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DIMA Ramn Lobato Silva

Construcciones agrcolas Mayo, 2015.

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2. DISEO FUNCIONAL Y CONTROL AMBIENTAL EN

CONSTRUCCIONES AGRCOLAS

2.1 Diseo funcional

Como qued establecido en la primera unidad, las construcciones agrcolas son un caso

particular de estructuras. En ingeniera una estructura se disea y se construye para que

cumpla una funcin especfica. De aqu, que uno de los primeros atributos que debe

tener cualquier construccin agrcola es que sea funcional.

En el caso de una construccin agrcola sola o nica, su funcionalidad queda

determinada por: sus dimensiones, su localizacin estratgica respecto a las vas de

comunicacin y a los servicios requeridos, su orientacin, su ubicacin respecto a otras

construcciones y su nivel de control de los factores del medio fsico tales como la

temperatura y la humedad.

Cuando se trata de un sistema complejo, constituido por varias construcciones o

instalaciones, la funcionalidad queda determinada por la disposicin racional de cada

una de las construcciones o secciones que componen el sistema, unas respecto a otras.

Para llevar a cabo un diseo funcional, se requiere un conocimiento y anlisis de los

distintos movimientos que se efectan en el sistema o proceso de produccin.

Por ejemplo, en el diseo de una explotacin de ganado lechero, debe estimarse un

mnimo del 10 % de la superficie construida como rea de movimientos para:

Vehculos, maquinaria, herramientas y equipos

Personas

Ganado

Insumos

Productos

Residuos



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Example of a material flow diagram for a dairy unit

Functional design of the building

Some general guidelines are as follows:

1. Concentrate functions and spaces that are naturally connected to each other, but

keep dirty activities separate from clean ones.

2. Communication lines should be as straight and simple as possible within the

building and, to reduce the number of openings, they should be coordinated with

those outside, as shown in the farmstead plan.

3. Avoid unused spaces and long communication corridors.

4. Provide for simple and efficient work. Imagine that you are working in the

building.

5. Use as few handling methods as possible and choose methods that are known to

be reliable, flexible and simple.

6. Provide a good environment for labourers and animals or produce.

7. Provide for future expansion.

8. Keep the plan as simple as possible within the limits of production requirements.



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2.1.1 Localizacin

The following criteria should be considered with regard to site selection: greenhouses.

The microclimate conditions

The water and electricity supply

The distance to the markets and transportation costs

Labour availability

The soil at the greenhouse location should have adequate drainage provision.

The soil topography should have a slight slope (about 0.51%) in the

longitudinal direction to drain off rainwater.

Natural circumstances such as high trees and buildings have to be considered

with regard to shade effects and wind breaking.

2.1.2 Estructuracin

La estructuracin es el primer paso o etapa del diseo estructural. Tambin puede

considerarse como el enlace entre el diseo funcional y el diseo estructural.

Especficamente en la etapa de estructuracin se determina lo siguiente:

a) La forma y dimensiones globales de la estructura o construccin.

b) El tipo de elementos estructurales a utilizar como componentes de la

estructura.

c) Los materiales de construccin.

La estructuracin se refiere tambin a los detalles o subdivisiones en el interior de la

construccin. Cuando se trata de sistemas complejos, donde intervienen varias

estructuras, la estructuracin incluye, tambin la distribucin en planta.

Ejemplo de dimensiones globales: invernadero



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Ejemplos de formas estructurales

2.1.3 Diseo agronmico

El diseo agronmico tiene sentido en caso de invernaderos y construcciones pecuarias,

y se refiere a la especificacin de las propiedades y dimensiones de las construcciones,

segn las siguientes caractersticas de las plantas o animales:

Caractersticas fsicas

Caractersticas biolgicas

Caractersticas fisiolgicas

Caractersticas etolgicas

Caractersticas de produccin

Respuestas ante los factores ambientales

Requerimientos ambientales y de manejo

2.1.4 Distribucin en planta (layout)



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Zone plannig in four zones

2.2 Control ambiental

El control de la temperatura como humedad, iluminacin, polvo, gases y olores, dentro

de las construcciones es esencial para una alta produccin de plantas y animales,

conservacin de los productos almacenados, control de enfermedades, confort de las

personas, longevidad de las instalaciones y equipos.

El clculo de los aspectos anteriores es el propsito del control ambiental.

2.2.1 Factores ambientales relacionados con el diseo de las construcciones

agrcolas

2.2.2 Aplicaciones del control ambiental

Ejemplos de aplicacin del control ambiental:

Ventilacin mecnica de alojamientos ganaderos.

Ventilacin natural de alojamientos ganaderos.

Invernaderos: Ventilacin, calefaccin, enfriamiento, iluminacin, control de

CO2,

Cmaras para el crecimiento de plantas y animales.

Almacenamiento de productos agrcolas y alimentos.



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2.2.3 Principios fsicos del control ambiental

El ambiente puede definirse como las condiciones que afectan a las plantas, a los

animales o a los productos agrcolas que se encuentran dentro de una construccin o

instalacin.

Fundamentos del control ambiental:

Psicrometra.

Transferencia de calor.

Transferencia de masa.

Mecnica de fluidos.

Termodinmica.

Biologa.

Refrigeracin.

2.2.3.1 Psicrometra:

Teora bsica.

Parmetros psicromtricos.

Carta (diagrama) psicromtrica.

Procesos psicromtricos.

Aplicaciones.

Teora bsica

El control ambiental, en gran medida, significa el control del ambiente areo en el

interior de las construcciones, donde el fluido de trabajo es el aire hmedo.

El aire hmedo es una mezcla de aire seco y vapor de agua.

La Psicrometra estudia la determinacin de las propiedades termodinmicas del aire

hmedo, y la utilizacin de estas propiedades en el anlisis de procesos que involucran

al aire hmedo.

Ejemplos de aplicacin de la psicrometra:

1) El control de la temperatura y la humedad relativa en instalaciones cerradas.

2) Ventilacin.

3) Prevencin de condensaciones.

4) Procesos de evaporacin.

5) Secado.



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Ley de los gases ideales

El aire hmedo se puede modelar como un gas ideal con la siguiente ecuacin:

donde:

presin absoluta del gas, Pa.

volumen de una cantidad arbitraria de gas,

m masa del gas, kg.

constante del gas, J/kg K.

temperatura absoluta del gas, K.

Datos:

J/kg K, para el aire seco.

J/kg K, para el vapor de agua.

As, para el aire seco:

Y para el vapor de agua:

de donde:

Ley de Dalton

Para el aire hmedo:

de donde:



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Parmetros psicromtricos

Propiedades termodinmicas que caracterizan la cantidad de vapor de agua presente

en el aire hmedo:

Presin de vapor.

Razn de humedad.

Humedad relativa.

Grado de saturacin.

Propiedades asociadas con la temperatura:

Temperatura de bulbo seco.

Temperatura termodinmica de bulbo hmedo.

Temperatura del punto de roco.

Propiedades relacionadas con el volumen y con la energa:

Volumen especfico.

Entalpa

a) Temperatura del bulbo seco (T).

Simplemente es la temperatura verdadera o real del aire hmedo, medida con un

termmetro ordinario en equilibrio trmico con el aire. Se puede considerar como una

variable independiente.

b) Presin de vapor ( ).

Es la presin parcial ejercida por las molculas de vapor de agua presentes en el aire

hmedo. La mxima cantidad de humedad (vapor de agua) que puede contener el aire

seco ocurre a saturacin; en cuya condicin la presin de vapor se llama presin de

vapor saturado, .

La presin de vapor saturado es una funcin de la temperatura de bulbo seco, segn el

siguiente modelo emprico:

Donde T debe estar en kelvins y:

Para -100 < T < 0C Para 0 < T < 200C



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c) Razn de humedad (W).

Es la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco.

donde:

W = razn de humedad, kg/

masa de vapor de agua, kg.

masa de aire seco, kg.

donde

En particular, la razn de humedad en condicin de saturacin es:

No se debe confundir la razn de humedad con la humedad absoluta o densidad del

vapor de agua:

donde:

humedad absoluta, kg/

masa del vapor de agua, kg.

V = volumen total,

d) Humedad relativa ( ).

Es la razn entre la presin actual de vapor de agua y la presin de vapor de agua en

condicin de saturacin, a la misma temperatura.

donde:

humedad relativa, decimal %.

presin de vapor a la temperatura T, Pa.

presin de vapor saturado a la temperatura T, Pa.



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La humedad relativa es una medida del nivel de saturacin del aire hmedo. Se puede

probar que:

e) Grado de saturacin ( ).

Es la relacin, a la misma temperatura, entre la razn de humedad actual del aire y la

razn de humedad de aire saturado.

donde:

grado de saturacin, decimal %.

W = razn de humedad a la temperatura T, kg/ .

razn de humedad del aire saturado a la temperatura T, kg/ .

Se puede probar que:

f) Volumen especfico ( ).

Es el volumen de aire hmedo por unidad de masa de aire seco:

donde:

volumen especfico, / .

V = volumen de aire hmedo, .

masa de aire seco, kg.

A partir de la ley de los gases ideales:

donde:

= masa de aire seco, kg.

constante del gas, para el aire seco igual 287.055 j/kg K.

temperatura absoluta del bulbo seco del aire, K.

presin del aire seco, Pa.

Una ecuacin explcita para el clculo de es:



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O bien:

donde

Si el volumen especfico toma como base el aire hmedo, resulta:

El volumen especfico referido al aire hmedo, permite relacionar el flujo msico con el

flujo volumtrico, por ejemplo en el clculo de sistemas de ventilacin.

donde:

tasa msica de flujo de aire, kg/s.

tasa volumtrica de flujo de aire, .

volumen especfico del aire hmedo, .

g) Temperatura del punto de roco (

Es la temperatura a la cual el aire hmedo no saturado se vuelve saturado, es decir,

cuando el vapor de agua comienza a condensarse por un proceso de enfriamiento a

razn de humedad y presin constantes.

[ ]

[ ]

donde:

temperatura del punto de roco, C.

presin de vapor, Pa.

h) Entalpa (h).

La entalpa especfica, h, del aire hmedo se puede interpretar como la energa interna

de ste por unidad de masa de aire seco, con respecto a cierta temperatura de referencia.

Como se sabe, de la termodinmica:

donde:

H = entalpa, J.

U = energa interna, J.

P = presin, Pa.

V = volumen, .



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Adems:

y

donde:

h = entalpa especfica del aire hmedo, J/ .

entalpa especfica del aire seco, J/kg.

entalpa especfica del vapor de agua, J/kg.

W = razn de humedad, kg/ .

En psicrometra, la entalpa es referenciada a 0C (en el sistema SI) y se hace la

suposicin de que el agua es lquida en sta temperatura.

Se sabe que el calor especfico del aire seco presenta una variacin de 1.006 kJ/kg K en

0C a 1.009 kJ/kg K en 50C. pero debido a que el cambio es muy pequeo, usualmente

es ignorado. As, el calor especfico del aire seco es 1.006 kJ/kg K, mientras que el

calor especfico del vapor de agua es 1.805 kJ/kg K. Tambin se sabe que el calor de

vaporizacin del agua a 0C es 2501 kJ/kg., pero al cambiar la temperatura, ste se

expresa mediante la siguiente ecuacin:

Para las temperaturas del bulbo seco, T, se encuentra entre los 0 y 65C. Pero debido a

su dbil dependencia de la temperatura, se asume constante (2501 kJ/kg).

Considerando los datos anteriores, la entalpa del aire hmedo en kJ/kg de aire seco

puede ser calculada si se conocen la temperatura de bulbo seco (en C) y la razn de

humedad, mediante la expresin:

Ejemplo numrico

En un proyecto relacionado con el control ambiental en un invernadero, el aire de la

localidad, ubicada al nivel del mar, tiene una temperatura del bulbo seco de 20C y una

humedad relativa del 50%. Mediante las ecuaciones psicromtricas respectivas,

determinar:

a) La presin de vapor.

b) La razn de humedad.

c) El grado de saturacin.

d) El volumen especfico del aire hmedo.

e) La temperatura del punto de roco.

f) La entalpa.

g) La temperatura de bulbo hmedo.



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Solucin:

a) Presin de vapor

A partir de la definicin de humedad relativa:

La presin de vapor saturado se obtiene mediante la ecuacin:

Ya que T=20C, se utilizan los valores:

Para 0 < T < 200C

Y recordando que T debe estar en kelvins: T=20+273.15= 293.15 K.

As, sustituyendo valores y datos:

De esta manera:

b) Razn de humedad del aire.

De acuerdo con la ecuacin 4, la razn de humedad para una presin atmosfrica de

101.325 kPa es:



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Finalmente, la razn de humedad es:

c) Grado de saturacin del aire.

Para determinar el grado de saturacin del aire se utiliza la ecuacin 9:

En el inciso b, se obtuvo el valor de W, por lo cual slo es necesario calcular el valor de

, mediante la ecuacin 5:

De esta manera, al sustituir los valores conocidos, se obtiene:

Por lo tanto:

d) Volumen especfico del aire hmedo.

Aplicando la ecuacin 15 se obtiene el volumen especfico del aire hmedo:

De la teora se sabe que es la constante del gas, y que para el aire seco tiene un valor

igual a 287.055 J/kg K.

Adems, en la ecuacin 15, el valor de T debe estar en kelvins. Entonces, al sustituir los

valores ya conocidos en la ecuacin anterior, se obtiene:



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e) Temperatura del punto de roco del aire.

Tomando en cuenta que T=20C, para una presin parcial de vapor de agua

, como la calculada en el inciso a, el punto de roco puede ser obtenido

utilizando la ecuacin 18:

[ ]

Al sustituir el valor conocido de en la ecuacin anterior, se obtiene:

[ ]

f) Entalpa.

Para obtener la entalpa basta con utilizar la ecuacin 22:

Sustituyendo los valores conocidos de T y W, se obtiene:

g) La temperatura de bulbo hmedo.

Se puede demostrar mediante un proceso de aproximacin sucesiva que sta

temperatura es 13.8C.

Carta psicromtrica

La carta psicromtrica es un diagrama de doble entrada, en el que se relacionan

mltiples parmetros referentes a una mezcla de aire hmedo: temperatura, humedad

relativa, humedad absoluta, punto de roco, entalpa especfica o calor total, calor

sensible, calor latente y volumen especfico del aire.

C



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Carta psicromtrica.

Procesos psicromtricos.

Un proceso psicromtrico es un cambio en el estado del aire hmedo causado por la

adicin o remocin, ya sea individual o en combinacin, de energa trmica o vapor de

agua. Por ejemplo, en un alojamiento ganadero, los animales aportan calor sensible y

humedad al aire; mientras que, en el caso de un invernadero, la radiacin solar que

ingresa aporta calor sensible y causa que el agua se evapore (directamente o

indirectamente a travs de la transpiracin).

Los principales procesos psicromtricos son:

a) Calentamiento y enfriamiento sensibles.

b) Calentamiento con humidificacin.

c) Enfriamiento con deshumidificacin.

d) Mezclado adiabtico.

e) Enfriamiento evaporativo.

f) Secado.



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a) Calentamiento y enfriamiento sensibles.

Los procesos de enfriamiento y calentamiento sensibles se caracterizan porque solo se

agrega o se quita, respectivamente, calor sensible sin cambio en la razn de humedad.

Estos procesos se representan sobre la carta psicromtrica por lneas paralelas a las

abscisas.

En ambos casos resultan cambios en T, , h, y . No ocurren cambios en W, y

Un ejemplo de calentamiento sensible es la calefaccin de alojamientos ganaderos.

Los clculos para el calentamiento y enfriamiento sensibles pueden realizarse con las

ecuaciones generales o por medio de la carta psicromtrica. Los balances de calor y

masa para condiciones de flujo permanente de aire son:

donde:

flujo msico de aire hmedo, kg/s.

tasa de calor sensible, J/s.

O bien, para condiciones de flujo permanente:

donde es el flujo msico involucrado en el proceso, y es el calor especfico del

aire a presin constante.

b) Calentamiento con humidificacin.

El calentamiento con humidificacin se caracteriza porque la entalpa, la razn de

humedad, la presin de vapor, la temperatura del bulbo seco, la temperatura del bulbo

hmedo, la temperatura del punto de roco y el volumen especfico se incrementan.



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El cambio en la humedad relativa depende de las cantidades relativas de energa y vapor

de agua que se agreguen al aire.

El calentamiento y humidificacin simultneos del aire hmedo es un proceso

psicromtrico comn en construcciones agrcolas, tales como el control ambiental en

alojamientos ganaderos y en el almacenamiento de frutas y hortalizas

.

Las ecuaciones de balance de calor y masa, aplicables a este proceso, son:

Entalpa:

Calor sensibles:

Calor latente:

Flujo de masa:

c) Enfriamiento con deshumidificacin.

El enfriamiento y deshumidificacin implica bajar tanto la temperatura del bulbo seco

como la razn de humedad.

El proceso de enfriamiento del aire ocurre desde una temperatura del bulbo seco

hasta la temperatura del punto de roco a la cual sucede la condensacin.



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Un enfriamiento mayor reducir la temperatura por debajo de hasta una temperatura

del bulbo seco en un estado de saturacin.

Suponiendo que toda la humedad condensada es enfriada hasta la temperatura final del

aire , antes de ser desechada del sistema, los balances de calor y masa son:

Entalpa:

Flujo msico de aire seco:

Flujo msico de humedad:

Humedad condensada:

La capacidad de enfriamiento se obtiene de la primera ecuacin:

d) Mezclado adiabtico.

Un proceso en el acondicionamiento del aire es el mezclado del aire hmedo con dos

condiciones diferentes, para obtener un tercer estado.

Si el proceso es adiabtico, los principios de conservacin de la masa y la energa

indican:

Balance de entalpa:

Tasa de flujo msico para el aire seco:

Tasa de flujo msico para vapor de agua:

Eliminando a se obtiene:



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Secado de granos

Representacin sobre la carta psicromtrica

del proceso de secado de grano en

condiciones adiabticas

e) Enfriamiento evaporativo.

El proceso de enfriamiento evaporativo, el cual consiste en la conversin, de manera

adiabtica, de calor sensible a calor latente, puede usarse para el enfriamiento de

construcciones agrcolas bajo ciertas condiciones de climas calientes.

f) Secado

El secado de materiales biolgicos, tales como los granos, puede considerarse como un

proceso adiabtico.

Cuando el aire pasa a travs de una masa de material hmedo, una gran parte del calor

sensible del aire se transforma en calor latente como un resultado del incremento de la

cantidad de agua, en forma de vapor, en el aire.

Durante el proceso de secado adiabtico, hay una disminucin de la temperatura del

bulbo seco, junto con un incremento en la razn de humedad, humedad relativa, presin

de vapor y . La entalpa y la temperatura del bulbo hmedo permanecen

prcticamente constantes durante el proceso de secado adiabtico.



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Problemas de aplicacin de la psicrometra

Ejemplo 1.

Un depsito de granos debe ser secado con aire a una temperatura del bulbo seco de

43.3C y una tasa de flujo de aire de 1699.2 . Si las condiciones del aire en el

ambiente son 29.4C del bulbo seco y 21.1C del bulbo hmedo, determine la cantidad

de calor sensible requerido por hora para calentar el aire si la humedad relativa media de

salida del aire despus de que ste pasa a travs del grano es 85%. Encontrar la cantidad

de humedad removida del grano por hora.

Solucin:

Los puntos de los estados 1 y 2 representan las propiedades del aire antes y despus del

proceso de calentamiento sensible (ver figura). El volumen especfico del aire de

entrada es 0.87 . As, la tasa de flujo msico es:

(1669.2 0.87 ) = 1953.1 kg/h

Dado que la entalpa del aire en los puntos 1 y 2 es 61.5 y 76.6 kJ/kg de aire seco,

respectivamente, la cantidad de calor requerido para calentar el aire es:

La razn de humedad del aire antes de que ste pase a travs del grano es 0.0124 kg de

agua/kg de aire seco. Despus de que pasa a travs de la masa de grano, la razn de

humedad del aire incrementa a 0.0192 kg de agua/kg de aire seco. As, a una tasa de

flujo de aire de 1953.1 kg/h, la cantidad de humedad removida del grano es:

( )



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Ejemplo 2.

En una secadora de granos de flujo concurrente, la corriente de aire hmedo que sale de

la seccin de enfriamiento (1699.2 /h, 35.0C de temperatura del bulbo seco, 31.1C

de temperatura del bulbo hmedo) se mezcla con el aire del ambiente (1699.2 /h,

12.8C de temperatura del bulbo seco, 10.0C de temperatura del bulbo hmedo) antes

de que la mezcla sea dirigida al quemador.

Determinar las temperaturas del bulbo seco y el bulbo hmedo de la mezcla antes de

que sta llegue al quemador.

Solucin:

Se deben localizar los puntos de los estados 1 y 2 sobre la carta psicromtrica y dibujar

una lnea recta entre ellos (ver figura). Los volmenes especficos de esos puntos son

y

. De esta manera, las tasas de flujo msico

son:

Despus es necesario calcular las condiciones de mezcla mediante el uso de ecuaciones

conocidas en el proceso de mezclado adiabtico:

Balance de entalpa:

Tasa de flujo msico para el aire seco:

Tasa de flujo msico para vapor de agua:

As:

kg de vapor de agua/kg de aire seco



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kJ/kg de aire seco

Las temperaturas del bulbo seco y el bulbo hmedo de la mezcla, ahora se pueden leer

directamente de la carta psicromtrica:

Los puntos de estado de la mezcla, tambin puede ser encontrados en la carta

psicromtrica localizndolos en una distancia de:

Entonces si la distancia entre los puntos 1 y 2 es medida y la longitud multiplicada por

la relacin /( ), la distancia entre los puntos 1 y 3 o 2 y 3 puede ser

determinada. Debe observarse que la longitud ms corta corresponde a la tasa de flujo

msico ms grande.

Ejemplo 3.

En determinado momento, las condiciones del ambiente son 35C y 25% de humedad

relativa, determine la temperatura del bulbo seco a la cual el aire de ventilacin podra

ser enfriado si pasa a travs de un equipo de enfriamiento evaporativo con una

eficiencia de 75%. Calcule cunta agua debe ser aadida a cada metro cbico de aire

que pasa a travs del enfriador.

Solucin:

Sobre la carta psicromtrica, se observa que la temperatura del bulbo hmedo

correspondiente a las condiciones dadas es 20C. La depresin de la temperatura del

bulbo hmedo es 35C-20C = 15C. Un equipo de enfriamiento operando al 75% de

eficiencia, enfriar el aire a 0.75(15C) = 11C y reducir la temperatura del bulbo seco

a 35C-11C = 24C.

En condiciones iniciales, el volumen especfico es 0.88 y la razn de humedad

es 0.00876 kg/kg. En una temperatura del bulbo hmedo de 20C y una temperatura del

bulbo seco de 24C, sobre la carta psicromtrica, la razn de humedad es 0.01320

kg/kg.

Un metro cbico de aire contiene 1.0 (0.88 kg) = 1.14 kg de aire hmedo (aire

seco ms vapor de agua). El cambio en la razn de humedad es 0.01320 kg/kg

0.00876 kg/kg = 0.004444 kg/kg. Entonces, el total de agua obtenida por cada metro

cbico de aire exterior ser (1.14 kg)(0.004444 kg/kg) = 0.005 kg, o aproximadamente

0.005 L.



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Ejemplo 4.

Determine el estado final del aire hmedo que originalmente se encuentra a 20C y 50%

de humedad relativa, si son removidos 10 kJ de 1.2 kg de aire.

Solucin.

Se trata de un proceso de enfriamiento sensible, donde el calor especfico del aire es

aproximadamente 1.006 kJ/kgK, entonces, el cambio de temperatura se calcula como:

y la temperatura final es 20C - 8.28 K = 11.72C. Si el proceso es trazado sobre una

carta psicromtrica:

La razn de humedad permanece constante a 0.00725 kg/kg, y la humedad relativa se

incrementa a aproximadamente a 85%.

Un medio alternativo para seguir el proceso sobre una carta psicromtrica comienza con

el clculo del cambio en la entalpa:

La entalpa inicial 38.5 kJ/kg puede ser encontrada en la carta psicromtrica a partir de

las condiciones iniciales.

Entonces, la entalpa final es 38.5 - 8.3 = 30.2 kJ/kg. La interseccin de este nuevo valor

de la entalpa y una lnea de la razn de humedad constate dibujada a travs de las

condiciones iniciales de 20C y 50% de humedad relativa, provee una estimacin del

punto final del proceso a una temperatura del bulbo seco ligeramente menor a 12C.



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Ejemplo 5.

Se va a disear un sistema de enfriamiento evaporativo para ventilar un alojamiento

avcola que se encuentra en un clima caliente y seco. La nave avcola contar con un

sistema de ambiente controlado y ser totalmente cerrada. Las condiciones climticas de

diseo del lugar donde se encuentra ubicado el alojamiento, son: 40C de temperatura

del bulbo seco con una humedad relativa del 20%. Cuando opere el sistema de

enfriamiento evaporativo, se espera tener 75 de aire exterior pasando a travs de

los pneles de evaporacin y 15 de aire exterior pasando a travs de la nave por

un mecanismo de infiltracin. La infiltracin afecta el proceso de enfriamiento por

evaporacin. Cada tasa de flujo volumtrico se determina con base a las condiciones del

aire en el exterior.

Los pneles evaporativos proporcionan 75% de eficiencia si se mantienen

adecuadamente. Para evitar la acumulacin de sal en los pneles de evaporacin, debe

fluir ms agua a travs de ellos que la necesaria para la evaporacin. El exceso de agua

eliminar las sales en los pneles. Se recomienda una relacin de 3.0 de flujo de

agua/tasa de evaporacin.

Las nicas ganancias de calor significativas en la nave avcola son el calor sensible y el

calor latente proveniente de las aves. Debido a que la ventilacin es tan rpida

(aproximadamente el cambio de aire se realiza en un minuto), como una primera

aproximacin se pueden despreciar las ganancias o prdidas de calor a travs de la

cubierta de la construccin. Se espera que las aves produzcan 250 kW de calor total, del

cual 40% es calor latente y el resto es calor sensible.

Se puede asumir que el aire en el interior de la construccin se encuentra bien mezclado

(uniforme en todas partes). Se espera que la presin atmosfrica sea normal, tomando en

cuenta que la localizacin de la nave se encuentra a nivel del mar. Para realizar el

anlisis, se deben completar los siguientes tres clculos:

1- Determinar las propiedades psicromtricas del aire que ingresa la nave (la

infiltracin ms la mezcla de aire enfriado, ambos antes de que el calor y la

humedad sean aadidos por las aves).

2- Determinar las propiedades psicromtricas y la tasa de flujo volumtrico

expulsado de la construccin (despus de que el calor sensible y el calor latente

son aadidos por las aves).

3- Determinar el caudal (L/s), a la cual una bomba deber suministrar el agua a los

pneles de enfriamiento



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Solucin:

El proceso de ventilacin es representado en el siguiente diagrama. El aire en el estado 1

se encuentra en condiciones del exterior, 40C y 20% de humedad relativa. El estado 2,

describe el aire el cual ha sido pasado a travs del sistema de enfriamiento evaporativo,

y el estado 3 describe la mezcla del aire enfriado y el aire infiltrado. El estado 3, es el

estado efectivo del aire de ventilacin, una vez que ste entra a la nave. El estado 4

describe el aire expulsado del alojamiento, despus de haber ganado el calor sensible y

latente de las aves.

El cambio del estado 1 al estado 2 es un enfriamiento evaporativo, de 1 y 2 a 3 es una

mezcla adiabtica y de 3 a 4 es un proceso de calentamiento y humidificacin.

En el estado 1:

(Temperatura del bulbo seco: 40C)

(Humedad relativa: 20%)

Presin parcial de saturacin del vapor de agua: 7.38 kPa

Presin parcial del vapor de agua: 1.48 kPa

Razn de humedad: 0.009199 kg/kg

Volumen especfico: 0.893

Entalpa: 63.9 kJ/kg

Temperatura del bulbo hmedo: 22C

Temperatura del punto de roco: 12.6C

La tasa de flujo msico a travs del sistema de enfriamiento evaporativo es:

Y la tasa de flujo msico que entra a la nave por infiltracin es:

El siguiente paso es determinar las propiedades del aire despus de que ste deja el

sistema de enfriamiento evaporativo (estado 2). La temperatura del bulbo hmedo del

estado 1 es 22C, el cual sufre una depresin de 40C-22C = 18 K. El sistema de

enfriamiento tiene una eficiencia de 75%, entonces, el actual efecto de enfriamiento es

0.75(18 K) = 13.5 K. Como consecuencia, la temperatura del bulbo seco del aire que

deja el enfriador evaporativo es 40C-13.5 K = 26.5C, mientras que la temperatura del

bulbo hmedo sigue siendo 22C.



pg. 27

Conociendo estas dos propiedades del estado 2, el resto pueden ser encontradas a partir

de la carta psicromtrica o de las ecuaciones psicromtricas:

(Temperatura del bulbo seco: 26.5C)

(Temperatura del bulbo hmedo: 22C)



Razn de humedad: 0.014783 kg/kg

Humedad relativa: 67.9%

Entalpa: 64.3 kJ/kg

Temperatura del punto de roco: 20C


Ahora se conocen los estados de cada flujo de aire que participa en el proceso. As, el

estado de la mezcla se puede determinar mediante el uso de ecuaciones conocidas en el

proceso de mezclado adiabtico:

Ahora pueden ser encontradas las propiedades del estado 3:

(Razn de humedad: 0.013843 kg/kg)

(Entalpa: 64.2 kJ/kg)

Temperatura del bulbo seco: 28.7C

Temperatura del bulbo hmedo: 22C




Humedad relativa: 56%


Debe notarse que la temperatura del bulbo hmedo no cambia durante el proceso de

mezclado. En general, podra ser esperado un cambio, pero en este ejemplo, los dos

flujos de aire que son mezclados tienen una temperatura de bulbo hmedo de 22C.

Despus del mezclado adiabtico, el siguiente proceso es de calentamiento y

humidificacin. Como se dijo anteriormente, las propiedades psicromtricas al final de

un proceso no son funciones de la trayectoria del proceso. El calentamiento y la

humidificacin pueden ser tratados por separado.



pg. 28

Hay 101 kg/s de aire en el estado 3 (y en el estado 4). Para este aire, son aadidos 150

kW (kJ/s) de calor sensible y 100 kW de calor latente. El cambio de temperatura de

bulbo seco de la calefaccin puede ser determinado como:

La temperatura del bulbo seco del aire dentro del alojamiento es 28.7C+1.5 K = 30.2C

El calor de vaporizacin del agua a 30.2C, es:

Y el cambio en la razn de humedad resultante de la adicin de calor latente por parte

de las aves es:

La razn de humedad del aire dentro del alojamiento es igual a la relacin de humedad

del aire que entra en el mismo ms el cambio o bien 0.013843+0.000408 = 0.014251

kg/kg. Una vez que se conocen dos propiedades, las otras son:

(Temperatura del bulbo seco: 30.2C)

(Razn de humedad: 0.014251 kg/kg)



Humedad relativa: 53%


Entalpa: 66.8 kJ/kg

Temperatura del bulbo hmedo: 22.7C


La razn de flujo volumtrico del aire expulsado de la nave es:

La cual es ligeramente menor que la tasa volumtrica total del aire en el exterior

entrando a la construccin (75 = 90 ). La diferencia se debe a

las cambios de temperatura del bulbo seco y el contenido de humedad.

El cambio en la razn de humedad del aire que pasa a travs del sistema de enfriamiento

evaporativo es 0.014783 kg/kg 0.009199 kg/kg = 0.005584 kg/kg. Esto con base en

los datos obtenidos en el anlisis del proceso de enfriamiento evaporativo. La tasa de



pg. 29

flujo de aire total a travs del enfriador es 84 kg/s, entonces, el agua se evapora a una

tasa de:

La tasa de bombeo debe ser el triple que la tasa de evaporacin del agua, o

aproximadamente 1.41 kg/s (1.5L/s). En un diseo actual, este tasa de bombeo de la

bomba de agua se puede especificar en una cada de presin calculada por separado para

el sistema de bombeo utilizado.

2.2.3.2 Transferencia de calor

La transferencia de calor es la ciencia dedicada al estudio de los procesos de

propagacin del calor en los cuerpos slidos, lquidos y gaseosos. El calor puede

transferirse de tres modos fundamentales: conduccin, conveccin y radiacin.

CONDUCCIN

Preliminares :

La transferencia de calor por conduccin se presenta entre dos cuerpos solidos

en contacto o entre las partculas de un mismo cuerpo, cuando hay una

diferencia de temperatura.

Campo de temperatura, en general, el proceso de transferencia de calor por

conduccin est acompaado por la variacin de la temperatura T tanto espacial

como temporalmente.

T =f(x, y, z, t),

donde x, y, z = coordenadas del punto del cuerpo;

t = tiempo

Esta funcin determina el campo de temperatura en el cuerpo considerado. Hay dos

clases de campos de temperaturas:



pg. 30

Gradiente de temperatura

Ley bsica de conduccin del calor: ley de Fourier.

La cantidad de calor dQ en jolues que pasa a travs de una rea elemental de dA sobre

una superficie isotrmica durante el intervalo de tiempo dt, est dada por la siguiente

ecuacin:

dQ (

) [ ]

La cantidad de calor que pasa a travs de la unidad de rea de una superficie isotrmica

por unidad de tiempo se llama tasa de flujo de calor.

q

(

) *

+

La cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a travs de una superficie arbitraria

A, est dada por la siguiente ecuacin:

Q

(

) [ ]

Ecuacin diferencial de conduccin del calor.

Hiptesis:

a) No hay fuentes internas de calor

b) El cuerpo considerado es homogneo e isotrpico

c) Se aplica la 1ra ley de la Termodinmica.

(

)

O bien, de manera abreviada:

T

Donde (

) se llama operador de Laplace y la magnitud a =

se llama difusividad trmica.

0



pg. 31

Aplicaciones de la ecuacin diferencial de conduccin del calor

1) Consideremos el caso ms comn que se encuentra en las construcciones

agrcolas, relativo a la transferencia de calor por conduccin a travs de una

pared plana simple, en condiciones de estado permanente.

Bajo las condiciones establecidas anteriormente, la ecuacin general

(

), se reduce a la siguiente forma:

Primera integracin

Segunda integracin T= Ax + B

Despus de aplicar las condiciones de frontera, se encuentra la tasa de flujo de calor a

travs del espesor de la pared plana:

q =

( ) *

+

Conociendo la tasa de flujo de calor, se calcula la cantidad total de calor que es

transferido a travs del rea de la superficie de la pared durante el tiempo t:

Q =

( )t [ ]



pg. 32

2) Transferencia de calor por conduccin a travs de una pared plana compuesta,

bajo conducciones de estado permanente.

Q =

[J]

3) Transferencia de calor por conduccin a travs de una pared cilndrica simple,

en condiciones permanentes

Q =

[J]

Q =

[J]



pg. 33



pg. 34

q

motorluces

calentador

ventiladorentrada

animalesagua

vapor

vi

qso

qh qm

qw

qvo

qw

qf

qsqe

2.2.3.3 Balance de energa: calor

donde:

Ganancia de calor sensible aportado por los ocupantes: animales, plantas,

productos, personas.

Ganancia de calor sensible aportado por equipos mecnicas tales como motores y

lmparas.

Ganancia de calor sensible aportado por el sol.

Ganancia de calor sensible aportado por el sistema de calefaccin.

Calor sensible contenido en el aire que entra a travs del sistema de ventilacin.

Transferencia de calor sensible a travs de la cubierta estructural de la

construccin.

Transferencia de calor sensible a travs del piso de la construccin, principalmente

en el permetro.

Tasa de conversin de calor sensible a calor latente en el interior de la

construccin.

Calor sensible contenido en el aire que sale a travs del sistema de ventilacin.

El volumen de control para el balance de energa es el aire en el espacio limitado por las

paredes, el piso, el techo, y los planos imaginarios en las entradas y salidas de la

ventilacin. La forma general de un balance de energa para un volumen de control es:

Y si las condiciones estn en estado estacionario, no hay un cambio en el sistema. El

balance de energa sensible en estado estacionario se puede reorganizar en la forma:



pg. 35

2.2.3.4 Balance de masa

Los trminos de flujo de masa son:

= La tasa a la que se produce el material de inters (vapor de agua, dixido de

carbono, etc.) en el interior de la construccin.

= La tasa a la que el material de inters es introducido al interior de la construccin

mediante ventilacin.

= La tasa a la que el material de inters es retirado de la construccin por la

ventilacin.

En el balance de masa se asume que:

La transferencia de masa mediante difusin a travs de la cubierta estructural y

el piso se puede despreciar.

Las fuentes del material de inters pueden ser muchas, pero se muestra como un

todo colectivo.

Se asume que el material de inters no sufre ninguna transformacin dentro del

espacio [tal como la conversin de calor latente (en humedad) a calor sensible

mediante la condensacin para formar niebla].

El nico mecanismo de remocin es la ventilacin; por ejemplo, el polvo en el

aire no se asientan en el suelo o se adhiera a las paredes.

El aire en el espacio est bien mezclado.

El balance de masa en estado estacionario es:

unidad_2

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