Psicrometría y sus aplicaciones
Introducción:
La 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 simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y
distribución, para que cumpla con los requisitos del espacio
acondicionado".
Como se indica en la definición,
las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema de aire
acondicionado son:
1. Control de la temperatura.
2. Control de la humedad.
3. Filtración, limpieza y purificación del aire.
4. Circulación y movimiento del aire.
Conocer el Balance de Materia y
Energía es fundamental para saber cuánta cantidad de masa y energía tanto
calórica o fría se requiere para tener un producto finalizado. La masa y
energía que entran, salen y se acumulan en el sistema.
Psicrometría:
Habla del estudio de las propiedades termodinámicas del aire como calor,
trabajo y energía.
Psicrometría es una palabra que impresiona, y se define como la medición
del contenido de humedad del aire. Ampliando la definición a términos más
técnicos, psicrometría es la ciencia que involucra las propiedades
termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los
materiales y el confort humano.
Ampliando aún más, incluiríamos el método de controlar las propiedades
térmicas del aire húmedo. Lo anterior, se puede llevar a cabo a través del uso
de tablas psicrométricas o de la carta psicrométrica.
La importancia es que influyen en la conservación de los alimentos
principalmente los alimentos frescos en los cuales se debe controlar la humedad
del ambiente, la temperatura y la producción de
CO2 (Dióxido de Carbono) al igual que la composición del
aire. En la conservación de frutos secos se debe proteger al producto de la
humedad del ambiente.
La psicrometría está relacionada con el diseño de empaques y embalaje de
los alimentos. También en la postcosecha de granos, es de importancia el
estudio de la psicrometría para diseñar los métodos de secado.
Aplicaciones en la industria
– Secado de alimentos
– Humidificación y Deshumidificación
– Almacenamiento
– Refrigeración
– Fermentación de alimentos
– Climatización de plantas industriales y laboratorios
Aire y Humedad y
las Tablas Psicrométricas
¿Cuál es el significado de humedad relativa? ¿Cómo se produce la
condensación de la humedad en un serpentín de enfriamiento? ¿Por qué
"suda" un ducto de aire frío?
Las respuestas a las preguntas anteriores, tienen que ver con las
propiedades de la mezcla de aire y vapor de agua (humedad). El conocimiento de
estas propiedades, es requisito para el acondicionamiento del aire en forma
apropiada y económica.
Propiedades del Aire
Puesto que nosotros podemos movernos tan libremente en el aire, podríamos
suponer que el aire no tiene peso, o por lo menos, tiene tan poco peso, que es
despreciable.
El aire sí tiene peso, y es sorprendentemente pesado. Su densidad (o peso
por metro cúbico) varía, siendo mayor a nivel del mar (donde es comprimido por
todo el aire encima del mismo) que en la cima de una alta montaña.
El aire, no es un vapor saturado que esté cercano a temperaturas donde
pueda ser condensado. Es siempre un gas altamente sobrecalentado, o más
precisamente, es una mezcla de gases altamente sobrecalentados.
Podemos enfriar o calentar el aire, limpiarlo y moverlo, pero esto no
cambia significativamente sus propiedades; ya que, los relativamente pequeños
cambios de temperatura que le hagamos, sólo causan pequeñísimos cambios en el
volumen y la densidad.
Si el aire seco se calienta, se expande; y su densidad disminuye, cuando la
presión permanece constante. Inversamente, si se enfría el aire seco, aumenta
su densidad. Aún más, las temperaturas, densidades, volúmenes y presiones,
todas varían proporcionalmente.
|
|
AIRE SECO
|
||
|
Nombre
|
Símbolo Químico
|
% en peso
|
% en volumen
|
|
Nitrógeno
|
N2
|
75.47
|
78.03
|
|
Oxígeno
|
O2
|
23.19
|
20.99
|
|
Dióxido de Carbono
|
CO2
|
0.04
|
0.03
|
|
Hidrógeno
|
H2
|
0.00
|
0.01
|
|
Gases raros
|
----
|
1.30
|
0.94
|
Gases que componen al aire en la atmósfera
El aire como ya vimos, tiene peso, densidad, temperatura, calor específico
y además, cuando está en movimiento, tiene momento e inercia. Retiene
sustancias en suspensión y en solución. El aire tiene conductividad térmica,
pero ésta es muy pobre.
Debido a que el aire tiene peso, se requiere energía para moverlo. Una vez
en movimiento, el aire posee energía propia (cinética).
La energía cinética del aire en movimiento, es igual a la mitad de su masa,
multiplicada por el cuadrado de su velocidad. La velocidad se mide en metros
por segundo. De acuerdo a la ecuación de Bernoulli, al aumentar la velocidad
disminuye la presión.
La densidad del aire, varía con la presión atmosférica y la humedad. Un
kilogramo de aire seco en condiciones normales (21ºC y 101.3 kPa), ocupa 0.8329
metros cúbicos, tal como se puede apreciar en la tabla “Propiedades del aire
seco a la presión atmosférica”. (Ver anexo)
El calor específico del aire, es la
cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura de un kilogramo
de aire en un grado centígrado. El valor del calor específico del aire seco, a
nivel del mar, es 0.244 kcal/kg ºC.
Propiedades del Vapor de Agua (Humedad)
ü Humedad: presencia de vapor de agua en el aire.
ü El vapor de agua en el aire húmedo está en sus condiciones de saturación
o muy próxima a ellas por encima. 2/3 partes de
la superficie de la tierra es Agua.
ü El vapor de agua se produce a cualquier temperatura.
ü El vapor ejerce una presión definida encima del agua independientemente
de si el espacio encima de agua contiene aire (la presión del aire no ejerce
efecto sobre la presión de vapor)
1.1
Mezclas saturadas y no saturadas de gases y vapor
Vaporización: El agua al ser sometido al calor, se forman burbujas que
cuando explotan empiezan a liberar vapor de agua al espacio.
Cuando un gas o una mezcla gaseosa permanecen en contacto con una
superficie líquida, tomará vapor del líquido hasta que la presión parcial del
vapor en la mezcla gaseosa sea igual a la presión de vapor del líquido a la
temperatura a la que se encuentra.
Cuando la concentración de vapor alcanza este equilibrio se dice que el gas
está saturado de vapor.
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Donde:
P
= Presión (Pa)
F=
Fuerza (Newton (N) = kg*m/s2)
A=
Unidad de Área (metro cuadrado m2)
Saturación Parcial:
Las mezclas no saturadas se dice que tienen una saturación parcial. Si un
gas posee vapor en proporciones tales que su presión parcial es menor que la
presión de vapor del líquido a la temperatura a la que se encuentra, la mezcla
está parcialmente saturada.
Presión de vapor:
La vaporización y condensación a temperatura y presión constantes son
procesos en equilibrio y la Presión de equilibrio se denomina “Presión de
Vapor”
El volumen del componente puro del vapor en un gas saturado puede
calcularse aplicando la ley de gases ideales:
Vv
= V*(Pv/P)
Donde:
Vv = Volumen del
componente puro del vapor
Pv= Presión parcial del
vapor = presión de vapor del líquido a la temperatura a la que se encuentre.
V = Volumen total
P = Presión Total
1.2
Temperatura de rocío y de burbuja
Temperatura de rocío (Tpr)
Es la temperatura a la cual se inicia la condensación
si el aire se enfría a presión constante, es decir es la temperatura de
saturación del agua a la presión parcial del vapor.
Es la temperatura a la cual se condensa la primera
gota de agua.
Los puntos de rocío se refieren a la temperatura y
presión a la cual un sistema condensa.
Cuando, por ejemplo, en una habitación se comienzan a
empañar los vidrios ocurre que se ha llegado al punto de saturación de la
humedad del local y al descenso de la temperatura esa humedad “precipita”,
condensándose sobre las superficies. El rocío matutino sobre las hojas de las
plantas es un ejemplo similar. (Salazar, sf)
Temperatura de burbuja:
Es la temperatura a la cual el líquido está listo para
vaporizarse, es la temperatura que se libera en la superficie.
Los puntos de burbuja, temperatura y presión por su parte, se refieren a
las condiciones en las cuales en un sistema se inicia la ebullición. En el
simple hecho de calentar agua, al momento en que se ve la primera burbuja de
vapor de agua formarse, se ha llegado a las condiciones de burbuja. (Salazar, sf)
1.3
Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo
Antes de conocer las definiciones de temperatura de
bulbo húmedo y seco, es necesario conocer la diferencia que existe entre
Humedad Relativa y Humedad Absoluta.
Humedad Relativa (HR): es la razón entre la presión de
vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presión de vapor de agua cuando el
aire está saturado.
La humedad
relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima
humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando
las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. (Pérez, 2008; Pérez, 2008)
Donde=
Pa =
Presión parcial de vapor
Pas =
Presión del vapor a saturación.
Varía
entre 0 y 1
Humedad Absoluta: Representa la masa de vapor de agua
presente en una masa unitaria de aire seco.
Es la cantidad de vapor de agua (generalmente medida en
gramos) por unidad de volumen de aire ambiente (medido en metros cúbicos).
Es uno de los modos de valorar la
cantidad de vapor contenido en el aire, lo que sirve, con el dato de la
temperatura, para estimar la capacidad del aire para admitir o no mayor
cantidad de vapor.
Ha
= g de humedad /kg de aire seco
Relación entre Humedad Específica
o Absoluta (ω) y Humedad Relativa (ϕ)
- La humedad relativa cambia con la temperatura, pero
la humedad específica se mantiene constante.
- La humedad específica es la cantidad real de vapor
contenida en una unidad másica de aire seco.
- La humedad relativa es la proporción entre la
cantidad real de humedad en el aire y la máxima cantidad de humedad que puede
contener el aire a esa temperatura.
Temperatura de bulbo seco (Tbs)
Es la temperatura medida con un termómetro ordinario,
esta corresponde a la temperatura verdadera del aire húmedo, la temperatura del
aire atmosférico se conoce como temperatura de bulbo seco. (Villamar, 2003)
Temperatura de bulbo humedo (Tbh)
Temperatura a la cual el vapor de agua comienza a
condensarse. Es la temperatura medida con un termómetro que tiene el bulbo
envuelto en una mecha húmeda. (Villamar, 2003)
Si el aire está saturado (Φ=1)
Tbs = Tbh
En el ambiente Tbs > Tbh
Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no es diferente de un termómetro
ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o pedazo de tela alrededor del
bulbo.
Si esta mecha se humedece con agua limpia, la evaporación de esta agua
disminuirá la lectura (temperatura) del termómetro. Esta temperatura se conoce
como de «bulbo húmedo» (bh). Si el aire estuviese saturado con humedad
(100% hr), la lectura de la temperatura en el termómetro de bulbo
húmedo, sería la misma que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr
normalmente es menor de 100% y el aire está parcialmente seco, por lo que
algo de la humedad de la mecha se evapora hacia el aire. Esta evaporación de la
humedad de la mecha, provoca que la mecha y el bulbo del termómetro se enfríen,
provocando una temperatura más baja que la del bulbo seco.
Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de la
humedad de la mecha. Así que, la lectura de la temperatura del bulbo húmedo,
varía de acuerdo a qué tan seco esté el aire. (Psicrometría Cap 13, sf)
1.4
La carta psicométrica
Aire
El aire normal, conocido como aire húmedo en psicrometría está constituido
por una mezcla de aire seco y vapor de agua.
El aire seco es una mezcla de varios gases, siendo la composición general
la siguiente:
Nitrógeno 77%
Oxígeno 22%
Dióxido de carbono y otros gases: 1%
El aire tiene la capacidad de retener una cantidad variable de vapor de
agua en relación a la temperatura del aire. A menor temperatura, menor cantidad
de vapor y a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua; a presión
atmosférica constante.
Definición:
Una carta
psicrométrica, es una gráfica de las propiedades del aire, tales como
temperatura, hr, volumen,
presión, etc. Las cartas psicrométricas se utilizan para determinar, cómo
varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire.
ANEXOS
Propiedades del aire seco a la
presión atmosférica.
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