VII PSICROMETRÍA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE. Material Teórico

Transcripción

1 II PSICROMETRÍA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Mteril Teórico UNQ - Depto. Cienci y Tecnologí - Ing. Alientos - Terodináic - Unidd II - ersión 008

2 PSICROMETRÍA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE INTRODUCCIÓN PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA CARTA TABLA PSICROMÉTRICA PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE CASO DE ESTUDIO

3 INTRODUCCIÓN En est unidd se consider el siste ire H O vpor, que es l ezcl gs vpor de epleo ás coún en l práctic. Se estudi deás el condicioniento de ire, que es l principl áre de trbjo de ls ezcls ire H O-vpor. El conociiento del coportiento de tles sistes es esencil pr el nálisis y diseño de dispositivos de ire condiciondo, torres de refrigerción y procesos industriles que exijen un fuerte control del contenido de vpor de H O en el ire.

4 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Aire Seco y Aire Atosférico El ire es un ezcl de N, O y pequeñs cntiddes de otros gses. Aire seco: no contiene vpor de H O. Se lo trt coo si fuer un coponente puro. L Tº del ire en plicciones de condicioniento vrí de 0 cerc de 50C. En este intervlo el ire seco puede trtrse coo un gs idel con un vlor Cp constnte de.005 kj/kg K [0.40 Btu/ lb R] con un diferenci desprecible < 0. % T C Cp KJ / kg C 0,008 0,004 0,0045 0,0049 H ire seco Cp T 0, , ,0065 4

5 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Aire tosférico / úedo: si contiene ciert cntidd de vpor de H O. A pesr que l cntidd de vpor de H O en el ire es pequeñ, desepeñ un ppel iportnte en l coodidd un. Es iportnte torlo en cuent en los dispositivos de condicioniento de ire. A 50C l P sturción del H O es de, kp. A P < el vpor de H O se puede trtr coo gs idel con un error desprecible 0,%, inclusocundoesunvpor sturdo. El vpor de H Osecoport cóo si existier solo y obedece l relción de gs idel P nrt T C tbl g KJ/kg vs CpT Diferenci KJ / kg 0 48,9 48, 0, 0 50, 50, ,8 59,5 0, 0 58, 57,7 0, , 555,9 0, , 574, 0, 50 59, 59, 0, 5

6 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA El ire tosférico / úedo se trt coo un ezcl de gses ideles P P [kp] P prciles del ire seco vpor de H O El subíndice expres ire seco, P y se eple pr H O líquid y v indic vpor de H O Huedd Especific ω y Reltiv del ire φ Huedd bsolut o específic es l cntidd rel de vpor de H O en kg de ire seco Aire 5C y 00 kp P st 5C,69 kp Pv 0 ire seco Pv <,69 kp ire no sturdo Pv,69 kp ire sturdo ω 0,0 / φ 00% [kg de vpor de H O / kg de ire seco] P R T P PM R T PM P P PM PM 0,6 P P P 6

7 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Huedd reltiv es l proporción entre l cntidd rel de uedd en el ire y l cntidd áxi de uedd que puede contener el ire es T L cntidd de uedd que el ire puede contener depende de su T. φ cbi con l T unque su uedd específic pernezc constnte. ω se deterin por edio de igróetros, en los cules se extre tod l uedd por edio de un gente quíico. L uedd se deterin pesndo dicos gentes quíicos. φ Y P P P Y S PS PS T cte P φ 0 ire seco φ ire sturdo Pr edir φ de for continu, existen igróetros eléctricos que constn de cpcitores o fibrs que cbin su resistenci o se diltn en for proporcionl l uedd. 7

8 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Entlpí del ire úedo se expres en térinos de H y Hv. En l yorí de ls plicciones práctics, l cntidd de ire seco en l ezcl ire - H O vpor pernece constnte pero l cntidd de vpor de H O cbi. Por consecuenci l H del ire úedo se expres por unidd de s de ire seco y no por unidd de s de l ezcl ire - H O vpor. H H H Con un lógic siilr se expres l entropí S y l energí intern H [kj / kg ire seco] μdel ire úedo Si se consultn ls tbls de vpor de H O oel Digr de Mollier pr el H O, se coprueb quel H del vpor de H O sobreclentdo bjs P de vpor está uy próxi l del vpor sturdo l T de l ezcl. Entonces: v vs T 8

9 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA oluen específico el voluen ocupdo por l ezcl de ire seco y vpor de H O es el iso que el ocupdo por el ire seco. v ezcl ezcl v R P T R T v P P Tepertur de bulbo seco es l T ordinri del ire tosférico edid por un teróetro coún colocdo en l ezcl. Punto de Rocío Tpr es l T l cul se inici l condensción si el ire se enfrí P cte. El exceso de uedd en el ire se condens en ls superficies frís y for rocío sobre ierb, epñdo de ventns y tuberís que trnsportn H Ofrí. En este punto el ire está sturdo φ 00%. Culquier descenso dicionl en l T del ire tre coo consecuenci l condensción de vpor. Tpr T sturción correspondiente Pv 9

10 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Tepertur de sturción dibátic Ts El siste se copone de un cnl isldo que contiene H O por dónde ps un corriente unifore de ire no sturdo que tiene ω desconocid y un T. Cundo el ire fluye sobre el H O prte de est se evpor y se ezcl con l corriente de ire. El contenido de uedd del ire uent durnte el proceso y su T desciende prte del Q ltente de vporizción del H O proviene del ire. Si el cnl tiene un lrgo suficiente, l corriente de ire sle coo ire sturdo φ 00% T quesell Ts. L Ts está entre l T entrd y l Tpr 0

11 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Blncedesyenergí Si se suinistr i H O de reeplzo l cnl l rpidez de l evporción yt,el proceso se puede nlizr coo de flujo estble. Blnce de s ω > ω se ñde H O Aire H O ω < ω se extre H O

12 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Blnce de energí Q W 0 entr E sle E Q y W 0 Ep y Ec desprecibles sle entr se evlú coo l entlpí del líquido sturdo TsT T P bj T v T, P bj vs T g slen de tbls g p T T C 0,6 P P P

13 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Tepertur de bulbo úedo Tb Tb se ide con un teróetro donde el bulbo está rodedo de un redecill eppd en H O. p p Se ce girr el psicróetro de cbestrillo o trc psicoétric en el seno del ire. Cundo el ire no sturdo ps sobre l red úed, prte del H O de l is se evpor. Coo resultdo, disinuye l T del H O y se cre un T F ipulsor de l trnsferenci de Q entre el ire y el H O. Al cbo de cierto tiepo l pérdid de Q del H O por evporción es igul l gnnci de Q del ire y l T del H O se estbiliz. En este punto l lectur del teróetro es l Tb En generl l Tb y Ts no son igules Pero pr ezcls ire-h O-vpor Pt Tb ~ Ts Así l Tb puede eplerse en lugr de T pr deterinr ω

14 CARTA PSICROMÉTRICA El estdo del ire tosférico un P específic se estblece por copleto edinte propieddes intensivs independientes. El resto de ls propieddes se clcul prtir de ls relciones nteriores. El diensionientoi i de unsiste de condicioniento i i de ire iplic un grn núero de cálculos. l Por lo que se eplen, sin introducir desido error, digrs psicoétricos que presentn los dtos en gráfics que son práctics prr leer e interpretr. Tbs: bsciss ω y Pv: ordends φ : curvs φ cte Tb: línes que cruzn de for descendente ci l derec v: línes de > pendiente inclinds que ls de Tb : línes sturción dibátic línes entlpí H ω v Tpr: ω cte Pvcte st líne sturción TbTs y φ00% Uniddes T [ C] P [t] ω [kg vpor H O / kg ire seco] φ [%] [kj/kgdeireseco] v [ /kg] 4

15 CARTA PSICROMÉTRICA 5

16 CARTA PSICROMÉTRICA Ls línes de Tbcte coinciden prox. con ls de cte de l ezcl. Si nos reitios l blnce de E del sturdor dibático: Pr ire sturdo ls Tbs, Tb y Tpr son idéntics L contribución energétic del H O de reposición que entr l equipo es bitulente uco < que l del ire úedo. Entonces, l del ire sturdo sliente es csi igul l del ire entrnte. Por lo tnto, todos los estdos con l is Tb Ts tienen prox. l is 6

17 CARTA PSICROMÉTRICA 7

18 TABLA PSICROMÉTRICA Con est tbl, ingresndo con el vlor de l tepertur del ire y l depresión psicroétric T-Tb se puede obtener l uedd reltiv 8

19 TABLA PSICROMÉTRICA TBS HR: 0 % HR: 0 % HR: 50 % HR: 55 % HR: 60 % TBH ω TBH ω TBH ω TBH ω TBH ω C C g/kg C g/kg C g/kg C g/kg C g/kg 6,70,50 4,78 5,60 6,550 9,0 0,980 9,94,970 0,80,0 Tbl psicroétric experientl pr condiciones interiores 5,60,80,990 4,7 6,0 8,7 0,60 9,00,0 9,95,60 4,40,00,850,95 5,700 7,7 9,550 8,0 0,690 8,89,400,90,70,700,55 5,560 6,8 9,0 7,66 0,0 8,8,0,0,45,560, 5,40 6,50 8,840 7,7 9,80 8,00 0,80,0 0,6,40,8 4,990 5,60 8,70 6,7 9,0 7,0 9,980, ,90,7,6 4,560 4,50 7,840 5,77 8,550 6, ,40 0,00 9,00,850 0,6 4,70,6 7,70 4,7 7,840 5,00 8,690 8, ,00, ,40,990,88 6,550,8 7,0, ,840 9

20 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Se plicn pr ntener un espcio confindo cár / construcción industril / curto l T y uedd deseds El ire se client y uidific en invierno y se enfrí y desuidific en verno L yorí de este tipo de procesos se odel coo de flujo estble. Bce s ire e s Bce s H O e so ee s s Bce de E Q e ss Qs Ws We ee El W es el del ventildor que en grl es desprecible respecto de los otros térinos de l ecución de E 0

21 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Clentiento y Enfriiento siple ω cte ω cte y que no se ñde ni se eliin uedd del ire Clentiento: procede en l dirección de uento de Tbs y disinución de φ El ire en estos sistes estuf/bob de Q/ clentdor de resistenci eléctric se client l circulr por el conducto. Enfriiento: procede en l dirección de disinución de Tbs y uento de φ El enfriiento se logr l psr el ire por serpentines dentro de los cules fluye refrigernte o H Ofrí Bce de s ire Bce s H O Q Bce de E

22 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Clentiento con Huidificción Los probles socidos φ bj, producto del clentiento siple se eliinn l uidificr el ire clentdo. Se ce psr el ire por un sección de clentiento proceso - y después por un sección de uidificción proceso -. L ubicción del estdo depende de cóo se lleve cbo l uidificción: Si se introduce vpor, T >T uidificción con clentiento dicionl Si se reliz rocindo H O, T <T prte del Q ltente de vporizción provendrá del ire, lo que produce un enfriiento en l corriente clentd. En este cso, el ire debe clentrse un T ás lt en l sección de clentiento pr copensr el enfriiento durnte el proceso de uidificción.

23 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Enfriiento con Desuidificción Durnte un proceso de enfriiento siple ωcte, pero φ uent. Pr desuidificrlo es necesrio enfrir fi el ire por debjo de su Tpr. El ire cliente y úedo entr en l sección de enfriiento en el estdo. Cundo ps por los serpentines, su T disinuye y su φ uent ω cte. Si l sección tiene l longitud suficiente, el ire lcnz su Tpr estdo -ire sturdo. El enfriiento fi i dicionl i del ire origin l condensción de prte de l uedd del ire. El ire pernece sturdo durnte todo el proceso de condensción curv de 00% φ st que lcnz el estdo finl punto. El H O que se condens fuer del ire se eliin por edio de un cnl independiente T

24 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Enfriiento Evportivo En clis desérticos clientes y secos, se puede contrrrestr el lto costo de operción de los sistes de refrigerción convencionles edinte enfridores evportivos o de pntno. Cundo se evpor el H O, el Q ltente de vporizción se bsorbe del cuerpo del H O y del ire circulnte. Coo resultdo tnto el H O coo el ire se enfrín durnte el proceso. En el estdo entr l enfridor ire cliente y seco, donde se rocí con H O liquid. Prte del H O se evpor l bsorber el Q de l corriente de ire. Coo resultdo l T de l corrientedeiredisinuyeysu uedd uent estdo. En el cso líite el ire sldrá sturdo estdo T ás bj que se puede lcnzr 4

25 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE El proceso de enfriiento evportivo es idéntico l proceso de sturción dibático puesto que l trnsferenci de Q entre l corriente de ire y los lrededores suele ser desprecible. El proceso sigue un líne de Tbcte en l crt psicroétric. BcedeE Recordndo que ls línes Se supone que tod el H O inyectd se evpor en l corriente de ire úedo. isoentálpics están uy El térino subrydo contbiliz el porte energético próxis ls línes de del H O inyectd. Este térino norlente es Tbcte, se deduce que el uco < que culquier de los otros térinos enfriiento evportivo se entálpicos del ire úedo. efectú Tbcte Por consiguiente: ire cte Ls línes de Tbcte coinciden con ls de cte se puede suponer que l cte 5

26 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Mezcl dibátic de corrientes de ire En l yor prte de ls plnts de producción y proceso, dónde se requiere que el ire condiciondo se y p p p y p, q q ezcle con un frcción de ire fresco exterior, es necesri l ezcl de dos corrientes de ire. L trnsferenci de Q con los lrededores suele ser pequeñ y por lo tnto puede suponerse que el proceso de ezcl será dibático proceso de ezcl será dibático. Bce s ire Bce s H O Bce de E 6

27 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Torres de Enfriiento Ls centrles eléctrics, los grndes sistes de ire condiciondo y lguns industris genern grndes cntiddes de Q de deseco que con frecuenci se rroj ci el H O de enfriiento de lgos y ríos cercnos. En lgunos csos dónde el suinistro de H Oes cotdo existen liitciones bientles pr l T l que se puede devolver el H O l entorno, existe l lterntiv de torres de refrigerción. Tbién se eplen pr suinistrr H Ofrí otro tipo de plnts. Ls torres de refrigerción pueden ser: Tiro nturl Tiro forzdo o inducido Sus flujos pueden ser contrcorriente, cruzdos o un cobinción de bos. 7

28 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Tiro nturl El ire en l torre tiene un lto contenido de vpor de H O por lo que es ás livino que el ire exterior. En consecuenci, el ire livino sube y el ire exterior llen el espcio desocupdo, creándose un flujo de ire scendente. El perfil de ls torres es iperbólico pr yor resistenci estructurl 00 ts de ltur. Tiro forzdo o inducido Es un enfridor evportivo seicerrdo. El ire entr l torre por el fondo y sle por l prte superior ipulsd por un ventildor. El H O cliente enfrir se rocí > áre superficil sobre est corriente de ire. Un pequeñ frcción de H O se evpor y enfrí el H O restnte. L T y el contenido de uedd del ire uentn durnte el proceso. El H O enfrid se cuul en el fondo de l torre. El H O que se evpor, se repone. Pr reducir l cntidd de H O que se llev el ire se instln prs deflectors enci de l sección de rocido. 8

29 CASO DE ESTUDIO Análisis de ire en l torre de secdo de pellet Se plnte l inquietud del riesgo de condensción en el silo de decntción de slid de ire de l torre de enfriiento, por lo que se reliz el siguiente nálisis en el digr psicoétrico pr dos situciones extres: Un dí de priver con un T de C y un uedd biente de 60 % Un dí de bj T con 5C lo que provoc un uedd de 80 % 9

30 CASO DE ESTUDIO Análisis de l operción dí de priver H O evpord uedd inicil-uedd finl x cudl pellet / 00 uedd finl H O evpord 5,7-4,4 x 5500 kg / or / 00 4,4 8,5 kg / or,9 kg / in Cudl ire 50 /inx0,85kg/,5 kg / in por increentdo,9 kg vpor / in /,5 kg ire / in 0,00654 kg vpor / kg ire - ire del biente T C y φ 60% lo que iplic ω 0,005 kg vpor / kg ire - el ire se client l contcto con el pellet y sle de l torre T 8C, 0, , ,0505 kg vpor /kg ire y φ 0% ire seco pr nejr en ventildor, ciclones y deás equipos - el ire se v enfrindo st T b, l principio lo ce ω cte uentndo φ st sturción 00% / T 7C donde el ire y no puede ntener el vpor en suspensión 4 - l estr sturdo el ire ientrs se enfrí st T bc, debe liberr uedd puede soportr ω 0,0095 kg vpor / kg ire, es decir que debe liberr 0,00 kg vpor por cd kg de ire lo que d un totl de 0,4 kg / in, en ls condiciones bientles de ire seco de ese dí, el vpor lo bsorbe el ire circundnte sin crer inconvenientes. 0

31 CASO DE ESTUDIO 4

32 CASO DE ESTUDIO Análisis de l operción dí de invierno setoiredelbienteenlzondeltorret 5C,φ80 % lo que iplic ω 0,0045 kg vpor /kg de ire -elireseclientlcontctoconelpelletyslede l torre T 5C con ueddes lts en el ire, bj l cpcidd de secdo y en invierno se extre enos uedd. H O evpord 5,7-4,7 4,7 x 5500 kg / or / 00 4,7 64,5 kg / or,07 kg / in por increentdo,07 kg vpor / in /,5 kg ire / in 0,005 kg vpor / kg ire se define el punto con ω 0,0095 kg vpor /kg de ire φ 8%, es decir el ire que estos nejndo en el circuito it es uy seco y no nos cre probles - el ire se v enfrindo ω cte st el 00 % de φ donde se condens el vpor T,5C, T st l cul no tendríos probles de condensción, coo tod l cñerí y el silo están en el interior se esti que no llegrí l punto st que el ire sle l exterior 4 - l sturrse el ire debe liberr uedd si se sigue enfrindo st T b exterior T 0C φ 00% puede soportr ω 0,004, es decir que debe liberr 0,0055 kg de vpor por cd kg de ire lo que es un totl de.7 kg / inuto, con bjs T y lt uedd l resto del ire le result difícil bsorber el vpor, se ve un estel de vpor en el ire y culquier superficie i fí frí ce que el gu se condense

33 CASO DE ESTUDIO 4