SICROMETRIA INTRODUCCIÓN. EL AIRE ATMOSFÉRICO Componentes. Composición EL AIRE HÚMEDO

Transcripción

1 INRODUCCIÓN SICROMERIA EL AIRE HÚMEDO El término sicrometría (o sicrometría tiene su origen en l raíces grieg "sykhos" (frío y "metron" (medida, englobando la caracterización del estado termo higrométrico del aire húmedo que nos rodea. El entorno geoso que enuele la tierra, el aire atmosférico, está constituido or una mezcla de ges, entre los que se encuentra el aor de agua. Si se rescinde de este último comonente, el agua, tenemos lo que se conoce como "aire seco", disonible únicamente a artir de unos 0 Km. de altura. No obstante, su comosición es rácticamente constante hta una altura de 00 a 50 Km., or lo que en todo lo que sigue esta mezcla será considerada a todos los efectos como un único comonente. En be a lo anterior, el aire húmedo uede ser considerado como una mezcla no homogénea de dos comonentes; aire seco y agua. E. ORRELLA E. ORRELLA EL AIRE AMOSFÉRICO Comonentes AIRE SECO Comosición AIRE HÚMEDO NIRÓGENO 78. NIRÓGENO 75.5 AIRE SECO HUMEDAD (AGUA ARGON 0.9 ARGON.3 Nitrógeno Vaor de agua OROS 0. OXÍGENO 0.8 OROS 0. OXÍGENO 8. Oxígeno Argon Agua líquida (lluia, bruma, niebla Hielo COMPOSICIÓN EN VOLUMEN (% COMPOSICIÓN EN MASA (% Otros ges E. ORRELLA 3 E. ORRELLA 4

2 AIRE HÚMEDO Comortamiento EL VAPOR DE AGUA Desiación con g erfecto LEYES BÁSICAS [ C] 5 P [BAR] [m 3 /Kg] 47. P V/R ERROR [%] LEY GAS PERFECO LEY DALON LEY GIBBS E. ORRELLA 5 E. ORRELLA 6 EL AIRE SECO Desiación con g erfecto EL AIRE HÚMEDO Ley de Dalton [ C] P [BAR] [m 3 /Kg] PV/R ERROR [%] La ley de Dalton establece que en una mezcla de dos ges, cada uno de ellos se comorta como si estuiera sólo, ocuando or tanto todo el olumen osible, siendo la resión resultante en la mezcla la suma de l resiones arciales debid a cada comonente, en nuestro co: V m V M = R = R = + E. ORRELLA 7 E. ORRELLA 8

3 EL AIRE HÚMEDO Ley de Gibbs VARIABLES SICROMÉRICAS Para el co de mezcl geos (el agua sólo en fe aor, la alicación de la ley de Gibbs ermite establecer el número de ariables que definen un estado. Esta ley imlica la siguiente relación: Nº ariables inde. = Nº comonentes Nº fes + or lo que ara l mezcl de aire seco y aor de agua; Nº ariables indeendientes = - + = 3 Consecuenci: Son necesari tres ariables ara definir un estado de la mezcla. omando como fija la resión total (atmosférica, el número se reduce a dos. REFERENCIA HUMEDAD REFERENCIA NIVEL ÉRMICO IPOS VARIABLES REFERENCIA CONENIDO ENERGÉICO ORAS VARIABLES E. ORRELLA 9 E. ORRELLA 0 VARIABLES REFERIDAS AL CONENIDO EN HUMEDAD HUMEDADES ABSOLUA Y ESPECÍFICA VARIABLES HUMEDAD HUMEDAD ABSOLUA m H a = V 3 [Kg/ m ] HUMEDAD ABSOLUA HUMEDAD ESPECÍFICA HUMEDAD RELAIVA GRADO DE SAURACIÓN HUMEDAD ESPECÍFICA m w= [ Kg / Kg ] m COMPARACIÓN: La referencia al olumen no es muy oeratia, al oder cambiar este en l transformaciones de tratatamiento. La referencia a la ma de aire seco es coneniente al no ariar en los rocesos, de ahí que sea de mayor utilización la humedad esecífica. E. ORRELLA E. ORRELLA 3

4 RELACIÓN Presión aor/humedad HUMEDAD RELAIVA LEY GASES PERFECOS RELACIÓN m w= m m. m = R R. R = = 0,6 = 0,6. R - Es la relación que existe entre la resión de aor de un aire húmedo y la que se tendría en co de saturación a la misma temeratura. ϕ = s.00 [%] Decir que un aire está saturado, suone que lo está en aor de agua, esto es, que la resión arcial del aor en la mezcla es igual a la de saturación corresondiente a la temeratura a que se encuentre la mezcla. En este estado, el aor se encuentra sobre la línea de cambio de fe líquido aor, en la que resión y temeratura no son indeendientes, ara cada resión de aor existirá una temeratura fija y iceersa, s = f(. E. ORRELLA 3 E. ORRELLA 4 AIRE EN ESADO SAURADO CORRELACIONES s = f( L exresiones, con [K] y [Pa], del ASAE Standard Psychrometric Data ASAE D7, son: ln(ps = ( / ln( [en el rango 55,38 < < 73,6] ln(ps/r = (A + B + C + D3 + E4/(F - G ; [en el rango 73.6 <= <= 533.6] con: R = ; A = ; B = ; C = ; D = 0.558e-3; E = e-7; F = ; G = e- Obsérese que l exresiones difieren ara alores de temeratura or encima y or debajo de 0ºC aroximadamente. La relación, entre temeratura y resión a saturación, uede aroximarse, en el interalo de 0 a 50ºC, con [ºC] y [Pa], mediante: 7,5 Log 0 s = 37,3+ +,7858 E. ORRELLA 5 AIRE EN ESADO SAURADO CORRELACIONES s = f( Exresión ASHRAE, según la cual: C 3 5 ln( s = + C + C + C + C + C + C ln( CONSANE SOBRE HIELO (-00 < < 0 ºC unidades de [K] y de s [Pa] SOBRE AGUA (0 < < 00 ºC C E E+3 C E E+0 C E E- C E E-5 C E E-8 C E C E. ORRELLA 6 4

5 AIRE EN ESADO SAURADO GRADO DE SAURACIÓN s [bar] s sobre agua s sobre hielo Punto trile E. ORRELLA [ºC] 7 El grado de saturación es la relación entre la humedad esecífica de un aire húmedo y la que este tendría en co de saturación ara la misma temeratura. w GS =.00 ws Relación con la humedad relatia 0,6 w P - ( - s GS = 00 = 00 = 00 ws s s ( - 0,6 - s GS = φ - - s E. ORRELLA 8 GS φ SENSORES DE HUMEDAD VARIABLES REFERIDAS A EMPERAURA VARIABLES NIVEL ÉRMICO EMPERAURA SECA EMPERAURA DE ROCÍO EMPERAURA DE SAURACIÓN ADIABÁICA EMPERAURA HÚMEDA E. ORRELLA 9 E. ORRELLA 0 5

6 EMPERAURA SECA Esta medida es la que suministra un termómetro, de cualquier tio, situado en el seno del aire húmedo sujeto a estudio, conocida generalmente como temeratura ambiente". EMPERAURA DE ROCÍO Es la temeratura resultante de un roceso de saturación, realizado sobre un aire húmedo, lleado a cabo a resión arcial de aor constante, o lo que es igual al saturar un aire húmedo sin modificación de su contenido en humedad. E. ORRELLA E. ORRELLA [ºC] EMPERAURA DE ROCÍO Saturación a w constante Dado que siemre suonemos una resión total constante (atmosférica, al mantenerse la resión arcial de aor, también lo hace la del aire seco. La saturación a la que se hace referencia, se realiza de forma isobárica, ero de ninguna manera adiabáticamente, ya que hay que sustraer una cantidad de calor, or unidad de ma de aor, igual al area abcd, y or unidad de ma de aire seca otra cantidad igual al area a'b'c'd'. Aire seco Vaor de agua a a b 0 0 b 0 0 c d c d s [kj/kg K] s [kj/kg K] E. ORRELLA 3 [ºC] EMPERAURA DE ROCÍO Exresiones La temeratura de rocío en [ºC] uede ser determinada directamente con ayuda de la siguiente correlación: = ln( +.689[ ln( ] r álida en el interalo comrendido entre 0 y 70ºC En co de temeratur negati (hta -60ºC se uede utilizar: = ln( [ ln( ] r En ambos co con la resión de aor en [Pa]. E. ORRELLA 4 6

7 EMPERAURA DE SAURACIÓN ADIABÁICA MEZCLAS AIRE/AGUA emeratur de saturación adiabática y húmeda Esta temeratura es la que debe tomar una ma de agua, en contacto con una corriente de aire, ara conseguir, de forma adiabática, la saturación de éste. E. ORRELLA 5 E. ORRELLA 6 SAURADOR ADIABÁICO ESQUEMA DE PRINCIPIO SAURADOR ADIABÁICO Caudales másicos Paredes adiabátic M de aire húmedo m= m m = m + m + m h m h m h m h m Inarianza en el aire seco m= m= m Cantidad de agua que se adiciona a la corriente de aire: = m= m - m = m ( w - w m E. ORRELLA 7 E. ORRELLA 8 7

8 SAURADOR ADIABÁICO Balance energético SAURADOR ADIABÁICO em. adiabática El balance energético conduce a: m h+( m - m hl = m h h+( w - w hl= h en la que "h L " es la entalía del agua líquida aortada a la temeratura de saturación adiabática "",queestambiénladelacorrientedeaireala salida. Analizando la última exresión uede obserarse que el roceso descrito se acerca al isoentálico en la medida que ueda desreciarse el término "(w - w h L ", que recibe la denominación de "desiación". h m h m Del balance energético: h - w h = h - w h L El segundo miembro deende de: h L =c L ( - 0 = f ( w = f (; ya que el aire se encuentra a saturación y a. h =c a + w (l + c = f3 ( En consecuencia, se desrende una relación entre el estado "" y (temeratura de saturación adiabática, es decir esta temeratura es una característica del aire de entrada. = F ( w, L h m h m E. ORRELLA 9 E. ORRELLA 30 SAURADOR ADIABÁICO Exresión final Retomando el balance energético, y descomoniendo la entalía esecífica del aire húmedo, se tiene: h a + w h +( w - w h L = ha + w h w ( h - hl = ha - ha+ w ( h - hl y dado que la temeratura de salida es la de saturación adiabática "" la diferencia de entalí (h - h L no es m que el calor latente de aorización a la temeratura de saturación adiabática (λ, con lo que: finalmente = h w - ha+ w h - h L a λ - λ w w = = c a+ w c E. ORRELLA 3 ( - EMPERAURA HÚMEDA La temeratura de bulbo húmedo es aquélla que marca un termómetro, cuyo sensor está húmedo e inmerso en la corriente de aire. En este roceso deben eitarse la osibilidad de intercambio de calor or conducción y radiación. La temeratura medida es la del agua que baña el sensor. Conexión ermómetro deósito agua ermómetro bulbo seco bulbo húmedo E. ORRELLA 3 8

9 MEZCLAS AIRE/AGUA emeratura húmeda (,P Φ = 00% Gota de agua P aire no a M saturado (,P a P a M' b P b b (,P M" Aire no saturado P EMPERAURA HÚMEDA Existirá un instante, en que todo el calor necesariodecambiodeestadodelagualo suministrará el aire húmedo y or tanto la temeratura del agua no descenderá, esta temeratura es la denominada de bulbo húmedo. En est condiciones tendremos un equilibrio de energí entre el calor latente de aorización del agua líquida y el sensible aortado or el aire. E. ORRELLA 33 E. ORRELLA 34 EMPERAURA HÚMEDA Exresión Potencia necesaria ara la aorización = K A( q s - λ = K A( ws - w λ Potencia intercambiada or conección q = α A( En equilibrio, igualando otenci q = q α A( - h = K A( ws - w λ La temeratura de bulbo húmedo será: K h= - λ ( ws - w α E. ORRELLA 35 - h EMPERAURA HÚMEDA Exresión II La temeratura de bulbo húmedo uede obtenerse mediante la exresión: enlaque(temeraturecaseencuentraentre55.38y533.6k,yel alor de B iene dado or y λ h se corresonde con el calor latente de aorización del agua a la temeratura de bulbo húmedo, el cual ude estimarse or medio de: λ l resiones exresad en [Pa]. s( h = B ( B = λ ( E. ORRELLA 36 h s( h + h [ J / kg] = ( 73.6 ; K 7 h h h 9

10 CONENIDO ENERGEICO Entalía esecífica La entalía del aire húmedo se calcula en be a la sumadelcorresondientesuscomonentes. La entalía es una magnitud extensia, y suele definirseconresectoalaunidaddemadeaire seco, or ser esta un inariante en los rocesos de tratamiento de aire. Entalía del aire seco (origen de entalí considerado ara el aire es el de 0ºC y 760 mm Hg h a = c a [Kcal/ Kg KJ/ Kg Entalía del aor de agua (origen agua saturada a 0ºC h= w( c E. ORRELLA 37 ó + λ = w c + w λ ] CONENIDO ENERGEICO Entalía esecífica De todo lo anterior odemos escribir, que la entalía del aire húmedo es: h= c a + w( λ + c con c a calor esecífico del aire seco c = calor esecífico a resión constante del aor = temeratura seca λ = calor latente de aorización del agua a 0ºC E. ORRELLA 38 SENSOR DE ENALPIA En realidad los sensores de entalía no realizan una medida directa, sino que obtienen su alor a artir de otr dos ariables sicrométric. RANSFERENCIA SIMULÁNEA DE CALOR Y MASA ENALPÍA POENCIAL El intercambio energético que se roduce en rocesos con aire húmedo, en los que coexisten transferenci de calor y de ma de aor de agua, comortan en el balance energético total dos comonentes; uno sensible debido a la diferencia de temeratur, y otro latente de intercambio de agua La entalía otencial es la fuerza imulsora de la transmisión energética que se roduce con intercambio conjunto de calor sensible y latente (ariación de temeratura y ma de aor de agua. E. ORRELLA 39 E. ORRELLA 40 0

11 RANSFERENCIA MASA Y ENERGÍA Esquema del roceso ENALPÍA POENCIAL a ; w a Q ; w Para discernir cual es la "fuerza imulsora" del fenómeno de transferencia conjunta, consideremos el ejemlo esquematizado sobre la figura, en la que se muestra la interacción entre una corriente de aire, en condiciones de temeratura seca " a " y humedad esecífica "w a ", uesta en contacto con una ma de agua caliente. En la interfe aire-agua existirá una caa de aire saturado, en condiciones " l,w I ". El flujo energético total, suma de calores sensible y latente es de: Φ = ΦS + ΦL = α= I - a + K ( wi - wa λ L con "λ L " calor latente de aorización a la temeratura del agua. La introducción de la relación de Lewis (alor unidad en este co nos ermite escribir: α = K c ( c = c a + w c or lo que la exresión del flujo total se conierte en: Φ = K [ c ( I - a + ( wi - wa λl ] E. ORRELLA 4 E. ORRELLA 4 ENALPÍA POENCIAL La definición de la entalía del aire húmedo imlica: h = c + w λ Si se desrecia la diferencia de calores de aorización a 0 C y a la temeratura del agua, odemos reescribir la exresión del flujo total de tal modo que: Φ = K c ( hi - ha Deduciéndose que sí en la transferencia de calor sensible la fuerza imulsora es un gradiente de temeratur, y en la de ma un gradiente de resiones de aor, cuando amb tienen lugar simultáneamente la acción resultante se debe a una diferencia de entalí. ORAS VARIABLES SICROMÉRICAS E. ORRELLA 43 E. ORRELLA 44

12 DENSIDAD DEL AIRE HÚMEDO La densidad es la suma de l m de aire seco y humedad or unidad de olumen de aire húmedo: m + m m m ρ = = + = ρ + ρ = + = V V V R R - R - = + = + R = R R R R R -3 = - 3, 0 87 Obsérese que un aire es tanto menos denso cuanto m húmedo se encuentra, e introduciendo el conceto de humedad relatia, se obtiene finalmente: -5 s ρ = - 3, 0 φ 87 E. ORRELLA 45 VOLUMEN ESPECÍFICO DEL AIRE HÚMEDO El olumen esecífico de un aire húmedo es el olumen de éste contenido en la unidad de ma de aire seco. V e = m 3 [ m / Kg El olumen esecífico de un aire húmedo está en relación con la ma de aire seco, or lo que su alor difiere del de la densidad. m ρ = = V 87 finalmente = (, + w = = e = w 0, 6 + w e - - E. ORRELLA 46 ] VOLUMEN ESPECÍFICO ORAS VARIABLES RESUMEN Coniene hacer una última obseración, consistente en que en la ráctica la corriente de aire se muee debido a la acción de un entilador, del que suele ser conocido su caudal olumétrico, y no el caudal másico de aire seco. El olumen esecífico ermite calcular el caudal olumétrico de aire en función del másico de aire seco: 3 3 G [ m /h] = e [ m / Kg ] G m [ Kg /h] ORAS VARIABLES Densidad ρ ah (M + M /V V. esecífico e V/M ρ ah / e E. ORRELLA 47 E. ORRELLA 48