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Tema: Psicrometra

UTILIZACIN DEL DIAGRAMA PSICROMTRICO

Arq. Jos Luis Cnovas

Psicrometra

Introduccin:

En nuestra vida profesional tendremos que acondicionar casas, edificios e

industrias y hasta controlar procesos de manofactura de materiales, para

mejorar la calidad del producto terminado. Para acondicionar el aire en un

espacio, se requiere tener conocimientos bsicos de las propiedades del aire y

la humedad, realizar clculos para el calentamiento o enfriamiento y hasta

manejar instrumental especifico.

Definimos entonces que es el acondicionamiento del aire, es un proceso de

tratar el aire, de tal manera, que se controle su temperatura, humedad, limpieza

y distribucin, para que cumpla con los requisitos del espacio acondicionado.

Con lo indicado anteriormente las operaciones para acondicionarlo serian:

1. Control de la temperatura.

2. Control de la humedad.

3. Filtrado, limpieza y purificacin del aire

4. Circulacin y movimiento del aire.

El control de temperatura en verano se lograra mediante un sistema de

refrigeracin, en cuanto en invierno con un sistema de calefaccin. El control

de humedad en verano requiere de deshumidificacin (quitar humedad) lo que

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se realiza al pasar el aire sobre la superficie de un evaporador. En invierno, se

requiere humidificar, para agregarle humedad al aire en el sistema de

calefaccionamiento. Las filtraciones del aire son las mismas en invierno y

verano.

Objetivo:

Aprender a utilizar el diagrama Psicromtrico como herramienta para el

clculo de propiedades y representacin de procesos.-

Comprender los fundamentos de los principales procesos Psicromtrico

entre los que destacan los procesos de secado, acondicionamiento de

aire y enfriamiento de agua con aire.

Psicrometra definicin:

La psicrometra es la ciencia que trata de las de las propiedades

termodinmicas del aire hmedo y del efecto de la humedad atmosfrica sobre

los materiales y sobre el confort humano. La Psicrometra resulta entonces til

en el diseo y anlisis de sistemas de almacenamiento y procesado de

alimentos, diseo de equipos de refrigeracin, estudio del secado de alimentos,

estudios de aire acondicionado y climatizacin, torres de enfriamiento, y en

todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de

vapor de agua en el aire.

Diagrama Psicromtrico

Las diferentes propiedades del aire hmedo estn relacionadas entre s, de

forma que a partir de dos cualesquiera es posible obtener el resto. Las

representaciones grficas de las ecuaciones de las diferentes propiedades del

aire hmedo son representadas en el diagrama Psicromtrico. (Grfico N1) En

estos diagramas, cada estado del aire vendr representado por un punto, y

cada proceso Psicromtrico por una lnea. Se consigue as una estimacin

rpida y precisa de la informacin necesaria en el estudio y diseo de equipos

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o procesos relacionados con la psicrometra. Adems permiten realizar clculos

en cualquier momento y situacin.

El aire es una mezcla de gases que rodea a la tierra. Este aire que envuelve a

la tierra se conoce como atmsfera. El aire atmosfrico es una mezcla de

oxgeno, nitrgeno, bixido de carbono, hidrgeno, vapor de agua, y un

porcentaje muy pequeo de gases raros como argn, nen, ozono, etc.

El aire, tiene peso, densidad, temperatura, calor especfico y adems, cuando

est en movimiento, tiene momento e inercia.

La humedad es un trmino utilizado para describir la presencia de vapor de

agua en el aire, ya sea a la intemperie, o dentro de un espacio. La humedad

est "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.

Grfica N1

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A partir de la grafica del Diagrama Psicromtrico, Se irn presentando las

propiedades del aire realizando su lectura en la grafica correspondiente.

Temperatura de Bulbo Seco (TBS) su unidad de medida es en grados

centgrado (C), corresponde a la temperatura del aire normal en un

acondicionamiento de aire, y es la medida por termmetros ordinarios

como los utilizados en casa. Como se indica en la Grafica N2.

Grfica N2

La lectura corresponde al eje de las abscisas y su escala es en grados

centgrados. Las lneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja

hasta la ms alta de la grfica permanecen constantes, porque cualquier punto

a lo largo de una de estas lneas corresponde a la misma temperatura del bulbo

seco indicada en la escala de la parte baja. Tomamos lectura del punto A

propuesto a modo de ejemplo al que le corresponde a una TBS de 22C.

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Se procede a partir de este punto A del ejemplo a realizar la lectura de las

propiedades del aire restantes.

En este eje horizontal que atraviesa el punto A en la grafica a la derecha,

leemos una nueva escala en vertical (ordenadas) que corresponden a la

Humedad Absoluta.

El trmino Humedad Absoluta (HA) se refiere al peso del vapor de agua

por unidad de volumen, esta unidad de volumen es un espacio de un

metro cubico, por lo que su unidad es en gramos sobre Kilogramo

(gr/Kg).

Para el ejemplo propuesta el valor correspondiente a la Ha es de 7,2 gr/Kg.

Las lneas de humedad absoluta corren horizontalmente de derecha a izquierda

y coinciden con las del punto de roci, por lo que podemos ver que la cantidad

de humedad en el aire depende del punto de roci del aire.

El punto de roci se define como la temperatura debajo de la cual el

vapor de agua del aire, comienza a condensarse y corresponde su

unidad en grados centgrados (C).

Tomamos lectura del punto A propuesto a modo de ejemplo al que le

corresponde a una Tr de 10C.

Pudindose observar que el punto de Roci se corresponde al 100% de la

humedad del aire.

En la grfica N3, la Temperatura de Bulbo Hmedo (TBH), cuya unidad

de medida es en grados centgrados (C) corresponde a la temperatura

del aire hmedo, tomada con un termmetro ordinario con una muselina

alrededor del bulbo humedecida con agua limpia, la evaporacin de esta

agua disminuir la lectura (temperatura) del termmetro, Mientras mas

seco este el aire, mas rpido ser la evaporacin de la humedad de la

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mecha, As la lectura de la temperatura del bulbo hmedo varia de

acuerdo a qu tan seco est el aire.

La escala de la temperatura de bulbo hmedo, es la que se encuentra del lado

izquierdo de la curva, cuyas lneas corren diagonalmente de izquierda a

derecha y de arriba hacia abajo, en un ngulo de unos 30 de la horizontal.

Tambin son constantes porque todos los puntos a lo largo de una de estas

lneas es la misma.

Grafica N3

En la carta Psicromtrico, las lneas de Humedad Relativa constante,

son las lneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha,

disminuyendo su valor al alejarse de la lnea de saturacin del 100%. Se

expresan en porciento, y corresponden a la relacin del peso de vapor

de agua con el vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de

aire seco a la temperatura del bulbo seco. Del ejemplo su valor Hr =

42%.

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Si prolongramos las lneas de bulbo hmedo como puede observarse en el

grfico N4, encontramos una nueva escala que corresponde a la Entalpia, esto

es debido a que el calor total del aire depende de la temperatura del bulbo

hmedo leemos en la escala lejana a la curva la Entalpia (QT), su valor es de

Qt= 9,8 Kcal/Kg.

Grfica N4

Las lneas ubicada en un ngulo de aproximadamente a unos 60 de la

horizontal corresponde al Volumen Especifico (Ve), y su unidad es m3/Kg, y

aumenta su valor de izquierda a derecha de la grafica.

A modo de resumen es en la grfica Psicromtrica donde tenemos un nmero

de lneas que se cruzan una con otra pudiendo referencia un punto dado con

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los diferentes valores constantes de las restantes propiedades del aire, como

ser:

1. La temperatura de Bulbo Seco.

2. La temperatura de Bulbo Hmedo

3. La temperatura de Roci

4. La Humedad Absoluta

5. La Humedad Relativa

6. El volumen Especifico

7. Entalpia

Como podemos resumir en el siguiente grafico.

. Como se puede observar, es relativamente simple determinar las propiedades

del aire en una carta Psicromtrico, conociendo dos (cualquiera) de ellas. Se

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requiere que a partir de un punto dado en la carta, las dems propiedades se

obtengan siguiendo una serie de lneas, que pueden ser horizontales,

verticales, diagonales o curvas. La precisin del resultado, depende

grandemente de la versin individual, la habilidad para trazar lneas y el mtodo

de interpolacin. La interpolacin significa obtener matemticamente, los

valores de los puntos que caen entre dos lneas; lo cual, en ocasiones, puede

consumir una gran cantidad de tiempo y esfuerzo. Pero, el uso de la carta no

se limita solamente a determinar las propiedades de una muestra de aire,

tambin se pueden calcular las cargas trmicas al calentar o enfriar la muestra

de aire, con o sin humidificacin o deshumidificacin, cambios en el volumen,

mezclas de aire, etc.

Los distintos procesos quedan representados en la siguiente grfica:

Hasta ahora, hemos estado tratando con cantidades y presiones de aire y

vapor de agua, en referencia de una misma temperatura. Se han mencionado

los efectos de aumentar y disminuir la temperatura, para lo cual hay que

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agregar o quitar calor. Ahora debemos ver cunto calor hay que agregar o

quitar, para efectuar los cambios que queremos calcular para su estudio. De la

misma manera que es necesario saber cunta humedad y aire hay en las

diferentes mezclas, tambin es necesario conocer cunto calentamiento o

enfriamiento se requiere, para hacer cambios en la condicin de las mezclas de

aire y humedad

Esto es tan cierto para las temperaturas en refrigeracin (conservacin y

congelacin), como lo es para las temperaturas del aire acondicionado para el

confort humano. Si tuviramos que considerar solamente calentar y enfriar el

aire en las mezclas, la cantidad de calor agregado o removido, sera

comparativamente simple. Solo tendramos que agregar o quitar calor

sensible del aire. Puesto que el calor sensible en la mezcla proviene casi

totalmente del aire, el contenido de calor por kilogramo de aire seco, es el

mismo que el calor sensible de la mezcla, Es el contenido de humedad el que

complica el problema. Esto no sera tan difcil, si la humedad permaneciera

siempre como vapor, ya que siempre estaramos tratando con el calor

sensible del vapor. En la mayora de las aplicaciones donde el aire y la

humedad tengan que calentarse o enfriarse, algo del vapor de agua se vuelve

lquido (condensado), o el agua lquida se evapora. Cuando un kilogramo de

vapor de agua se condensa, libera cierta cantidad de kcal, mismas que debe

absorber el equipo de enfriamiento. Cuando se evapora un kilogramo de agua,

deben agregarse una cantidad cierta de kcal, las cuales deben ser

suministradas por el equipo de calefaccin. Esto se llama calor latente y la

carga de este calor puede ser muy grande, algunas veces ms grande que la

carga completa de calor sensible requerida para cambiar la temperatura del

aire y humedad. Por otra parte, la carga latente no incluye cambio de

temperatura, slo un cambio en el contenido de vapor a lquido.

Para comprender un proceso como el de calentamiento y humidificacin

agregando o quitando calor sensible y latente se realizara un ejemplo que

constara de dos pasos, primeramente se iniciara el proceso donde se procede

con el calentamiento y en el segundo ejemplo se concluir humidificando la

masa de aire.

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Ejemplo: Estado Inicial Del Proceso

A partir del punto A correspondiente a una masa de aire (ubicar en el

Diagrama Psicomtrico) de TBS 2 C y Hr 50%, se desea calentar dicha masa

de aire sin modificar su contenido de humedad absoluta hasta una TBS 20C.

Cunto ser el calor a suministrar? Indique las restantes condiciones de la

masa de aire que se desplaz al punto C.

Ubicamos los datos correspondientes en la siguiente grafica N5.

Grafica N5

El procedimiento presente es simple, se procede a marcar los datos del

problema presente como se indica en la Grafica N5 y por sustraccin obtener

el valor de la Entalpia, dicho valor corresponde al calor sensible de 4,2 Kcal/kg.

Como se indicaba anteriormente para que el aire en la condicin A sea

modificado su estado hasta la condicin C debe ser calentado agregando calor

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sensible a la masa de aire. Podemos as determinar los nuevos valores de la

masa de aire, estos son indicados en la Grafica N6.

Grafica N6

Queda demostrado que al calentar una masa de aire no se modifica el vapor de

agua presente, su Humedad absoluta y Temperatura de Roci permanecen

constantes en la grafica.

Siguiendo con el ejemplo indicaramos el estado final del proceso:

Se desea calentar una masa de aire que posee una Temperatura de bulbo

seco de 2C hasta una temperatura de bulbo seco de 20C, sin modificar su

porcentaje de Humedad relativa del 50%. Cunto ser el calor a suministrar?

Indique las restantes condiciones de la masa de aire que se desplaz al punto

B.

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Indicamos dicho proceso en la Grafica N7

Grafica N7

El procedimiento es idntico al anterior a partir de los datos consignados en el

ejemplo marcamos en la Grafica N7 el punto A y el punto B por diferencia

obtenemos la Entalpia correspondiente cuyo valor es de Qt = 7,2 Kcal/kg.

Podemos observar en la Grafica N8 el proceso que se lleva a cabo y as

determinar que el vapor de agua contenido en la masa de aire se le agrega

Humedad, en cuyo caso el calor suministrado seria calor latente. Para recordar

Calor sensible: es la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer de una

sustancia en este caso el aire, para producir un aumento o disminucin de

temperatura respectivamente a presin constante.

Calor latente: es la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer de la

masa de aire para producir un cambio fsico a la presin constante de dicha

sustancia.

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Grafica N8

Para concluir con el ejemplo recordemos que se llevan a cabo desde el estado

inicial del proceso un Calentamiento, luego una Humidificacin, como se indica

en la grafica siguiente, para concluir as el proceso .Estos procesos se realizan

en invierno y para efectuarlos se utilizan lavadoras de aire que son bateras de

toberas que rocan agua caliente sobre el flujo de aire que la atraviesa o

bandejas de agua en la que se encuentra sumergida una resistencia que

provoca la ebullicin del agua, generando vapor que al ser atravesado por la

masa de aire, incrementa su temperatura y humedad.

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A continuacin realizamos el proceso contrario que seria el de Deshumidificar

la masa de aire y el de Enfriarla, pero para ello no utilizaremos recorrido del

proceso como gua sino el de la masa de aire.

Ejemplo: Enfriamiento y deshumectacin:

El estado inicial A corresponde a una temperatura del aire de bulbo seco de

28C y una humedad relativa del 50%, la masa de aire en estas condiciones

entra en condensacin parte de vapor de agua que contiene. El agua en estado

lquido se separa de la masa de aire deslizndose por una serpentina para

luego ser recogido en una bandeja. Indique cual seria la temperatura del bulbo

seco y la humedad del aire que recircula.

Este es un proceso necesario en verano y que se efecta simultneamente al

hacer pasar el aire a travs de serpentinas en las cuales circula un fluido a una

temperatura menor que la temperatura de roci del aire circulante, este al

ponerse en contacto con estas superficies cede calor y alcanza su punto de

roci producindose el enfriamiento y deshumectacin, dicho proceso es

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representado en la Grafica N9. El estado inicial corresponde a una

temperatura de bulbo seco de 28C y una humedad relativa del 50%, la masa

de aire en estas condiciones entra en condensacin una parte del vapor de

agua que contiene, en este caso llega al 90%. El agua en estado lquido se

separa de la masa de aire correspondiendo al punto C de la grafica (calor

latente), siendo el punto de B de la grafica el calor sensible en este proceso de

enfriamiento

Grafica N9

El enfriamiento y la deshumectacion sufrida por el aire desde el Punto A hasta

el B podemos representarla con una lnea inclinada, esta inclinacin depender

de la cantidad de calor sensible y de calor latente puesta en juego y se

relaciona con el Factor de Calor Sensible (FCS). Definida como la razn entre

las ganancias de calor sensible y las ganancias de calor total (suma de las

ganancias de calor sensible ms las ganancias de calor latente). En las grafica

el FCS esta representada por el punto P que corresponde a la Temperatura de

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bulbo seco de 26,7 C y 50% de Humedad. Sobre el margen derecho del

diagrama se encuentra la escala del Factor de Calor sensible, al unir este punto

P, obtendremos diferentes inclinaciones correspondientes a los diferentes

factores de calor sensible.

Para recordar:

Calefaccionar el aire significa elevar su temperatura.

Humectar el aire significa dotarlo de la cantidad suficiente de vapor de agua.

Refrigerar el aire significa quitarle calor o disminuir su temperatura.

Deshumectar el aire significa quitarle humedad.

Graficada en el siguiente diagrama.

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Bibliografa

Apuntes de Catedra Instalaciones I Facultad de Arquitectura UCC, Arq.

Laura Collet.

Sistemas de Aire acondicionado, Nstor Quadri, 2001. Editorial Alsina

I.S.B.N 950-553-088-9.-

Acondicionamiento del aire en los Edificios 1, 2,3 y 4. Ing. Roberto O.

Salas. Web.

Psicrometra, mtodos de humidificacin y de humidificacin y sus

aplicaciones en el diseo arquitectnico. Dr. Isaac Pilatowsky Figueroa.

Centro de Investigacin en Energa Universidad Nacional Autnoma de

Mxico.