psicrometría del cusco
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1
INGENIERIAINGENIERIA
MECANICAMECANICA
PsicrometríPsicrometrí
aa
2
ContenidosContenidos
Introducción
Comportamiento de una sustancia pura
Relación de humedad y humedad relativa
Temperatura de rocío
Entalpía del aire húmedo
Saturación adiabática
La carta psicrométrica
Procesos psicrométricos elementales
Confort térmico
Procesos de acondicionamiento
3
1.- Introducción (I): la composición del aire 1.- Introducción (I): la composición del aire atmosféricoatmosférico
Aire atmosférico= aire seco + vapor de agua (0-4%)
Composición del aire seco
4
1.- Introducción (II): diagrama P-v de una sustancia 1.- Introducción (II): diagrama P-v de una sustancia purapura
El diagrama P-v
Interés en la zona de
condensación
Regiones bifásicas: Líneas de
saturación
Observar forma isotermas
T=cte, P=cte en cambios de
fase
Punto crítico: punto de
inflexión en la isoterma crítica
Trazar líneas y leer datos
Volumen específico
Presión (kPa)
100ºC
101.3
22090
10000
311ºC
374.14ºC
A
D
BCG
F E
Diagrama P-v
Sustancia TC, ºC PC, kPaAgua AireRefrigerante 12 Refrigerante 134a
374.14-140112101
22090377041204070
5
1.- Introducción (II)1.- Introducción (II)
En la zona de operación de arquitectura, los estados termodinámicos del
aire seco y vapor de agua se encuentran en situaciones diferentes con
respecto a sus respectivas curvas de saturación
Zona de operación en Arquitectura
AIRE SECO
T, ºC
45-10
PC=4·106 Pa
TC=-140 ºC
TR=2.2, PR=0.025
v(m3/kg)
P a=1
05 Pa
v (m3/kg)
VAPOR DE AGUA
PC=2.2·107 Pa
TC=374 ºC
P V=6
·102
Pa
TR=0.45, PR=3·10-5
RC
RC
TT
T
PP
P
6
1.- Introducción (V)1.- Introducción (V) La ecuación de estado para el aire húmedo:
Valores de las constantes características:
Presiones parciales:
) ( )a va v a a v v
a v
m mPV=nRT=(n n RT RT m R m R T
287 /( · ); 462 /( · )a vR J kg K R J kg K
a aa
a vv v
v
m R TP=
V P P Pm R T
P=V
7
2.- Relación de Humedad y Humedad Relativa2.- Relación de Humedad y Humedad Relativa Establecer cantidad de vapor en aire húmedo
Relación de humedad
MAX a T dada: MAX(20ºC)=0.0147 kg v/kg a.s.
Humedad relativa
Cantidad de Humedad que el aire contiene (mv) en
relación con la cantidad máxima de humedad que el aire
puede contener a la misma temperatura (mg)
Importante: TS - PS conocidas para T (tablas)
Necesidad de medir Pv
Relación
v
v
PP
P
622.0ωmasa vapor de agua
masa aire secoω
v
s
P
P masa vapor de agua
masa vapor en aire saturado a misma T
VAPOR
t
v
P=P S
(t=t 1)
P=P V
t1
0.622 ( )
0.622 ( ) ( )s
s s
P P T
P T P P T
8
3.- Temperatura de Rocío3.- Temperatura de Rocío Enfriamiento a PV= cte hasta
condensación
Ir de A a B por camino rojo.
La t a la que la PV es la de saturación a esa t
Conocer tr obtener tablas PS conocer PV
No es fácil de medir.
Ejemplo de aplicación: ¿a qué temperatura se empañarán los cristales?
PV del aire interior:
La tr será:
VAPOR
t
v
P=P V
t1
tr
A
B
AIRE interior20ºC; 75%
AIRE Exterior10ºC
16ºC 16ºC
18ºC
20ºC 20ºC
18ºC
(20º ) 0.75 2.34 1.75v SP P C kPa kPa
( 1.75 ) 15.3 ºr St t P kPa C
Tablas
9
4. Entalpía del aire húmedo (I)4. Entalpía del aire húmedo (I) Sistemas abiertos: intercambian masa y energía Régimen estacionario
Estado y velocidad interior constantes m1=m2 Q y W no varían en el tiempo
Efecto: llevar dm de 1 a 2
Intercambios con exterior:
Igualamos, dividimos por dm y reordenamos:
2 212 1 2 1 2 12( ) ( ) ( )dm u u dmg z z dm c c
1 1 2 2Q W PdV P dV
2 212 1 2 1 2 12( ) ( ) ( )q w h h g z z c c
2 212 2 2 1 1 1 2 1 2 12[( ) ( )] ( ) ( )q w u P v u Pv g z z c c
q absorbido se utiliza: producir trabajo, modificar la entalpía, e. potencial y cinética entre entrada y salida.
1F
1
2
A B
dx2
A’ B’
2F
dx1 z1
Q
W
Volumen Control
z2
10
4.- Entalpía del Aire Húmedo (II)4.- Entalpía del Aire Húmedo (II) En muchos de los procesos de acondicionamiento puede
despreciarse el incremento de la energía mecánica:
Para gases ideales, la entalpía es una función exclusiva de la temperatura y de la capacidad calorífica del gas a presión constante
Aire húmedo: mezcla de gases ideales: aire seco y vapor de agua:
Estado de referencia (entalpía cero) para el aire seco:
2 1( )q w h h
va HHH va hhh ωPor unidad de masa de a. seco
0 0( ) ( ) ( )ph T h T c T T 1p
p cte
Qc
m T
0 0 1.005 /( ·º )
( ) º
a pa
a pa
t h c kJ kg C
h t c t t en C
11
4.-Entalpía del aire húmedo (III)4.-Entalpía del aire húmedo (III) Estado de referencia para el agua:
Expresión final para la entalpía específica del aire húmedo
Es función tanto de la temperatura como del contenido en humedad
t
v
P V=c
te
t
0ºC
D
B A
C
0( , ) ( )pa pv vh t c t c t L
0
0
1.82 /( ·º )0º , 600 ,
2500 /
( ) ; º
pvv
v
v v pv
c kJ kg Ct C P Pa
L kJ kg
h t L c t t en C
liquido saturado
12
5.- La Cámara de Saturación Adiabática (I)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (I)
Saturación adiabática conocer 1, 1
Aumenta humedad
Desciende tS
tr < ts < t2
Aire saturado tr = ts = t2
Medir ts y t2 calcular 1, 1
Conservación masa y energía
Reposición de agua evaporada a t2
t
v
P=P S
(t 2)
t1
tr
C t2
P=P V
Agua líquida de reposición a t2
Aire nosaturado1, 1, t1
Temperatura secaAgua líquida a t2
Temperaturade saturaciónadiabática
Aire saturado2=1, 2, t2
13
5.- La Cámara de Saturación Adiabática (II)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (II) Conservación masas
Aire seco
Vapor
Conservación de la energía
Proceso adiabático
No realiza trabajo
La entalpía del aire de entrada y de salida
son prácticamente iguales
mf, t2
1,1,t1,
ma1
Agua líquida a t2
2=1, 2, t2,,
m2
2 1( )f am m
1 2a a am m m
1 1 2 2a f f am h m h m h
a vh h h
2 1 21 2
1 1
v f a a
v f v f
h h h h
h h h h
2( )vL t1 22
1 21 2 2 1 2 2
( )( )
( ) ( ) ( ) ( )pav
pv v pv v
c t tL t
c t t L t c t t L t
14
5.- La Cámara de Saturación Adiabática (III)5.- La Cámara de Saturación Adiabática (III) Medir t1 y t2
Simplificamos
El psicrómetro:
Temperatura de bulbo seco
Temperatura húmeda
22
2
( )0.622
( )s
s
P t
P P t
1 221 2
1 2 2 1 2 2
( )( )
( ) ( ) ( ) ( )pav
pv v pv v
c t tL t
c t t L t c t t L t
Determinamos
1 2 2( ) ( )pv vc t t L t 1 2 1 22
( )( )pa
v
ct t
L t
2 1( ) v h
h spa
L tt t K con K
c ω ω
Mecha húmeda
Entrada de aire
Salida de aire
ts th
15
6.- La Carta Psicrométrica (I)6.- La Carta Psicrométrica (I) Para P dada, el estado del a. h. está dado por dos prop.
intensivas independientes, como y tseca Construir carta psicrométrica
Líneas: estados con una propiedad común Evita cálculos Visualiza procesos acond. Visualiza las zonas de confort
Línea de saturación, = 100%
Temperatura seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
= cte
th = cteh = cte
v = cte
Rangos habituales:
t: -10 - 45 ºC
: 0 - 0.025 kg v./ kg de a.s.
th: -10 - 30 ºC
h: 17 - 110 kJ/ kg de a.s.
v: 0.775 - 0.900 m3 de a.h./kg a.s.
16
6.- La Carta Psicrométrica (II)6.- La Carta Psicrométrica (II) Líneas: estados con una propiedad común
=cte
th=cte
h=cte
v=cte
Línea de saturació
n, = 100%
Temperatura seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
= cte
th = cteh = cte
v = cte
BtAtttL
ct h
hv
pahs ωωω
1 2
0.6220.622 a
a
R TVv= ω ω K K t
m vP
( ) ( )ω ωs h s h l s hh h t t h h h t
( ) ( )( ) 0.622 ( , ) 0.622 ( )
( ) ( )ω ω ωs s
s ss s
P t P tt t t
P P t P P t
17
Línea de saturación, = 100%
Temperatura seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
Hum
idific
ació
n De
shum
idific
ació
n
CalentamientoEnfriamiento
7.- Procesos Psicrométricos Elementales (I)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (I) Procesos de flujo estacionario
Conservación de la masa de aire
Conservación masa de agua
Conservación de la energía
a aEntrada Salida
m m
v f v fEntrada Salida
m m m m
a f f a f fSalida Entrada
Q W m h m h m h m h
18
7.- Procesos Psicrométricos Elementales (II)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (II) Calentamiento y enfriamiento sensible ( = cte)
Ecuaciones de balance
)(
ωω
12
2121
21
hhmQ
mm
mmm
a
vv
aaa
Temperatura seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
1 21=2
h1
h2
t1 t2
Serpentín de calentamiento
Qt1, 1, 1
t2>t1, 1= 2, 2< 1
El enfriamiento en sentido contrario
19
7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Calentamiento con humidificación
Ecuaciones de balance
ffa
afvfv
aaa
hmhhmQ
mmmmm
mmm
)(
ωω
12
1221
21
Serpentín de calentamiento
Qt1, 1, 1
t2, 2> 1,2
Zona de calentamiento Zona de humidificación
Aire
Agua liquida
Temperatura seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
1
2
1
t1 t2
2
Humectación adiabática o enfriamiento evaporativo
th=cte
20
7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Enfriamiento con deshumidificación
Ecuaciones de balance
Serpentín de enfriamiento
Qt1, 1, 1
t2, 2< 1,2=100%
Salida de agua
Aire
ffa
afvfv
aaa
hmhhmQ
mmmmm
mmm
)(
ωω
21
2121
21
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
1
2 1
h1
h2
t1 t1tr
2
Curva de estado del acondicionador
21
7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III)7.- Procesos Psicrométricos Elementales (III) Mezcla adiabática de corrientes
Ecuaciones de balance
ma1 1
h1
ma2 2
h2
ma3 3
h3
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
1
2
3
h1
h2
t1 t1
23
h3
1
t3
1 2 3
1 1 2 23
1 2 1 2 3 2 3
1 1 2 2 2 3 1 3 13
1 2
a a a
a a
a a a
a a a
a a
m m m
m m
m m m h h ω ω
m h m h m h h ω ωh
m m
3 Centro de masas de 1 y 2
22
7.- Procesos psicrométricos elemenales (IV)7.- Procesos psicrométricos elemenales (IV) TORRES DE ENFRIAMIENTO:
Reutilización de agua Prevención de contaminación
térmica El agua sirve de medio de
transporte de calor entre la fuente (condensador) y el sumidero (la atmósfera)
Una pequeña fracción del agua se evapora y enfría el agua restante
Pueden ser de tiro forzado o de tiro natural
Precedente: estanques de rocío
Salida de aire
Entrada de aire
Agua
caliente
Agua
fría
Torre de enfriamiento a contraflujo de tiro
inducido
23
7.- Procesos psicrométricos elementales (V)7.- Procesos psicrométricos elementales (V) Torre de enfriamiento de tiro
natural El aire húmedo del interior es
más húmedo, y por tanto, más ligero que el exterior
La convección se ve también favorecida por el efecto venturi. Salida de aire
Entrada de aire
Agua
caliente
Agua
fría
Estanque de rocío Requieren de 25 a 50 veces el
área de una torre de enfriamiento
Pérdidas de agua debidas al arrastre del aire altas
No tienen protección contra el polvo y la suciedad.
Agua
caliente
Agua
fría
24
8.-Confort térmico (I)8.-Confort térmico (I) Intercambio de calor con el ambiente
Cuando la temperatura de la piel (33-34ºC) es distinta que la temperatura del aire y de las superficies: Mecanismos de transmisión más importantes: Convección y radiación
Transpiración y respiración: intercambios de calor por evaporación Se determina por el balance entre la producción metabólica de calor y las
pérdidas por convección y radiación Producción de calor
Metabolismo Actividad física Vestuario
Parámetros fisiológicos relacionados con el confort: Temperaturas internas y de la piel Ritmo cardiaco Ritmo de transpiración
Sensación de confort: Calor producido igual calor cedido al ambiente
25
8.- Confort Térmico (II)8.- Confort Térmico (II) Metabolismo
Ropa
Producción energía metabólica Actividad W/m2 met
Acostado 46 0.8 Sentado 58 1.0 Oficina 70 1.2 Actividades domésticas 117 2.0 Tenis 290 5.0 Squash 406 7.0
Resistividad térmica Clase de ropa m2K/W clo
Sin ropa 0.00 0 Shorts 0.02 0.1 Ropa de verano 0.08 0.5 Ropa de invierno (int.) 0.16 1.0
26
8.- Confort Térmico (V)8.- Confort Térmico (V) Propiedades del ambiente relacionadas con el confort
Temperatura del aire del recinto
Velocidad del aire
Humedad relativa Sequedad/sudoración
(evaporación)
Temperatura de las paredes Radiación(temperatura radiante media)
La influencia de estos parámetros no es la misma
El número de parámetros puede minimizarse definiendo “temperaturas integradas”
Convección
27
8.- Confort térmico (V bis)8.- Confort térmico (V bis) Definición de temperatura radiante:temperatura radiante:
44 273 273r pi i
n
t F t ti: temperatura superficie i (ºC)
Fpi: factor de forma
28
8.- Confort térmico (V bis /y2)8.- Confort térmico (V bis /y2) Definición de:
Temperatura operativa: Misma sensación con el
mismo nivel de velocidad de aire y humedad relativa
Temperatura
equivalente: Misma sensación con aire parado e igual humedad relativa
Temperatura efectiva: misma sensación con la misma velocidad de aire y humedad relativa al 50%
29
8.- Confort térmico (VI bis /y2)8.- Confort térmico (VI bis /y2) Malestar térmico local
Enfriamiento local por convección (turbulencias)
Enfriamiento/calentamiento por asimetría en la radiación Asimetría de temperatura radiante por ventanas frías menor de
10ºC Asimetría de temperatura radiante por techos calientes menor de
5ºC Diferencia vertical en la temperatura del aire (3ºC máximo
cabeza-pies)
Temperatura incómoda del suelo (19-29ºC)
30
8.-Confort térmico (VII)8.-Confort térmico (VII)
Diagramas de Baruch Givoni
Intervalo de temperaturas: 18 a 25ºC (invierno) y 20-27ºC (verano)
Para humedad alta el límite superior de temperatura desciende progresivamente
En países cálidos pueden estimarse 2ºC más en la temperatura superior y 2g de vapor por kg de aire seco más en la relación de humedad
Intervalo de condiciones de confort aceptable en verano para países
cálidos
20ºC 29ºC
17g/kg a s
4g/kg as
31
8.- Confort térmico (VIII)8.- Confort térmico (VIII)
Intervalo de condiciones para el aire exterior que pueden dar lugar
a confort en el interior con ventilación diurna (v= 2 m/s)
20ºC 33ºC
19g/kg a s
4g/kg as
Mejora del confort con ventilación diurnaventilación diurna
Se trata de aumentar la velocidad del aire en el interior
Se extiende el límite superior de temperatura y humedad
Las condiciones interiores tienden a asemejarse a las externas
32
8.-Confort térmico (IX)8.-Confort térmico (IX)
Estrategias de refrigeración por ventilación nocturnaventilación nocturna
Es más eficaz para edificios bien aislados
Proporcional a la diferencia entre la máxima y mínima externa
El rango de temperaturas externas decrece con la humedad
Condiciones del aire externo en las que se recomienda aplicar
la refrigeración por ventilación nocturna
20ºC 36ºC
17g/kg as
4g/kg as
33
8.-Confort térmico (X)8.-Confort térmico (X) Estrategia de refrigeración por
enfriamiento evaporativoenfriamiento evaporativo Puede ser directo o indirecto La temperatura del aire puede
bajar hasta un 80% de la diferencia entre las temperaturas seca y húmeda
Es eficaz para climas cálidos y secos (temperatura húmeda máxima: 22ºC-24ºC; temperatura seca máxima (42-44ºC)
La temperatura del aire refrigerado será de 26-27ºC
La temperatura del interior 28-29 ºC
Límites para la aplicación del enfriamiento
evaporativo
20ºC 36ºC
17g/kg as
4g/kg as
44ºC
24ºC
34
8.-Confort térmico (XI)8.-Confort térmico (XI) Resumen de estrategias de refrigeración pasiva
35
9.- Procesos de acondicionamiento (I)9.- Procesos de acondicionamiento (I) Cargas latentes y sensibles de un espacio
0 1
2 0
s a
L a
Q m h h
Q m h h
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
2
1
h2
h1
t1 t2
2
0
h0
1
S
a
Q
m
L
a
Q
m
Radiación solarSQ
Infilt
ració
n
Tran
smisi
ón p
or c
ondu
cció
n
Espacio t2, 2 SQ
SQ
LQ
SQ
Carga interna LQ
Salidade airet2, 2
Espacio t2, w2 am
SQLQ
Aire deimpulsión
t1, 1
am
36
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
2
t0
0
1
1
1
Línea de relación de carga
Posibles estados aire impulsión
9.- Procesos de acondicionamiento (II)9.- Procesos de acondicionamiento (II) Línea de relación de carga de un espacio
2 1
2 1002 2
0
( ) ( )
( )( ) ( )
s a pa 1 pv
pah L pah1 2
s vL a pv v 1
v
Q m c ω c t t
c Q cω ω t t
Q LQ m c t L ω ω
L
37
9.- Procesos de acondicionamiento (III)9.- Procesos de acondicionamiento (III)
Curva de estado de un acondicionador
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
Curva de estado de un acondicionador ideal
Temp. seca, t
Rela
ción
de h
umed
ad,
Curva de estado de un acondicionador real
38
9.- Procesos de acondicionamiento (IV)9.- Procesos de acondicionamiento (IV)
Acondicionamiento de un recinto
Temperatura seca, t
Esquema del proceso de acondicionamiento en el
diagrama sicrométrico
162
5
4
Relación de humedad,
Curva de estado del acondicionador
Línea de relación de carga del espacio
Esquema del sistema acondicionador-recinto
ACONDICIONADOR
tt22,,22
ESPACIO
tt11,,11
tt44,,44
tt22,,22
tt55,,55
Aire exterior(ventilación)
Aire recirculado
Aire renovadoAire deimpulsión
11
66
55
44
22
tt22,,2233
39
Se quiere mantener un recinto en verano en las condiciones de confort t2= 24ºC y humedad relativa 60%. Las condiciones del aire exterior son t4= 35ºC y temperatura húmeda th4= 24ºC. La carga sensible del recinto se ha estimado en Qs=50.000 kJ/h y el aporte de humedad al recinto es 15 kg/h. Los caudales de aire recirculado y exterior coinciden y son V2=3000 m3/h y V4= 3000 m3/h. Comparar las dos opciones de refrigeración propuestas.
ACONDICIONADOR
tt22=24ºC=24ºC
tt11,,11
tt44,,44
tt22,,22
tt55,,55
Aire exterior(ventilación)
Aire recirculado
Aire renovadoAire deimpulsión
11
55
44
22
tt22,,2233
Qs=50000 kj/hmw= 15 kg/h
ACONDICIONADOR
tt22=24ºC=24ºC
tt11,,11
tt44,,44
tt22,,22
tt55,,55
Aire exterior(ventilación)
Aire recirculado
Aire renovadoAire deimpulsión
11
55 44
22
tt22,,2233
Qs=50000 kj/h
mw= 15 kg/h
40
En primer lugar, de la carta psicrométrica, obtenemos las propiedades termodinámicas de los estados de aire en el interior del recinto, y calculamos el flujo de aire seco que se impulsa al recinto. Este primer caso es común a los dos supuestos:
0.0115
53
0.0144
72.5
2
4
0.856 0.893
3
2 3
3
4 3
1 5 2 4
3000 m a.h./ h3505 kg a.s./h
0.856 m a.h./ kg a.s.
3000 m a.h./ h3359 kg a.s./h
0.893 m a.h./ kg a.s.
6864 kg. a.s/h
a
a
a a a a
m
m
m m m m
41
Con el balance de agua y energía en el recinto, obtenemos las condiciones del aire de impulsión (común en los dos supuestos):
0.0115
53
0.0144
72.5
2
4
0.856 0.893
0.0093
48.5
41.3
01
1 1 2 2 1
0
1 0 1 1
1 1
0.0093 kg v./kg a.s
48.5 kJ/kg a.s
( ) 41.3 kJ/kg a.s
17 ºC y 80%
w a a
s a
m m m
h
Q m h h h
t
42
En el supuesto 1, el aire recirculado y de ventilación se mezclan a la entrada del acondicionador. Obtenemos las propiedades del aire a la salida y hacemos balance en el acondicionador de agua y energía:
0.0115
53
0.0144
72.5
2
4
0.856 0.893
0.0093
48.5
41.3
01
0.01295
61.5
2 2 4 45
2 4
5
5 5 1
5 1 5
0.0129 kg v./kg a.s.
61.5 kJ/kg a.s.
Agua condensada en el acondicionador:
( ) 24.7 kg/h
Calor cedido al refrigerante:
( ) 138653 kJ/h=38.5 kw
a a
a a
c a
cedido a
m m
m m
h
m m
Q m h h
43
En el segundo supuesto, el aire a la salida del acondicionador, donde solo entra el aire exterior, se mezcla con el aire recirculado para obtener el aire que se impulsa. Podemos obtener las propiedades del aire a la salida del acondicionador y hacer balance de agua y energía en el mismo:
0.0115
53
0.0144
72.5
2
4
0.856 0.893
0.0093
48.5
41.3
01
0.0124
50.007
26.5
1 1 2 25
1 2
5
4 4 5
4 5 4
0.007 kg v./kg a.s.
21.5 kJ/kg a.s.
Agua condensada en el acondicionador:
( ) 24.9 kg/h
Calor cedido al refrigerante:
( ) 154560 kJ/h=42.9 kw
a a
a a
c a
cedido a
m m
m m
h
m m
Q m h h
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9.- Procesos de acondicionamiento (V)9.- Procesos de acondicionamiento (V)
45
10.- Carta psicrometrica del Cusco10.- Carta psicrometrica del Cusco
46
11.- Aplicaciones de la carta del Cusco.11.- Aplicaciones de la carta del Cusco.
Tesis
Túnel de viento subsónicoBomba de calor para deshidratado de
productosAcondicionamiento de crianza de cuyes
utilizando E. R.
47
48
Carta psicrometrica del cuscoCarta psicrometrica del cusco