cercana a la tierra se le llama tropósfera, y va desde el nivel del mar hasta los 15 km. La capa que se extiende desde los 15 hasta los 50 km se le llama estratosfera. La capa desde los 50 hasta los 95 km se le llama mesosfera y desde los 95 a los 400 km se le llama ionosfera. El aire no es un vapor saturado que esté cercano a temperaturas donde pueda ser condensado. Es siempre un vapor altamente sobrecalentado, o es una mezcla de gases altamente sobrecalentados. Así, cuando se calienta o enfría aire seco, solamente se está agregando o quitando calor sensible como se representa en la Figura 2.1.
El aire atmosférico es una mezcla de oxígeno, nitrógeno, bióxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua y un porcentaje muy pequeño de gases raros como argón, neón, ozono, etc. En la Tabla 2.1 se muestran los porcentajes de estos gases, tanto en peso, como en volumen, para el aire seco (sin vapor de agua).
La masa molecular de la mezcla es la suma del producto de la fracción de cada elemento por su peso molecular y se expresa como:
∑=
= k
i yiMi Mm
1
(2-1)
con base a la Tabla 2.1, se tiene:
...
01 . 44 4 * 10 4 . 3 948 . 39 4 * 10 4 . 3 32
* 209496 .
0 016 . 28
* 78084 .
0 + + − + − +
= x x
Maire
g/mol 9645
.
= 28 Maire
Figura 2.1. Representación gráfica del calor sensible y calor latente en un diagrama T - s
s T
Calor latente
Calor sensible Calor
sensible
1
2
3 4
Capítulo 2 Conceptos Generales
Tabla 2.1. Composición del aire seco
SUSTANCIA FÓRMULA MASA MOLECULAR (g/mol)
COMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA
Nitrógeno N2 28,016 0.78084000
Oxígeno 02 32,000 0.20949600
Argón Ar 39,948 0.00934000
Dióxido de carbono CO2 44,010 0.00031400
Neon Ne 20,183 0.00001818
Helio He 4,0026 0.00000524
Metano CH4 16,03188 0.00000200
Dióxido de azufre SO2 64,064 0.00000100
Hidrógeno H2 2,01594 0.00000050
Criptón Kr 83,800 0,00000200
Ozono 03 48,000 0,00000200
Xenón Xe 131,300 0,00000200
Fuente: ASHRAE, 1977
Cada uno de estos gases que componen el aire, se comporta de acuerdo a la ley de Dalton. Esta ley dice que una mezcla de dos o más gases, pueden ocupar el mismo espacio en un determinado tiempo, y que cada uno actúa independientemente de los otros, como sí los otros no estuvieran allí.
Tabla 2.2. Propiedades del aire seco a la presión atmosférica
VOLUMEN
ESP. DENSIDAD ENTALPÍA
VOLUMEN
ESP. DENSIDAD ENTALPÍA TEMP. ºC
(m3/kg) (kg/m3) (kJ/kg)
TEMP. ºC
(m3/kg) (kg/m3) (kJ/kg) -15 0.7304 1.3691 2.8145 18 0.8244 1.2130 36.1640 -14 0.7332 1.3638 3.8198 19 0.8274 1.2086 37.1688 -13 0.7363 1.3581 4.8247 20 0.8302 1.2044 38.1972 -12 0.7391 1.3530 5.8296 21 0.8329 1.2006 39.2020 -11 0.7422 1.3473 6.8344 22 0.8360 1.1961 40.2069 -10 0.7453 1.3416 7.8628 23 0.8389 1.1920 41.2353 -9 0.7480 1.3369 8.8676 24 0.8419 1.1880 42.1656 -8 0.7511 1.3313 9.8725 25 0.8446 1.1839 43.2450 -7 0.7538 1.3266 10.8778 26 0.8474 1.1800 44.2733 -6 0.7563 1.3222 11.8869 27 0.8501 1.1763 45.0689 -5 0.7591 1.3173 12.9106 28 0.8529 1.1725 46.2831 -4 0.7619 1.3125 13.9155 29 0.8556 1.1687 47.3114 -3 0.7650 1.3072 14.9208 30 0.8583 1.1650 48.3163 -2 0.7678 1.3024 15.9257 31 0.8612 1.1611 49.3212 -1 0.7706 1.2977 16.9352 32 0.8645 1.1567 50.3495 0 0.7734 1.2928 17.9589 33 0.8672 1.1531 51.3544 1 0.7756 1.893 18.9638 34 0.8700 1.1494 52.3593 2 0.7790 1.2837 19.9686 35 0.8727 1.1458 53.4110 3 0.7822 1.2784 20.9970 36 0.8756 1.1420 54.3925 4 0.7850 1.2739 22.0014 37 0.8786 1.1382 55.3974 5 0.7878 1.2693 23.0067 38 0.8816 1.1343 56.4257 6 0.7908 1.2645 24.0351 39 0.8843 1.1308 57.4306 7 0.7933 1.2605 25.0395 40 0.8871 1.1273 58.4589 8 0.7961 1.2562 26.0448 41 0.8900 1.1236 59.4638 9 0.7988 1.2518 27.0543 42 0.8932 1.1196 60.4687 10 0.8015 1.2476 28.0780 43 0.8957 1.1164 61.4735 11 0.8044 1.2431 29.0829 44 0.8987 1.1127 62.5019 12 0.8076 1.2381 30.0878 45 0.9014 1.1093 63.5067 13 0.8104 1.2339 30.9767 46 0.9042 1.1059 64.5351 14 0.8131 1.2297 32.1210 47 0.9073 1.1021 65.5399 15 0.8159 1.2256 33.1259 48 0.9100 1.0988 66.5545 16 0.8188 1.2213 33.9913 49 0.9129 1.0954 67.5782 17 0.8217 1.2168 35.1591 50 0.9158 1.0919 68.6249 Fuente: Manual Técnico Valycontrol.
Capítulo 2 Conceptos Generales
Esto es, si un cuarto está completamente lleno de aire, también está completamente lleno de oxígeno, de nitrógeno, vapor de agua, etc., cada uno independiente del otro.
Realmente, el aire seco no es un gas puro, ya que es una mezcla como se mencionó anteriormente, y por lo tanto, no se comporta exactamente a las leyes de los gases, pero los gases que lo componen son verdaderos gases, para propósitos prácticos en este capítulo se considera esta mezcla de gases (aire seco sin vapor de agua) como un solo compuesto, que sigue la ley de los gases.
El estado termodinámico del aire queda definido con su densidad, temperatura y calor específico además retiene sustancias en suspensión y en solución. La densidad del aire, varía con la presión atmosférica, temperatura y la humedad relativa.
RT p V
m =
=
ρ (2-2)
v
a p
p
p = + (2-3)
d v
p
hr = p (2-4)
2.1.2 Propiedades del vapor de agua (humedad)
La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire, ya sea a la intemperie, o en el interior de un espacio. Se hace énfasis en que la humedad está “en el aire”, solamente en el sentido de que los dos, aire y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo. En Tabla 2.3 se muestran las propiedades del vapor de agua saturado. Los valores de la segunda columna son las presiones del vapor que corresponden a las temperaturas de la primera columna;
este vapor se conoce como “saturado”, porque es todo el vapor de agua que puede contenerse en ese espacio a esa temperatura.
Es importante aclarar que no hay diferencia, si hay o no aire en ese espacio; la presión será la misma, ya que ésta depende totalmente de la temperatura. En la tercera columna de la Tabla 2.3, se dan los valores del volumen específico. Estos indican el volumen en m3, que ocupa un kilogramo en forma de vapor de agua saturado. En la cuarta columna se tienen los valores de la densidad en kg/m3. En la quinta y sexta columnas, se da el peso del vapor de agua en dos unidades: en gramos por metro cúbico (g/m3) en el sistema internacional, y en “granos” por pie cúbico (granos/pie3) en el sistema inglés. La cantidad de vapor de agua que contiene el aire, es tan pequeña, que para fines prácticos, se utilizan gramos en lugar de kilogramos ó “granos” en lugar de libras. El “grano” (grain) es una unidad comúnmente utilizada en cálculos psicrométricos en aire acondicionado. Es una unidad tan pequeña que se requiere 15,415 granos para formar un kilogramo. Para fines prácticos, se considera que una libra es casi de 7,000 granos. En la columna 8 de la Tabla 2.3 se muestran los valores del calor latente del vapor de agua, a temperaturas desde 0 ºC hasta 49 ºC. Estos valores son la cantidad de calor en kJ que se requieren para cambiar un kilogramo de agua de líquido a vapor a la misma temperatura. La columna 9 es el calor total, y es la suma del calor sensible más el calor latente. El contenido de calor (o entalpía), como se muestra en la Tabla 2.3, está basada en un kilogramo de vapor de agua de peso.
2.1.3 Aire saturado
Significa un estado de aire húmedo, a una determinada temperatura, en donde la porción de vapor de agua ha llegado al máximo posible, y un intento de aumentar la cantidad de vapor de agua en dicho aire ocasionará su condensación en forma de agua en estado líquido o la formación de niebla (agua en estado líquido en suspensión). Este es el fenómeno que ocurre cuando a un determinado aire húmedo, que contiene una cantidad de vapor de agua determinada, se le somete a una disminución de su temperatura.
Capítulo 2 Conceptos Generales
Al disminuir ésta, la presión parcial del vapor de agua de la mezcla disminuye por debajo de la presión de saturación correspondiente a la nueva temperatura y el exceso de vapor de agua, que es capaz de contener el aire húmedo a esa temperatura, se condensa en forma de agua en estado de fase líquida. Este proceso es uno de los más habituales en el proceso de climatización del aire, cuando se enfría para su tratamiento en régimen de refrigeración.
2.1.4 Humedad relativa (hr)
La humedad relativa (hr), expresa la relación de la presión parcial del vapor en el aire con la presión de saturación del vapor correspondiente a la temperatura existente de la muestra. O bien, es la relación de la densidad del vapor de agua en el aire con la densidad de saturación a la temperatura correspondiente tal como se muestra en la Figura 2.2. En base a las definiciones anteriores la humedad relativa se expresa en por ciento y se puede obtener a partir de la siguiente ecuación:
100
* 100
*
hr
=
=
d v d
v
p p
ρ
ρ (2-5)
Figura 2.2. Representación gráfica de la humedad relativa
s T
Temperatura de punto de rocío
Punto de rocío c d
1 Pv1
P T
PESO DEL VAPOR PRESIÓN DE VAPOR
(ABSOLUTA)
Humedad Absoluta
ENTALPÍA kJ/kg TEMP.
DE SAT.
ºC kPa
VOLUMEN ESPECIFICO
m3/kg Densidad kg/ m3
g/ m3 granos/pie3 Sensible Latente Total
0 0.61 206.32 0.004847 4.48 2.11 0 2502.40242 2502.40242
1 0.65 194.10 0.005152 5.15 2.25 4.187 2499.09469 2503.28169
2 0.7 179.58 0.005569 5.57 2.43 8.374 2496.62436 2504.99836
3 0.76 168.18 0.005946 5.95 2.60 12.561 2494.11216 2506.67316
4 0.81 157.40 0.006353 6.35 2.77 16.748 2491.64183 2508.38983
5 0.87 147.14 0.006796 6.79 2.97 20.935 2489.29711 2510.23211
6 0.93 137.74 0.007260 7.26 3.18 25.122 2486.78491 2511.90691
7 1.00 129.04 0.007750 7.75 3.38 29.309 2484.44019 2513.74919
8 1.07 120.95 0.008268 8.27 3.61 33.496 2482.01173 2515.50773
9 1.15 113.39 0.008819 8.82 3.85 37.683 2479.75075 2517.43375
10 1.23 106.37 0.009401 9.40 4.10 41.87 2478.82961 2520.69961
11 1.31 99.90 0.01001 10.01 4.37 46.057 2474.9357 2520.9927
12 1.40 93.82 0.01066 10.66 4.66 50.244 2472.67472 2522.91872
13 1.50 88.13 0.01135 11.35 4.96 54.431 2470.24626 2524.67726
14 1.60 82.85 0.01207 12.07 5.27 58.618 2467.85967 2526.47767
15 1.70 77.97 0.01283 12.83 5.60 62.805 2465.59869 2528.40369
16 1.82 73.35 0.01363 13.63 5.96 66.992 2463.25397 2530.24597
17 1.94 69.09 0.01447 14.47 6.32 71.179 2460.78364 2531.96264
18 2.06 65.07 0.01537 15.37 6.72 75.366 2458.52266 2533.88866
19 2.20 61.32 0.01631 16.31 7.13 79.553 2456.05233 2535.60533
20 2.33 57.81 0.01730 17.30 7.56 83.74 2453.70761 2537.44761
21 2.48 54.54 0.01834 18.34 8.01 87.927 2451.40476 2539.33176
22 2.64 51.48 0.01943 19.43 8.48 92.114 2448.93443 2541.04843
23 2.83 48.60 0.02058 20.58 8.99 96.301 2446.63158 2542.93258
24 2.98 45.91 0.02178 21.78 9.52 100.488 2444.20312 2544.69112
25 3.16 43.38 0.02305 23.05 10.07 104.675 2441.8584 2546.5334
26 3.36 41.02 0.02438 24.38 10.65 108.862 2439.55555 2548.41755
27 3.56 38.80 0.02577 25.77 11.26 113.049 2437.21083 2550.25983
28 3.78 36.72 0.02723 27.23 11.90 117.236 2434.53115 2551.76715
29 4.00 34.76 0.02876 28.76 12.57 121.423 2432.35391 2553.77691
30 4.24 32.91 0.03038 30.38 13.27 125.61 2430.26041 2555.87041
31 4.49 31.18 0.03207 32.07 14.01 129.797 2427.91569 2557.71269
32 4.75 29.56 0.03383 33.83 14.78 133.984 2425.44536 2559.42936
33 5.03 28.03 0.03568 35.68 15.59 138.171 2423.18438 2561.35538
34 5.32 26.59 0.03761 37.61 16.43 142.358 2420.71405 2563.07205
35 5.62 25.23 0.03964 39.64 17.32 146.545 2418.36933 2564.91433
36 5.94 23.96 0.04174 41.74 18.24 150.732 2415.85713 2566.58913
37 6.27 22.88 0.04370 43.70 19.09 154.919 2413.59615 2564.32815
38 6.63 21.62 0.04625 46.25 20.21 159.106 2411.16769 2570.27369
39 6.99 20.55 0.04866 48.66 21.26 163.293 2408.7811 2572.0741
40 7.38 19.54 0.05118 51.18 22.36 167.48 2406.2689 2573.7489
41 7.78 18.58 0.05382 53.82 23.52 171.667 2404.00792 2575.67492
42 8.08 17.69 0.05653 56.53 24.70 175.854 2401.62133 2577.47533
43 8.64 16.83 0.05942 59.42 25.97 180.041 2399.48596 2579.52696
44 9.10 16.03 0.06238 62.38 27.26 184.228 2396.72254 2580.95054
45 9.58 15.27 0.06549 65.49 28.62 188.415 2394.41969 2582.83469
46 10.09 14.55 0.06873 68.73 30.03 192.602 2391.90749 2584.50949
47 10.62 13.88 0.07205 72.05 31.48 196.789 2389.60464 2586.39364
48 11.17 13.02 0.07680 76.80 33.56 200.976 2387.13431 2588.11031
49 11.75 12.42 0.08052 80.52 35.18 205.163 2384.87333 2590.03633
Fuente: Manual Técnico Valycontrol.
Capítulo 2 Conceptos Generales
La relación de presiones de vapor en 1 y d (Figura 2.2), pv1/pd, con base a la ecuación (2-5), se le llama humedad relativa (hr). Obsérvese que la humedad relativa de un vapor sobrecalentado puede, en consecuencia, expresarse por la presión real del vapor (pv1)dividida por la presión saturación (pd)correspondiente a la temperatura del vapor. Al aplicar estas nociones al aire atmosférico, decimos que el aire que contiene vapor saturado (estados d, c ó cualquier otro sobre la línea de vapor saturado) es aire saturado, lo que se quiere decir es que su vapor de agua es saturado.
Sin embargo tal aire (u otro gas) está “saturado” con vapor de agua (u otro vapor) en el sentido en que no puede haber un aumento en la cantidad de vapor de agua (u otro vapor) en el aire (o gas) en tanto que la presión total y la temperatura de la mezcla permanezcan constantes.
La humedad relativa también se define como la relación de la fracción mol del vapor de agua presente en el aire, con la fracción mol del vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura y presión constante.
Para conocer la humedad relativa del aire, se calcula usando los valores de la densidad del vapor de agua saturado y la del vapor de agua sobrecalentado. Otro método para calcularla, es utilizando los valores de la presión del vapor, en lugar de las densidades. Es más preciso y es el que se recomienda utilizar; ya que la presión de vapor, es la que realmente determina la velocidad de evaporación, y por lo tanto, en el acondicionamiento de aire es lo que directamente afecta el confort, la conservación de alimentos y la mayoría de los demás procesos.
2.1.5 Humedad absoluta (ha)
El término “humedad absoluta” (ha), se refiere a la relación entre la masa de vapor de agua y el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua .
La masa de vapor de agua expresado en libras o granos por cada pie cúbico de espacio se llama “humedad absoluta”. Esta unidad de volumen, generalmente es un espacio de un metro cúbico (o un pie cúbico). En este espacio, normalmente hay aire también, aunque no necesariamente. La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo las condiciones establecidas; es decir la humedad relativa es una comparación con la humedad absoluta a la misma temperatura, si el vapor de agua está saturado. Tanto la humedad absoluta, como la relativa, están basadas en el peso del vapor de agua en un volumen dado.
La humedad absoluta puede obtenerse mediante la siguiente ecuación:
O O
2 2
H vap, seco
aire
H vap,
V V
ha m
= + (2-6)
2.1.6 Humedad específica (ω)
La humedad específica (ω), o también llamada contenido de humedad, es el peso del vapor de agua en gramos por kilogramo de aire seco ( o bien, granos por libra).
a v
m
= m
= masadelaireseco agua de vapor del
ω masa (2-7)
La humedad específica, se refiere a la cantidad de humedad en peso, que se requiere para saturar un kilogramo de aire seco, a una temperatura de saturación (punto de rocío) determinada. En la cuarta y quinta columna de la Tabla 2.3, se muestran estos valores en gramos por kilogramo de aire seco (en el sistema internacional), y en granos por libra de aire seco (en el sistema inglés). La humedad específica es muy similar a la humedad absoluta, excepto que esta última, está basada en gramos por metro cúbico, y la humedad específica, está basada en gramos de humedad por kilogramo de aire seco.
Capítulo 2 Conceptos Generales
2.1.7 Porcentaje de saturación
El porcentaje de saturación (o porcentaje de humedad), es un término que algunas veces se confunde con la humedad relativa. El porcentaje de saturación, es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco. Esto se puede expresar de la siguiente manera:
100
* saturación
de
Porcentaje 1
= ωd
ω (2-8)
donde:
ω1 = humedad específica en el punto de rocío de la mezcla del aire seco y vapor de agua
ωd = humedad específica en el punto de saturación.
2.1.8 Temperatura de punto de rocío (tpr)
La temperatura de punto de rocío se define como la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La humedad relativa de una muestra de aire puede determinarse por su punto de rocío. Existen varios métodos para determinar la temperatura del punto de rocío.
Un método para determinar el punto de rocío con bastante precisión, es colocar un fluido volátil en un recipiente de acero inoxidable; después, se agita el fluido con un aspirador de aire. Un termómetro colocado dentro del fluido indicará la temperatura del fluido y del recipiente. Mientras se está agitando, debe de observarse cuidadosamente la temperatura a la cual aparece una niebla por fuera del recipiente del metal. Esto indica la temperatura de rocío.
La niebla por fuera del recipiente, no es otra cosa que la humedad en el aire, que comienza a condensarse sobre el mismo. No deben emplearse fluidos inflamables o explosivos para esta prueba. Otro medio para determinar el punto de rocío indirectamente, es con un instrumento llamado psicrómetro, el cuál se describirá más adelante dentro del capítulo Cartas Psicrométricas. Este método se basa en las temperaturas de “bulbo húmedo” y la de “bulbo seco”, las cuales se definirán más adelante.
Si el aire que se encuentra en el estado 1 se enfría a presión constante, de la misma forma su vapor se enfriará a presión constante (considerándose todos los componentes de la mezcla como gases ideales). Eventualmente, se alcanza cierta temperatura por debajo de la cual se produce la condensación del H2O del aire; se dice que esta temperatura es el punto de rocío del aire (proceso 1 - c).
Figura 2.3. Representación gráfica de los diferentes procesos que ocurren al enfriarse o expandirse la mezcla de aire y vapor de agua en un diagrama T – s.
Capítulo 2 Conceptos Generales
Si se enfría aire atmosférico (a partir del estado 1) existiendo una caída de presión por debajo de su temperatura de punto de rocío, c (por ejemplo hasta el estado b en la Figura 2.3, en que la temperatura es tb), algo de su vapor se condensará necesariamente, pero el vapor restante en tb estará saturado, y a una presión menor que pv1; la presión del vapor pvb es la presión de saturación correspondiente a la temperatura tb. Suponiendo generalmente que el líquido formado al enfriar una mezcla de gas - vapor por debajo de su punto de rocío se separa por sedimentación, lo que sucedería si se le diera tiempo suficiente, y que el vapor que queda es saturado (las neblinas atmosféricas contienen pequeñas gotitas de H2O).
2.1.9 Humedad específica (g/ kg de aire seco)
En el acondicionamiento de aire se manejan cuartos o edificios de un volumen determinado; así que es necesario considerar las mezclas de aire y humedad, pero generalmente, es más simple determinar a partir de dichos volúmenes, los kilogramos de aire y de vapor de agua que se manejarán.
En la Tabla 2.4, se muestran las propiedades de las mezclas de aire seco y vapor de agua saturado, en un rango amplio de temperaturas. Estos valores están basados en un kilogramo de aire seco saturado con humedad a una presión total de 1.013 bar (101.3 kPa). La primera columna corresponde nuevamente a la temperatura de saturación en grados centígrados. Las columnas dos y tres corresponden al volumen específico en m3/kg y a la densidad en kg/m3, respectivamente, de mezcla de aire seco y humedad.
La columna 4, muestra la cantidad de humedad por peso en gramos, que se necesitan para saturar (100% de hr) el espacio ocupado por un kilogramo de aire seco, a la temperatura de la columna 1. La columna cinco es similar, pero en unidades del sistema inglés, es decir, en granos de humedad requeridos para saturar el espacio ocupado por libra de aire seco a la temperatura de la columna 1.
