CARTA PSICROMETRICALa 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. El acondicionamiento completo de aire, proporciona el control automtico de estas condiciones, tanto para el verano como para el invierno. El control de temperatura en verano se logra mediante un sistema de refrigeracin, 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 fra del evaporador. En el invierno, se requiere de humidificadores, para agregarle humedad al aire en el sistema de calentamiento. La filtracin del 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 humano, y para un control ms completo del proceso de manufactura; el control de la temperatura y la humedad, mejora la calidad del producto terminado. Para acondicionar aire en un espacio, se requiere tener conocimientos bsicos de las propiedades del aire y la humedad, del clculo de cargas de calentamiento y de enfriamiento, manejo de las tablas o carta psicromtrica, y del clculo y seleccin de equipo. Tambin se requiere del conocimiento y manejo de instrumentos, como term- metros de bulbo seco y de bulbo hmedo (psicrmetro), el higrmetro, tubo de pitot, registradores, manmetros y barmetros.

I. DEFINICIN:

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

II. PROPIEDADES DEL AIRE:

Mezcla de Gases Incolora, Inodora e Inspida Masa que cubre a la tierra: Atmsfera..645km-Tropsfera: 15 km desde el nivel del mar.-Estratsfera: de 15 a 50 km.-Messfera: de 50 a 95 km-Ionsfera: 95 a 400 km Tiene peso: 101.325 kPa (1.033 kg/cm) al nivel del mar Es una mezcla de gases altamente sobrecalentado

Existen muchos tipos de cartas psicromtricas, cada una con sus propias ventajas. Algunas se hacen para el rango de bajas temperaturas, algunas para el rango de media temperatura y otras para el rango de alta temperatura. A algunas de las cartas psicromtricas se les ampla su longitud y se recorta su altura; mientras que otras son ms altas que anchas y otras tienen forma de tringulo. Todas tienen bsicamente la misma funcin; y la carta a usar, deber seleccionarse para el rango de temperaturas y el tipo de aplicacin.

En una carta psicomtrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia son las siguientes: 1. Temperatura de bulbo seco (bs). 2. Temperatura de bulbo hmedo (bh). 3. Temperatura de punto de roco (pr) 4. Humedad relativa (hr). 5. Humedad absoluta (ha). 6. Entalpa (h). 7. Volumen especfico. Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de la carta.

III. DEFINICIONES BASICAS:

Normalmente al hablar de humidificacin se hace referencia al estudio demezclasde aire y vapor de agua; en lo que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas constituidas por ungasy un vapor lasecuacionesque indicaremos a continuacin.Suponiendo que elcomportamientode la mezcla cumple con lasleyesde losgasesideales, lapresintotal ejercida por la mezcla ser igual a la suma de la presin parcial del gas y de la presin parcial del vapor; o sea:

P = PV + P0

En estas condiciones la fraccin molar del vapor es:

Es decir, la fraccin molar es igual a la composicin envolumen.A continuacin definiremos los conceptos involucrados en la operacin de humidificacin, as como tambin se presentaran ejemplos prcticos por cadaconceptosegn corresponda.

HUMEDAD MOLAR O SATURACIN MOLAREs la relacin entre los nmeros de moles de vapor y de gas contenidos en una determinada masa gaseosa.

HUMEDAD ABSOLUTA O SATURACIN ABSOLUTAEs una razn de peso, Es la relacin entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa sobre unidad de peso de aire seco ( lb aire/ lb de aire seco)

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y el gas.Para el caso de la mezcla aire agua, el contenido en humedad se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Las unidades en que se expresan el contenido de humedad son kg de agua/kg aire seco. Es as que tomando para el aire un peso molecular medio igual a 29, tendremos:

Ejemplo de aplicacin:

En una mezcla de vapor de tolueno y nitrgeno a 80 C y 740 mm de Hg, la presin parcial del tolueno es 150 mm de Hg. Calclese la concentracin de tolueno:a.en fraccin molarb.en saturacin molarc.en saturacin absolutaPeso molecular del tolueno = 92Peso molecular del nitrgeno = 28

Solucin:

AIRE SATURADO

Es el aire que no permite la entrada o salida de vapor de agua (aire que est en equilibrio)LA PRESION PARCIAL DEL VAPOR DE AGUA ES EXACTAMENTE IGUAL A LA PRESION DE SATURACION, TENSION DE VAPOR, PRESION DE EQUILIBRIO DE LA FASE LIQUIDA A LA TEMPERATURA QUE SE HAYA LA MEZCLA.

HUMEDAD RELATIVA:

Representa el grado de acercamiento que tiene la rpesion parcial del vapor de agua en la fase gaseosa, con la presin de saturacin del vapor de agua a la misma temperatura. p =p = aire saturado al 100%

HUMEDAD PORCENTUAL

Es la humedad absoluta del aire a la humedad absoluta del aire saturada.

Cuando Hp = HR = 0

CALOR ESPECIFICO DEL AIRE

Es el calor que necesita una unidad de peso de aire seco ms H, para elevar 1 de su temperatura.

Cpaire = 0.24Cp VH2O = 0.46

VOLUMEN ESPECFICO DEL AIRE:Es el volumen que ocupa una unidad de peso de aire ms H unidades de peso de Vapor de H2O a la misma temperatura.

ENTALPIA:Es la que corresponde a una unidad de aire seco + H, se toma un estado y una temperatura de referencia.treferencia = toEstado de Referencia = H2O(l) a to Los calores que entran en juego son:

a) Vaporizacion de agua b) Calor sensible de vapor de agua de to a t c) Calor sensible de aire de to a t La entalpia viene a ser la suma:

TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCO (dew point):

Es la temperatura que alcanza el aire cuando se satura. Temperatura de saturacin del aire alcanzada por enfriamiento sin modificar H Temperatura del bulbo seco determina la temperatura

TEMPERATURA DE SATURACIN ADIABTICA:La saturacin del aire adiabtico se alcanza en un sistema en donde no hay intercambio de calor.En un sistema adiabtico el calor proceder del aire y del agua para la evaporacin, si hay contacto en suficiente tiempo el proceso llega al equilibrio, en el cual la temperatura del aire y del agua liquida alcanzan la temperatura de saturacin adiabtica.

Para este caso, la temperatura de referencia va a ser la temperatura de saturacin adiabtica.

TEMPERATURA DE BULBO HMEDO:

Es la temperatura de equilibrio dinmico donde siempre va a existir transferencia de masa.

InterfaSe: Zona donde interactan las dos pelculas, las del H2O y la del aireEl agua y el aire salen a la misma temperatura. W = peso de agua/ tiempo que evapora de fase liquida a fase vapor Q= CValor / tiempo transmitido de la fase vapor a liquido Tw = temperatura del bulbo hmedo, temperatura de equilibrio dinmico, no ha cesado la circulacin de vapor de agua ni de calor t= temperatura del aire circulante considerado constante por las siguientes razones:

1) Existe gran masa de aire. Circulacin de calor no afecta la temperatura2) Resistencia del agua al bulbo o Tw (para que el bulbo se mantenga hmedo)3) Alejamiento del termmetro suficiente con respecto a las paredes del recinto

Calor latente del agua a Tw se ve en la tablam: masa del agua que se evapora

La masa transferida en cualquier sistema es el producto transferido en tres factores:1. Un coeficiente de transferencia de masa = KG2. Una rea de transferencia de masa: Ai3. Una fuerza directriz:

Tenemos:

TEMPERATURA DE BULBO SECO:

Es la temperatura de una mezcla vapor-gas determinada en la forma ordinaria por inmersin de un termmetro en la mezcla.

DIAGRAMA PSICOMTRICO:Representacin grfica de las ecuaciones analticas de una mezcla de aire y vapor de agua a la presin atmosfrica normal.En este diagrama se representa la temperatura como abscisa y la humedad absoluta en ordenadas calculadas relativas del 100 % o curvas de saturacin en donde se obtienen la humedad del aire saturado en funcin de su temperatura.MEZCLA AIRE VAPOR DEL LQUIDOHUMEDAD ABSOLUTACURVA DE SATURACIN 100%LLOCALIZACIN DE LAS DIFERENTES ZONAS EN UN DIAGRAMA PSICOMTRICO

CURVA DE SATURACION 100%

Los puntos localizados a la izquierda de la curva de saturacin representan mezclas de aire saturado con agua en estado lquido, lo que provoca nieblas y son condiciones inestables de aire-vapor de agua.Cualquier punto situado a la derecha de la curva de saturacin representa una mezcla bien definida de aire y vapor de agua.Sobre el diagrama psicomtrico se pueden trazar las lneas de temperatura constante o isoterma de bulbo seco, que son paralelas al eje de humedad absoluta.TEMPERATURA DEL BULBO HMEDO100% HUMEDAD RELATIVAREPRESENTACIN DE ISOTERMAS DE BULBO SECO Y DE SATURACIN ADIABTICA EN UN DIAGRAMA PSICROMTRICOTEMPERATURA DEL BULBO SECO

Las lneas inclinadas con pendiente negativa corresponden a las isotermas de saturacin adiabtica que como se mencion anteriormente, coincide con las de temperatura hmeda para el caso aire-vapor de agua. Isolneas de humedad relativa:HUMEDAD RELATIVA 0%50%100%TYT

Las curvas localizadas entre el eje de las abscisas y la curva de saturacin corresponden a las isolneas de humedad relativa cuyo valor disminuye a medida que se alejan de la curva de saturacin.

Lneas auxiliares:Adems de las isolneas anteriores, hay graficas auxiliares que permiten determinar otras propiedades. Manejo del diagrama psicomtrico:Para representar un punto sobre este diagrama, es necesario conocer al menos dos de las cinco variables: TBS, TR, TBH, y, Hr.Si fijamos el punto (1) sobre el diagrama, la determinacin de sus propiedades se efecta de la siguiente manera: GRAFICALa ordenada del punto (1) corresponde a la humedad absoluta (y) y la abscisa es la temperatura del bulbo seco (TBS) la abscisa del punto que tiene la misma ordenada en y hasta las condiciones de saturacin, corresponde a la temperatura de rocio (TR); la abscisa del punto de interseccin de la lnea con pendiente negativa que pasa por el punto (1) con la curva de saturacin, es la temperatura de saturacin adiabtica a temperatura del bulbo hmedo (TBH) a la cual le corresponde la ordenada yTBH. Prolongando la vertical que pasa por (1) hasta la curva de saturacin a la TBS; la humedad relativa del punto en cuestin se obtiene leyendo directamente sobre la lnea correspondiente. Representacin de procesos:Los diagramas psicomtricos o cartas de humedad se pueden representar por procesos simples como calentamiento o enfriamiento a humedad y presin constante, o los mismos procesos a humedad variable.100%TbsYTbhTRTbhYTbsY

APLICACIONES Enfriamiento de agua con aire (torres de enfriamiento) Acondicionamiento de aire (humidificacin/deshumidificacin) SecadoLas operaciones de humidificacin y deshumidificacin implican transferencia de masa entre una fase liquida pura y un gas que es insoluble en el lquido, ya que el lquido contiene solamente un componente y no hay gradientes de concentracin ni resistencia a la transferencia en la fase liquida; por otra parte, tanto la transmisin de calor como la transferencia de masa son importantes y se condicionan mutuamente.Generalmente la fase lquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal aplicacin industrial es el enfriamiento de agua de refrigeracin. En la deshumidificacin, agua fra se pone en contacto con aire hmedo. La materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase lquida, que dependiendo de cmo estemos operando, o se evapora (humidificacin), o bien se condensa (deshumidificacin.)Existen diferentes equipos de humidificacin, entre los que destacamos las torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad. En ellas, el agua suele introducirse por la parte superior en forma de lluvia provocada, y el aire fluye en forma ascendente, de forma natural o forzada. En el interior de la torre se utilizan rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre las dos fases.

Ejercicios 1) En un ambiente un termmetro indica 90f psicrmetro 80% relativo. El barmetro marca una presin de 13.0 lb/pulg2 determinar las presiones parciales del aire, vapor de agua, la humedad (H) y la fraccin molar de cada uno.Solucin:T=90FHr= 80%Pbar= 13.0 lb/pulg2PH2O= presin de saturacin una temperaturaPH2O=presin parcial del H2O

PH2O (90F) =0.6988 lb/pilg2 (tablas de vapor sat. Y del agua)Humedad relativa Hr 0.8 PH2O=0.5590 lb/pilg2 Pt = PH2O + pas formulap.a.s. =13-0.5599 =12.441 lb/pilg2 b) humedad de saturacin: Hs = donde P =presin de saturacinHs = x Hs= 0.0279 lb H2O (v)/lb.a.sc) X H2O = formula para fraccin molarX H2O = XA. S. = 1- 0.043 = 0.957

2) Una mezcla aire vapor a 70 F Y 50 % de humedad a 1 atm, se calienta a presin constante hasta 90F. calcular las humedades absolutas entrada y salida. % 4 en la salida y la cantidad de energa en forma de calor/lb a.s.

70 F 90F

0.50%H , 1atm, hehs, %H

H abs. = 0.01 , %H =30% Cp=0.24+0.46 (habs)Cp=0.24+0.46(0.01) Cp=0.2446

M =0.8 M=0.0733 lb a.sQ=m Cp TQ= 0.0733x 0.2446(90-70)Q=0.36 BTU

Vsat. = 13.9Va.s.= 13.4V= 13.4+(0.5)(13.9-13.4)V= 13.65 pie3/lb a.s.

3) Se tiene 1aire con una tbn de 100F y su DP de 75F determinar:a) las condiciones fisicastermodinamicas y psicomtricasb) la cantidad de calor (BTU/lb.a.s)cuando el 25000 Cfm de este aire se calientan hasta 150F.Tbs=200%=0.85ias= 40i sat=2000 Vas=16.50Vsat=359Vsat=359Vsat.=17.14It=56.66Vt=16.55b) 25000 pie3/min. m= m= m 1510.57 lb/minCp=0.24+0.46(habs)Cp=0.24+0.46(0.02)Cp=0.2492Q=m Cp ( T) Vsat Va.s

4) El aire con humedad relativa de 50 % se enfra de 90 C A 25 C a presin constante de 1atm.

a) Estime el punto de roco y los grados de sobrecalentamiento del aire a 90 Cb) Cunta agua se condensa (mol) por metro cbico de aire alimentado?c) Suponga que una muestra de aire a 90 C se coloca en una cmara cerrada de volumen variable que contiene un espejo y la presin se incrementa a temperatura constante, hasta que se forme vaho sobre el espejo. A qu presin se formar vaho? Suponga el comportamiento de un gas ideal.

SOLUCIN:

a) hr= 50% >> yH2O *P = 0.50 pH2O *90 C

yH2O = = 0.346

Punto de roco:

YH2O * P = P*(PR) = 0.346 X 760 = 262.9 mmHg >> T (PR) = 72.7 C

Sobrecalentamiento = 90 72.7 = 17.3 C de sobrecalentamiento

b) Base:

1m3 de alimentacin gaseosa X X X = 33.6 moln1 mol a 25 C , 1atm Y1 (mol H2O(V) / mol) 33.6 mol a 90 C, 1 atm ( 1 y1 ) aire / mol 0.346 H2O mol / mol 0.654 mol aire / mol n2 mol H2O (Lt) Condiciones de saturacin: Y1 = = = 0.0313

Balance de aire seco:

0.654 (33.6) = n1 (1 0.0313) N1 = 22.7 mol

Balance total de moles:

33.6 = 22.7 + n2 N2 =10.9

c) yH2O * P = P * 90 C

P = = = 1520 mmHg = 2.00 atm

ANEXOS