TEMA 12. PSICROMETRÍA

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1 Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA 12. PSICROMETRÍA TEMA 12: PSICROMETRÍA BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales PROCESOS INDUSTRIALES ANÁLISIS PROCESOS CALOR TRABAJO POTENCIA REFRIERACIÓN PSICROMETRÍA CICLOS DE ENERALIDADES POTENCIA CICLOS POTENCIA DE OBJETIOS DE APOR AS OTROS CICLOS 1. Conocer y calcular las propiedades termodinámicas de los sistemas gas permanente-vapor condensado centrando la atención en el sistema aire-agua 2. Aprender a utilizar el diagrama psicrométrico como herramienta para el cálculo de propiedades y representación de procesos 3. Comprender los fundamentos de los principales procesos psicrométricos entre los que destacan los procesos de secado, acondicionamiento de aire y enfriamiento de agua con aire. 1

2 TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicas Temperaturas DIARAMA PSICROMÉTRICO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicas Temperaturas DIARAMA PSICROMETRÍCO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico 2

3 Introducción PSICROMETRÍA: estudio de las propiedades termodinámicas de sistemas as permanente vapor condensado (N 2 -CH 3 OH) Sistema clásico: aire seco (O 2 + N 2 ) vapor de agua Equilibrio L- simplificado Condiciones ambientales aire húmedo se comporta como mezcla de gases ideales (volatilidades diferentes) Fenómenos de transferencia de materia + transferencia de calor DIARAMA PSICROMÉTRICO: Representación gráfica de dichas propiedades Aplicaciones: Enfriamiento de agua con aire (torres de enfriamiento) Acondicionamiento de aire (humidificación/deshumidificación) Secado Definiciones útiles AIRE HÚMEDO Mezcla de aire seco y agua en estado gaseoso (vapor). El contenido de agua puede ir desde composición cero (aire seco) a saturación (aire saturado). Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y de aire seco, porque la composición del aire seco permanece relativamente constante SATURACIÓN Se produce cuando la presión parcial del agua en la mezcla se iguala a la presión de vapor (P sat ) del agua a esa temperatura 3

4 TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS B DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicast Temperaturas DIARAMA PSICROMÉTRICO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico Propiedades relativas a la composición HUMEDAD ABSOLUTA Cociente entre la masa de agua y la masa de aire seco. Es una composición en exento (referida al componente que no se transfiere) m = m m = m n M = n M P M = PT P M = n n HUMEDAD DE SATURACIÓN aría entre 0 (aire seco) e sat. sat distinta para cada P y T 0 P ( T) S = PT P ( T ) 4

5 Propiedades relativas a la composición HUMEDAD RELATIA Relación presión parcial de vapor y la presión del vapor a saturación. aría entre 0 y 1 P ϕ = 0 P HUMEDAD PORCENTUAL Poco empleada. aría entre 0 y 1 = P S Propiedades térmicas del aire húmedo PRESIÓN DE APOR Ecuación de Antoine Ln ( P ) = T T (K), P (mm Hg) Ecuación de agner T (K), P (Pa) P = Exp Ln ( T ) T T 2 5

6 Propiedades térmicas del aire húmedo CALOR ESPECÍFICO Energía necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de un aire húmedo por kg de aire seco Las propiedades específicas están referidas al aire seco C = C + C as apor Para aire-agua en cond. Ambiente: OLUMEN ESPECÍFICO Si = 0 C = C AIRE SECO = [ = ] kcal / kg º AS C C olumen de una masa de aire húmedo por kg de aire seco Propiedad que permite determinar los flujos volumétricos = n R T 1 = P M T R T + M P T [ = ] m 3 / kg AS Propiedades térmicas del aire húmedo ENTALPÍA ESPECÍFICA Entalpía que posee un aire húmedo por kg de aire seco Contenido térmico f (T, composición) ORIEN DE ENTALPÍAS (Ref.): Aire seco a 0ºC y agua líquida a 0ºC H λ + C T = 0 Q vap agua 0ºC Calentamiento mezcla H [ ] T = kcal / kg = [ ] AS T (ºC) 6

7 Temperaturas TEMPERATURA DE ROCÍO Temperatura a la que se inicia la condensación del vapor de agua si el aire se enfría a presión constante Temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor P = P 0 T ROCIO El aire permanece saturado durante el proceso de condensación siguiendo una línea de humedad relativa de 100% (línea de vapor saturado). La T ordinaria y T rocío son idénticas Temperaturas TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA Temperatura que alcanza una masa de aire húmedo cuando se satura adiabáticamente a P cte en contacto con agua Aire no saturado (,T) H E H R Agua de reposición (T S ) Aire saturado ( S,T S ) H S CAMARA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA IDEAL Recipiente aislado térmicamente Aire saturado a la salida El aire se enfría (cede calor) porque es necesario evaporar una cantidad de agua 7

8 Temperaturas TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA Aire no saturado (,T) H E Aire saturado ( S,T S ) H S BALANCE DE ENTALPÍA: Estado estacionario Adiabático, no trabajo PROCESO ISOENTÁLPICO Origen H: Agua líquida y aire gas a T SAT (H R = 0) H + H = H E R S H R Agua de reposición (T S ) C C = S + TS T λ S λ S λ + C ( T T ) + 0 = λ S Contenido Calor para térmico para enfriar el aire evaporar el húmedo agua (T S ) S S S C cte Temperaturas LÍNEAS DE SATURACIÓN ADIABÁTICA C C = S + TS T λ S λ S C TS = T ( S ) λ Líneas rectas (C cte) y paralelas (distintas ordenadas) que llegan hasta la línea de S (cuando T = T S = S ) Todos los aires con la misma T S adiabática pertenecen a la misma recta y presentan la misma H Línea de saturación Líneas de saturación adiabática (misma T S y H) T 8

9 Humidificador adiabático L I PERFIL DE TEMPERATURA-HUMEDAD TORRE DE ENFRIAMIENTO ADIABÁTICO T S S dq sensible El agua a su paso por la columna no modifica su temperatura (T s ) El aire se enfría porque tiene que suministrar el calor latente necesario para evaporar el agua N A (dq latente) T Temperaturas TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb) Temperatura límite de enfriamiento que alcanza una pequeña masa de agua al ponerla en contacto con una masa de aire húmedo infinita a T, P y humedad absolutas constantes (). La humedad se mide a partir de la diferencia de T del termómetro secohúmedo TRANSFERENCIA DE MATERIA TRANSFERENCIA DE CALOR h S( T T ) = k S( ) M λ k M = T h ( ) CTE = 2460 aire-agua T λ 9

10 Temperaturas TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb) T k M = T h λ ( ) T = T 2460 ( ) LÍNEAS DE T DADO un aire (T,, T ) cálculo C TS = T ( S ) λ LÍNEAS DE T S Para el sistema aire-agua las dos pendientes son iguales: EQUIALENCIA DE LEIS k M h λ C λ Para el sistema aire-agua, las líneas de temperatura húmeda coinciden con las líneas de temperatura de saturación adiabática TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicas Temperaturas DIARAMA PSICROMÉTRICO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico 10

11 Diagrama psicrométrico o carta de humedad 2F 35º C 30ºC 25º C LÍNEA DE SATURACIÓN ϕ =1 1F ϕ = 0.8 ϕ = P ( T ) S = PT P ( T) Líneas de humedad relativa constante Líneas de saturación adiabática Representación gráfica del equilibrio del sistema aire-agua a una P dada Ordenadas: humedad absoluta () Abcisas: temperatura real o de bulbo seco (T) La línea de saturación divide el diagrama en dos zonas: 1F: Mezclas aire-agua no saturadas (debajo) 2F: aire sobresaturado + agua líquida (arriba) rados de libertad (L = C+2-F) Línea de saturación (2F: L+): L = 1 ( da T y T da ) Debajo línea de saturación (1F: ): L = 2 T Diagrama psicrométrico o carta de humedad Líneas de saturación adiabática Aproximadamente iguales a las líneas de T Líneas de entalpía (kj/kg AS ) Se representa con líneas casi paralelas a las de saturación adiabática Todas las mezclas de la misma recta de saturación adiabática (misma T o T S ), tienen la misma H Líneas de volumen específico (m 3 /kg AS ) Similares a las de saturación adiabática pero más inclinadas Para un aire saturado las temperaturas del punto de rocío, temperatura húmeda y temperatura seca son iguales 11

12 Diagrama psicrométrico o carta de humedad Lectura de propiedades En un punto cualquiera del diagrama conoceremos (T,) Con líneas rectas paralelas a las de saturación adiabática H S, T S Con líneas rectas paralelas a volumen específico v E Dada la pareja de valores T y T (ó ) (ó T), ϕ, H, v E Dada la pareja de valores T y ϕ, T, H, v E Temperatura de rocío: Aire de humedad y temperatura conocida (,T) corte con la línea de saturación y lectura sobre eje de abcisas T rocio TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicas Temperaturas DIARAMA PSICROMETRÍCO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico 12

13 Procesos psicrométricos PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 1. Calentamiento o enfriamiento de aire ( = cte) 2. Humidificación 3. Deshumidificación 4. Enfriamiento evaporativo 5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire 6. Torres de enfriamiento 1. Calentamiento o enfriamiento simple ( = cte) Balance de materia m& 1 1 = = m& = m& 2 2 Balance de energía q& = m& ( H ) 2 H1 CALENTAMIENTO ( = cte) Propio de sistemas de calefacción residenciales (estufa, resistencia eléctrica ) Línea de = cte en la dirección de aumento de T seca y disminución de la humedad relativa ENFRIAMIENTO ( = cte) Línea de = cte, en la dirección de disminución de T seca con aumento de la humedad relativa 13

14 2. Calentamiento con humidificación CALENTAMIENTO CON HUMIDIFICACIÓN Permite eliminar los problemas asociados a una humedad relativa baja El aire pasa por una sección de calentamiento (proceso 1-2) y después por una sección de humidificación (proceso 2-3) Humidificación con vapor de agua produce calentamiento adicional (T 3 >T 2 ) Humidificación por rociado de agua provoca enfriamiento de la corriente calentada (T 3 <T 2 ) Necesario calentar a T más alta en la sección de calentamiento para compensar el enfriamiento durante la humidificación 3. Enfriamiento con deshumidificación ENFRIAMIENTO DESHUMIDIFICACIÓN Necesario si la humedad relativa alcanza niveles extremadamente altos durante el enfriamiento a = cte El aire caliente y húmedo entra en la sección de enfriamiento, su T disminuye y su humedad relativa aumenta a = cte Si la sección de enfriamiento es suficientemente largo el aire sale saturado El enfriamiento adicional del aire provocará la condensación de parte la humedad El aire permanece saturado durante todo el proceso de condensación, sigue la línea de saturación hasta el estado 2 14

15 4. Enfriamiento evaporativo ENFRIAMIENTO EAPORATIO Aire caliente y seco entra en el enfriador evaporativo (estado 1) donde se rocía con agua líquida Parte del agua se evapora durante este proceso al absorber q de la corriente de aire La temperatura del aire disminuye y su humedad aumenta (estado 2) En el caso límite el aire saldrá saturado (temperatura más baja que puede alcanzarse con este proceso) (estado 2 ) Enfriamiento evaporativo similar al proceso de saturación adiabático El proceso de enfriamiento sigue una línea de saturación adiabática 5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS CORRIENTES Cuando dos corrientes de aire en dos estados diferentes (1 y 2) se mezclan adiabáticamente, el estado de la mezcla final (3) estará sobre la línea que conecta los dos estados 1 y 2 en la carta psicrométrica m& m& H 2 H 3 = = H H Balance de materia Aire Agua m& m& 2 m& + m& 2 = m& Balance de energía m& & = & 2 3 = m& 1H1 + m 2H 2 m 3H

16 5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire m& m& H 2 H 3 = = H H h 3 -h 1 6. Torres de enfriamiento TORRE DE ENFRIAMIENTO (tiro inducido) Enfriador evaporativo semiencerrado El aire entra en la torre por la parte inferior y sale por la superior El agua caliente (proceso) se bombea hacia la parte superior y se rocía sobre la corriente de aire Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría el agua restante La temperatura y contenido de humedad del aire aumentan durante el proceso El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre y se envía a proceso El agua de reemplazo debe añadirse para sustituir el agua perdida por evaporación y por el arrastre de agua 16

17 6. Torres de enfriamiento L T LB dq 1 I PARTE SUPERIOR TORRE dq + 1 = dq2 dq3 T Li dq 2 i dq 3 T B El calor que retiramos del agua sirve para calentar el aire y para evaporar el agua T LB T LA T B T A L T LA I dq1 T Li i dq 2 dq 3 PARTE INFERIOR TORRE dq1 = dq3 dq2 T A La cantidad de calor que retiramos del agua es menor pq el aire cede al agua calor sensible TEMA 12: PSICROMETRÍA INTRODUCCIÓN PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-APOR DE AUA Relativas a la composición Propiedades térmicas Temperaturas DIARAMA PSICROMÉTRICO PROCESOS PSICROMÉTRICOS Calentamiento y enfriamiento simples Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezcla adiabática de dos corrientes Torres de enfriamiento Ejemplo práctico 17

18 Ejemplo práctico Ejemplo práctico 18

19 OBJETIOS ESPECÍFICOS 1. conocer y calcular las propiedades básicas del sistema aire-vapor de agua (humedad absoluta, humedad relativa, entalpía, volumen específico, temperatura seca, temperatura de rocío, temperatura de saturación adiabática ) 2. manejar con soltura el diagrama psicrométrico tanto para la lectura de propiedades como para la representación de procesos 3. comprender el fundamento de los principales procesos psicrométricos (calentamiento y enfriamiento simples, calentamiento con humidificación, enfriamiento con deshumidificación, enfriamiento evaporativo, mezcla adiabática de dos corrientes, torres de enfriamiento ) Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA 12. PSICROMETRÍA 19