mezcla aire vapor de agua

PSICROMETRÍA

Ing. Romualdo Vilca Curo

Psicrometría

La Psicrometría es el estudio de laspropiedades termodinámicas del aireatmosférico.

Sus aplicaciones mas comunes se asocian alas mezclas aire vapor de agua.

Componentes del Aire Atmosférico

Existen dos componentes en la fase gaseosa:

-Aire seco: componente A-Vapor de agua: componente B

Existen dos componentes en la fase gaseosa:

-Aire seco: componente A-Vapor de agua: componente B

Aplicaciones de la Psicrometría

Control del clima, en especial en elacondicionamiento de aire para el conforttermal.

Condensación en superficies frías. Enfriamiento Evaporativo Sistemas de almacenamiento de

productos. Diseño de equipos de aire acondicionado

Control del clima, en especial en elacondicionamiento de aire para el conforttermal.

Condensación en superficies frías. Enfriamiento Evaporativo Sistemas de almacenamiento de

productos. Diseño de equipos de aire acondicionado

Cálculos de propiedadesPsicométricas- Método analítico- Diagrama Psicométrico de Carrier

Propiedades del aire seco

Composición del aire

El aire es una mezcla de varios gases, cuyacomposición varia ligeramente en funciónde la posición geográfica y altitud.

El peso molecular aparente del aire secoestándar es de 28.9645

Composición del aire

El aire es una mezcla de varios gases, cuyacomposición varia ligeramente en funciónde la posición geográfica y altitud.

El peso molecular aparente del aire secoestándar es de 28.9645

Composición estándar delaire

Componente % en volumenNitrogeno 78.084Oxigeno 20.9476Argon 0.934Dioxido de carbono 0.0314Argon 0.934Dioxido de carbono 0.0314Neon 0.001818Helio 0.000524Otros gases (Trasas de metano, dioxidode azufre, hidrogeno, kripton y senon) 0.000658

Total 100

Volumen especifico del aireseco

Donde:Ve = volumen especifico del aire seco (m3/kg)Ta = temperatura absoluta(K)Pa = presión parcial del aire seco (kPa)Ra = Constante de los gases ideales (m3Pa/kg.°K)

Donde:Ve = volumen especifico del aire seco (m3/kg)Ta = temperatura absoluta(K)Pa = presión parcial del aire seco (kPa)Ra = Constante de los gases ideales (m3Pa/kg.°K)

Calor especifico del aireseco

El calor especifico a una atmosfera(101.325kPa) del aire seco, dentrodel intervalo de temperaturacomprendido entre -40 y 60°C variadesde 0.997kJ/kg.°K hasta1.022kJ/kg.°K. en la mayoría de loscasos puede utilizarse el valor medio1.005kJ/kg.°K

El calor especifico a una atmosfera(101.325kPa) del aire seco, dentrodel intervalo de temperaturacomprendido entre -40 y 60°C variadesde 0.997kJ/kg.°K hasta1.022kJ/kg.°K. en la mayoría de loscasos puede utilizarse el valor medio1.005kJ/kg.°K

Entalpia de aire seco

La entalpia o contenido energético del aire secoes un termino que se define en función a unpunto de referencia. En los cálculospsicométricos la presión de referencia es laatmosfera y la temperatura de referencia es 0°C

La entalpia o contenido energético del aire secoes un termino que se define en función a unpunto de referencia. En los cálculospsicométricos la presión de referencia es laatmosfera y la temperatura de referencia es 0°C

Donde:Ha = entalpia del aire seco (kJ/kg)Ta = temperatura de bulbo secoTo = temperatura de referencia (0°C)

Temperatura de bulbo seco(Tbs) Es la temperatura del aire medida

en un termómetro convencional.

Propiedades del vapor deagua El vapor de agua es esencialmente vapor sobre

calentado en condiciones de baja presión ytemperatura.

Se sabe que el peso molecular del agua es18.01534, de forma que la constante de losgases ideales para el vapor de agua es:

El vapor de agua es esencialmente vapor sobrecalentado en condiciones de baja presión ytemperatura.

Se sabe que el peso molecular del agua es18.01534, de forma que la constante de losgases ideales para el vapor de agua es:

Volumen especifico delvapor de agua Por debajo de 66°C, el vapor saturado y

sobrecalentado sigue las leyes de los gasesideales.

Donde:Vw = volumen especifico (m3/kg)Rw = constante de los gases (m3Pa/kg°K)Tw = temperatura absoluta (°K)Pw = presión parcial del vapor del agua (kPa)

Calor especifico del vaporde agua. El calor especifico del vapor

saturado como del vapor sobrecalentado no varia dentro de losintervalos de temperaturacomprendido entre -71 y 124°C,tomanadose generalmente un valorde 1.88KJ/kg°K

El calor especifico del vaporsaturado como del vapor sobrecalentado no varia dentro de losintervalos de temperaturacomprendido entre -71 y 124°C,tomanadose generalmente un valorde 1.88KJ/kg°K

Entalpia del vapor de agua.

Donde:Hw = entalpia del vapor de agua saturado y

sobrecalentado (KJ/kg)Ts = Temperatura del ambiente(°C)To = temperatura de referencia (°C)

Donde:Hw = entalpia del vapor de agua saturado y

sobrecalentado (KJ/kg)Ts = Temperatura del ambiente(°C)To = temperatura de referencia (°C)

Propiedades de las mezclasaire – vapor de aguaLey de Gibbs-Dalton

Las mezclas aire-vapor de agua existentes en la atmosferasiguen la ley de Gibbs-Dalton, de forma que la presiónejercida por una mezcla de gases es la misma que la sumade las que ejercían los gases constituyentes.El aire atmosférico se encuentra a una presión total igual ala presión barométrica de la ley de Gibbs-Dalton.

Ley de Gibbs-DaltonLas mezclas aire-vapor de agua existentes en la atmosferasiguen la ley de Gibbs-Dalton, de forma que la presiónejercida por una mezcla de gases es la misma que la sumade las que ejercían los gases constituyentes.El aire atmosférico se encuentra a una presión total igual ala presión barométrica de la ley de Gibbs-Dalton.

Donde:Pb = presión total o presión barométrica del aire húmedo (kPa)Pa = presión parcial ejercido por el aire seco (kPa)Pw = presión parcial ejercida por el vapor de agua (kPa)

PUNTO DE ROCIO

Cuando una mezcla aire-vapor seenfría a presión y relación dehumedad constantes se alcanzanuna temperatura en la que la mezclase satura, y por debajo de la cual seproduce condensación de lahumedad.

Cuando una mezcla aire-vapor seenfría a presión y relación dehumedad constantes se alcanzanuna temperatura en la que la mezclase satura, y por debajo de la cual seproduce condensación de lahumedad.

PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMAAIRE-VAPOR DE AGUA

Temperatura del Punto de Rocío (TPR)

Es la temperatura a la cual ocurre lacondensación cuando el aire se enfría a humedadabsoluta y a presión constantes

Es la temperatura a la cual ocurre lacondensación cuando el aire se enfría a humedadabsoluta y a presión constantes

Puede considerarse como la temperatura desaturación correspondiente a la humedadabsoluta y presión de vapor del aire húmedo.

Interacción termal del cuerpo humano y elmedio ambiente


Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh)

Es la temperatura del aire medida en untermómetro de bulbo húmedo.

Es la temperatura del aire medida en untermómetro de bulbo húmedo.

Temperatura de Bulbo Seco y Temperatura de BulboHúmedo

V 5,0 m/s

TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBOHÚMEDO

La temperatura de bulbo húmedo psicrométrica (Tbh) esla temperatura del aire húmedo que indica untermómetro cuyo bulbo está cubierto de una gasahúmeda.

La temperatura de bulbo húmedo termodinámica (Tbh*)es la temperatura alcanzada por el aire húmedo y elagua si el aire se satura adiabáticamente por el aguaque se evapora.

Las Tbh psicrométrica y termodinámica para airehúmedo son casi iguales, en el intervalo de condicionesempleadas en el procesamiento de PRODUCTOS.

La temperatura de bulbo húmedo psicrométrica (Tbh) esla temperatura del aire húmedo que indica untermómetro cuyo bulbo está cubierto de una gasahúmeda.

La temperatura de bulbo húmedo termodinámica (Tbh*)es la temperatura alcanzada por el aire húmedo y elagua si el aire se satura adiabáticamente por el aguaque se evapora.

Las Tbh psicrométrica y termodinámica para airehúmedo son casi iguales, en el intervalo de condicionesempleadas en el procesamiento de PRODUCTOS.

Considere la siguiente situación :

TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBOHÚMEDO (2)

Como Tbs>Tbh, hay un gradiente favorable para latransferencia de calor hacia la gota

Para que se mantenga en equilibrio (estadoestable:

q = X x


donde:

X = kg de agua evaporada/hx = Calor latente de evaporación (kJ/kg)

La transferencia de calor depende de:

1. El área de transferencia, A.2. El coeficiente de transferencia de calor (hc +

hr), donde hc es el coeficiente de transferenciapor convección, y hr el coeficiente detransferencia por radiación.

3. El gradiente de temperaturas.


La transferencia de calor depende de:

1. El área de transferencia, A.2. El coeficiente de transferencia de calor (hc +

hr), donde hc es el coeficiente de transferenciapor convección, y hr el coeficiente detransferencia por radiación.

3. El gradiente de temperaturas.

Entonces:

q = (hc + hr) A (Tbs - Tbh)

La cantidad de agua transferida desde lasuperficie de la gota puede ser definida como:


La cantidad de agua transferida desde lasuperficie de la gota puede ser definida como:

)(

pgpxKgANAdonde:

NA = Kgmol/hpx = presión parcial de vapor en la superficie de la gota.pg = presión parcial de vapor en la masa de aire.

Como:

X = 18.02 NA

Entonces:

)(02.18

pgpxKgAx


)(02.18

pgpxKgAx

Sustituyendo:

xpgpxKgATbhTbsAhrhc )(02.18)()(

xKgTbhTbshrhcpgpx02.18

))(()(


Como normalmente hr es despreciable encomparación con hc:

)(02.18

)( TbhTbsxKg

hcpgpx

Ecuación básica del concepto de bulbo húmedo

Factores que influyen sobre Tbh

Como hc y Kg son afectados por los mismos factores,si se modifica hc, Kg también lo hará en formaproporcional, por lo que puede considerarse quehc/Kg = constante.


Como hc y Kg son afectados por los mismos factores,si se modifica hc, Kg también lo hará en formaproporcional, por lo que puede considerarse quehc/Kg = constante.

Por otro lado, el rango de variación de x es pequeño (530-620 Kcal/Kg) y puede considerarse con un valor promedioconstante de 555 Kcal/Kg.

Adicionalmente, la presión parcial de vapor parala mayor parte de las mezclas aire-vapor de aguaes muy pequeña y entonces la humedad:


)1(97.28

02.18

p

pH

Por lo que:

02.1897.28 Hxpx

02.1897.28 Hgpg

y


02.1897.28 Hxpx

02.1897.28 Hgpg

y

donde:

Hx = Humedad en la superficie de la gota.Hg = Humedad en la masa de aire.

Entonces,

)(97.28

TbhTbsxKg

hcHgHx


)(97.28

TbhTbsxKg

hcHgHx

Cuando Tbh=Tbs, Hx=Hg y el aire estará saturado.

En la mayoría de los casos, Tbs>Tbh y Hg<Hx

Al representar esta ecuación en el gráficopsicrométrico obtenemos una línea casi recta:


HxTbhxKg

hcTbsxKg

hcHg 97.2897.28


Humedad Absoluta (W).

Se define como los kilogramos de vapor deagua contenidos por kilogramo de aire secoSe define como los kilogramos de vapor deagua contenidos por kilogramo de aire seco


Entalpía Específica (he).

Es la cantidad de energía que tiene el aire porunidad de aire seco.

Es la cantidad de energía que tiene el aire porunidad de aire seco.


Volumen Específico (Ve).

Es el volumen que ocupa el aire por unidad dekilogramo de aire seco.

Es el volumen que ocupa el aire por unidad dekilogramo de aire seco.

1.2 PROPIEDADES BASICAS DELSISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA

Volumen Húmedo (Vh)El volumen húmedo de una mezcla aire-vapor de agua es lasuma del volumen de 1 Kg de aire seco más el volumen del

vapor de agua que lo acompaña.

El volumen húmedo de una mezcla aire-vapor de agua es lasuma del volumen de 1 Kg de aire seco más el volumen del

vapor de agua que lo acompaña.

Utilizando la ley de gas ideal:

PMAH

PMBTVh 1

2734.22

donde:Vh = m3/Kg aire seco


Humedad Relativa (HR)

Se define como la razón de la presión devapor real en el aire, a la presión de aire

saturado a la misma temperatura.

Se define como la razón de la presión devapor real en el aire, a la presión de aire

saturado a la misma temperatura.

HR = ( /pA) x 100T=cte

pA

donde:

= presión parcial de vapor de agua, (Pa)pA = presión de vapor del líquido a temperatura T, (Pa)

pA

Estados del agua

Cambio de fases del agua

Humedad Relativa


Presión de vapor (Pv).

Es la presión que ejercen las moléculas devapor de agua presentes en el aire.


Entalpía total (H)

Es el contenido entálpico de 1 kg de gas más elvapor que lo acompaña tomando como

referencia una cierta temperatura

Es el contenido entálpico de 1 kg de gas más elvapor que lo acompaña tomando como

referencia una cierta temperatura

Está determinado por tres factores:1.- El calor sensible del gas libre de vapor.2.- El calor latente ( ) del líquido a la temperatura de referencia(To).3.- El calor sensible del vapor.

PROPIEDADES BASICAS DEL SISTEMAAIRE-VAPOR DE AGUA

Así:

h = CpB (T - To) + H + HCpA (T - To)

h = H + Cs (T - To)

Así:

h = CpB (T - To) + H + HCpA (T - To)

h = H + Cs (T - To)

1.2 PROPIEDADES BASICAS DELSISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA

Calor húmedo (Cs)

Es el calor específico del aire con el vapor deagua que contiene, esto es, el número de Kcalnecesarias para aumentar la temperatura de 1

kilogramo de gas más el vapor que loacompaña, en 1°C.

Es el calor específico del aire con el vapor deagua que contiene, esto es, el número de Kcalnecesarias para aumentar la temperatura de 1

kilogramo de gas más el vapor que loacompaña, en 1°C.

Cs = CpB + HCpA

donde:CpB = calor específico del gas, Kcal/Kg.°CCpA = calor específico del vapor de agua, Kcal/Kg.°C

Esquema de un psicrómetro

Carta Psicrométrica La carta psicrométrica da las siguientes propiedades

termodinámicas del aire húmedo a diferentes presionesatmósfericas:

a) Temperatura de bulbo secob) Temperatura de bulbo húmedoc) Temperatura del punto de Rocío (o saturación)d) Contenido de humedade) Humedad Relativaf) Volumen Específicog) Entalpíah) Presión de vapor

La carta psicrométrica da las siguientes propiedadestermodinámicas del aire húmedo a diferentes presionesatmósfericas:

a) Temperatura de bulbo secob) Temperatura de bulbo húmedoc) Temperatura del punto de Rocío (o saturación)d) Contenido de humedade) Humedad Relativaf) Volumen Específicog) Entalpíah) Presión de vapor

Ubicación delapropiedadesdel aire en lacartaPsicrométrica

CartaPsicrométrica

Carta Psicrométrica

Hum

idity

Rat

io (W

)

Dry Bulb Temperature

Hum

idity

Rat

io (W

)

Válida sólo para una determinada presión

Lectura delaspropiedadesdel aire en lacartaPsicrométrica

Procesos Psicrométricos

1. Calentamiento Sensible2. Enfriamiento Sensible3. Humidificación Adiabática4. Deshumidificación por enfriamiento5. Mezcla de Aires

1. Calentamiento Sensible2. Enfriamiento Sensible3. Humidificación Adiabática4. Deshumidificación por enfriamiento5. Mezcla de Aires

Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Calentamiento SensibleCalentamiento Sensible

1. Esquema del proceso

Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Enfriamiento SensibleEnfriamiento Sensible


12

Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Humidificación AdiabáticaHumidificación Adiabática


Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Deshumidificación por enfriamientoDeshumidificación por enfriamiento


Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Deshumidificación por enfriamientoDeshumidificación por enfriamiento

1. Representación en la Carta Psicrométrica

Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Mezcla de AiresMezcla de Aires


Mezcla de Aires

Procesos Psicrométricos :Procesos Psicrométricos :Mezcla de AiresMezcla de Aires

En varias ocasiones se presenta el mezclado dedos corrientes de aire con distinto flujo másico,temperatura y humedad

Los balances de materia y energía para unproceso de este tipo son:

m1 + m2 = m3

m1W1 + m2W2 = m3W3

m1h1 + m2h2 = m3h3

Mezcla de Aires en la CartaPsicrométrica

Zona de confort térmico

mezcla aire vapor de agua

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