PSICROMETRÍA. na, ma : aire seco nv, mv: vapor de agua n, m : mezcla

Transcripción

1 ERMODINAMICA Deprtento de Físic - UNS Crrers: Ing. Industril y Mecánic PSICROMERÍA Se estudirán quí sistes que contienen ezcls de ire seco y por de gu. bién puede estr presente un fse condensd de gu. El conociiento del coportiento de tles sistes es esencil pr el nálisis y diseño de dispositios de ire condiciondo, torres de refrigerción y procesos industriles que eijn un fuerte control del contenido en por de gu del ire. Aire úedo El térino ire úedo se refiere un ezcl de ire seco y por de gu en l cul el ire seco se trt coo si fuer un coponente puro. Medinte un nálisis de sus propieddes, l ezcl globl y cd uno de sus coponentes se coport coo un gs idel en ls condiciones que se n considerr, consecuenteente se plicn los conceptos desrrolldos preiente pr ezcls de gses ideles. P = P + P n, : ire seco n, : por de gu n, : ezcl V R ( R / M ) P n V V R ( R / M ) P n V V [] [] Huedd bsolut kg kg [3] M P (V / R ) M P M P (V / R ) M P sustituyendo P = P - P y teniendo en cuent que l relción entre ls ss oleculres del gu y del ire seco le pro. 0.6: P [4] 0.6 P P epresión solo álid en el cso de que l ezcl se oogéne, o se que tod el gu contenid se por.

2 Si consideros el por de gu contenido en un s de ire úedo, podeos representr su estdo en un digr entrópico de por de gu. El estdo del por será generlente sobreclentdo, por ej. el punto de l Fig. Si l ire se le greg un s dicionl de por de gu, nteniendo l ezcl l is tepertur y presión totl, deberá uentr l presión prcil de por y disinuir l presión prcil de ire seco. Si se sigue incorporndo un yor s de por, nteniendo siepre l is y presión totl de l ezcl, el estdo del por se seguirá desplzndo ci l izquierd st que se brá trsfordo en por sturdo, dejndo de ser sobreclentdo. Si se pretendier incorporr un s dicionl de por de gu, ést se condensrá y se generrá un niebl, pues el eceso de por quedrá coo gots de líquido en suspensión en el ire úedo, ddo que dic el por no puede tener un presión yor que l de por sturdo, o se en condiciones de equilibrio con su líquido. P,st () P epertur de l ezcl Estdo del por de gu en un ezcl sturd s Estdo típico de por de gu en ire úedo En consecuenci, pr un deterind presión totl, pr cd brá un cierto estdo del ire úedo en que el por contenido es por sturdo y en ess condiciones se dice que el ire está sturdo de uedd. L uedd bsolut de sturción estrá dd por: st P 0.6 P P, st, st [5] fijd l presión totl, pr cd corresponderá un lor de P,st y por lo tnto un uedd bsolut de sturción st. Este lor es l ái cntidd de por de gu que puede estr ezcld con l unidd de s de ire seco. Fijd l presión totl, por ejeplo l presión tosféric norl 760 Hg, puede construirse un digr en el que se grfique st = f(). Zon de niebl st, Digr psicroétrico Zon de ire no sturdo Huedd relti L relción entre l cntidd de uedd que el ire contiene en un deterindo estdo () y l ái cntidd de uedd que el ire puede contener l is tepertur, esto es st, se conoce coo uedd relti:

3 st 3 [6] Algunos utores definen uedd relti coo l relción entre l presión prcil de por en un ire úedo y l presión de por sturdo l is tepertur: P P Si en [6] se reeplz y st por [4] y [5]:, st [7] st P P P P ( P P, st P P ( P P ), st, st ) [8] L ec. [8] nos indic que pr presión tosféric norl con teperturs norles bientes, ddo que tnto P coo P,st tienen lores uy inferiores l presión totl P. Ls ueddes bsoluts y reltis se pueden edir eperientlente. epertur de rocío Si se consider un s de ire úedo no sturd de uedd, el por contenido será un por sobreclentdo y su estdo estrá representdo en el digr entrópico de por de gu por un punto tl coo el de l Fig. Si enfrios l s de ire úedo nteniendo constnte l presión totl y el contenido de uedd, l presión prcil del por de gu tbién se ntendrá constnte, el por se irá enfrindo y llegrá un oento en que brá dejdo de ser por sobreclentdo y se brá trnsfordo en sturdo (estdo ()). Si seguios quitándole clor l ire úedo se producirá condensción de por y l líquido sé generdo es lo que se denoin rocío. A l tepertur correspondiente se l denoin tepertur de rocío o punto de rocío. Es eidente que l tepertur de rocío no es otr cos que l tepertur de sturción, o se de equilibrio líquido-por, correspondiente l presión prcil de por en el ire úedo. AGUA AIRE P = cte P = cte rocío () () s s = 00 % () rocío

4 Entlpí del ire úedo 4 Los lores de U, H y S del ire úedo se pueden obtener sundo l contribución de cd coponente en ls condiciones eistentes en l ezcl, por ej., l entlpí de un deterind uestr de ire úedo le H H H [9] Diidiendo l ec. [9] por y utilizndo l uedd bsolut se obtiene l entlpí específic, o entlpí de l ezcl por unidd de s de ire seco H kj kg [0] Ls entlpís del ire seco y del por se deterinn l tepertur de l ezcl. Si se consultn ls tbls de por de gu o del digr de Mollier pr el gu se coprueb que l entlpí del por de gu sobreclentdo bjs presiones de por está uy prói l del por sturdo l tepertur que se encuentr l ezcl. Por lo tnto, l entlpí del por de gu en l ec. [0] se puede tor coo, st l tepertur dd. () (0C) P,st P P ref = br c P (- ref ) = c P ref = 0C L (0C) = ref 0 LV = r 0 s o bien edinte l ec. 0 r c P [] L entlpí de ire seco,, se puede obtener de l ecución de gs idel, y que el ire es gs en todos los estdos considerdos. ondo coo estdo de referenci pr el ire 0 C y t ( ref = 0): o se ref c P ( ref c P ) [] Por lo tnto, reeplzndo en l ec. [0] se obtiene: c P ( r 0 c ) P [3]

5 5 L epresión [3] solo tiene lidez pr ire úedo no sturdo o lo suo sturdo de uedd. Pr trzr línes de entlpí constnte sobre el digr psicroétrico, obserr que l ec. [3] es un función = (,). Si = cte, d = 0. Por lo tnto, derindo l ec. [3] e igulndo cero se encuentr que ls eoluciones = cte son rects de pendiente negti coo se indic en l Fig. siguiente: = [ 3 /kg ] = cte [kj/kg ] Voluen específico del ire úedo eniendo en cuent que estos considerndo l ire úedo coo un ezcl de gses ideles, el oluen de l ezcl por unidd de s de ire seco será V n( R / P) ( n n )( R / P) / M / M ( R / P) 3 ( / M / M ). R / P kg [4] prtir de est ec., pr un presión totl fij, se pueden grficr eoluciones = cte, resultndo ser rects coo se uestr en el digr nterior. Obserr que = (,). Relción entre ss o se, l s de ire úedo se puede escribir coo ( ) [5]

6 6 epertur de sturción dibátic y de bulbo úedo Proceso de sturción dibátic: P = cte Aire no sturdo Aire sturdo Aisliento, =? < 00 % ( st. d.) =00 % w w w L Agu líquid de reposición Líquido sturdo L energí necesri pr eporr el gu procederá del ire úedo, que reducirá su tepertur l ir tresndo el conducto. Si este es suficienteente lrgo, l ezcl estrá sturd su slid. Ddo que se lcnz l sturción sin intercbio de clor con el entorno, l tepertur de l ezcl sliente se denoin de sturción dibátic. = st d. P () L, P () rocío =00 % rocío s bulbo seco Estdo del por de gu en l corriente de ire úedo que entr. () Estdo del por de gu en l corriente de ire úedo que sle. Si el gu de reeplzo se ení con l elocidd de eporción, será un proceso de flujo estble. Considerndo que no y intercbios de clor ni trbjo y no y cbios en E c ni Ep: Blnce ásico de ire Blnce ásico de gu w con w ( ) [6]

7 Blnce de energí H entrn H slen 7 reeplzndo w L, w por [6] y diidiendo por qued ( L [7] ), Recordndo que l entlpí de un ezcl de ire úedo es H l ec. [7] se puede escribir coo [ P ] ( ) L, [ cp ] c o se c P ( ) L [8] donde es l tepertur de sturción dibátic. es el clor de cbio de fse líquido-por y se clcul conociendo P (presión de l ezcl) y : P 0. 6 P P eperturs de bulbo úedo y de bulbo seco L tepertur de bulbo seco () no es otr cos que l tepertur l que se encuentr un s de ire úedo, o se, l que indicrá un teróetro cuyo bulbo se encuentr sin uedecer. L tepertur de bulbo úedo ( b ), en cbio, es l tepertur que dquirirá e indicrá un teróetro cuyo bulbo se puesto en contcto con un pño ojdo, colocdo en contcto con un s de ire úedo. Si el ire úedo se encontrr sturdo de uedd, bos teróetros indicrín l is tepertur. En cbio, si el ire úedo no está sturdo, l b será enor que l de bulbo seco. Esto es debido que el gu del pño se ir porizndo e incorporndo coo por l s de ire úedo. El gu que se poriz necesit un energí téric que es el clor ltente de porizción, pr l trnsforción. Energí que torá del pño y el teróetro que está en contcto con él, de ner que l tepertur descenderá en el teróetro. En cunto desciend l tepertur en el teróetro, se producir un segundo efecto. El teróetro coenzrá recibir clor que le trnsferirá el biente en que se encuentr que estrá yor tepertur. Llegrá un oento que bs cntiddes de clor sen igules y entonces el teróetro se estbiliz. El lor que indic en ese oento es l tepertur de bulbo úedo.

8 8 Pr ezcls ire-por de gu en el rngo norl de presión y tepertur del ire tosférico, l tepertur de sturción dibátic es proidente igul l tepertur de bulbo úedo. Por lo tnto, pr deterinr l uedd bsolut de un ezcl (ec. [8]) se puede utilizr l tepertur de bulbo úedo en lugr de l tepertur de sturción dibátic. Ls línes de b = cte coinciden proidente con ls de = cte de l ezcl por unidd de s de ire seco. Este eco se puede estblecer estudindo el blnce de energí del sturdor dibático, ec. [7]. Puesto que l contribución energétic del gu de reposición que entr l sturdor ( L ) es uco enor que l del ire úedo, l entlpí del ire que sle es csi igul l del ire que entr. Por lo tnto, todos los estdos con l is b (o con l is tepertur de sturción dibátic) tienen proidente l is entlpí por unidd de s de ire seco. cojinete eróetro de bulbo úedo Mngo eróetro de bulbo seco Redecill Psicróetro Digr psicroétrico

9 Conserción de l s y l energí en los sistes psicroétricos 9 Anlizreos en est sección los principios de conserción de l s y l energí pr sistes copuestos por ezcls de ire seco y por de gu en los que puede estr presente un fse condensd de gu. Los dispositios en los que tienen lugr los procesos psicroétricos coo son: clentiento o enfriiento (eleción o disinución de ), uidificción o desuidificción (incorporción o eliinción de uedd) o l cobinción de dos o ás de ellos, se nlizn bitulente sobre un oluen de control (VC). Pr considerr un nálisis típico, os referirnos l Fig. siguiente, que uestr un dispositio en estdo estcionrio, con dos entrds y un slid. Entre el oluen de control y su entorno puede ber un trsferenci de clor Q VC. L yor prte de los procesos se pueden odelr coo procesos en estdo estcionrio, por lo tnto, ls cntiddes de ire seco y por de gu contenids dentro del VC no rín: Aire úedo, Q VC () Aire úedo, (3) Líquido o por o w Blnce de s de ire seco:,, [0] Blnce de s de ire gu:, w, o w ) Blnce de energí: Q w ) ( w ( [] [] Se supone que los cbios de energí cinétic y potencil serán desprecibles. El térino trbjo por lo generl consiste en el trbjo del entildor, que es uy pequeño respecto de otros térinos de l ec. de energí. Pr el estudio de sistes cerrdos copuestos por ezcls de ire úedo no se necesitn conceptos básicos dicionles. Procesos de condicioniento de ire Clentiento o enfriiento ( = cte) Mucos sistes de clefcción constn de un estuf, un bob de clor o de un resistenci eléctric. L cntidd de uedd en el ire en estos csos pernece constnte, y que no se ñde ni se eliin uedd del iso. Obserr que l uedd relti disinuye durnte el proceso de clentiento. En consecuenci, l uedd relti puede estr bstnte por debjo de los nieles de coodidd, lo que ocsion resequedd en l piel, dificultdes respirtoris y uento de l electricidd estátic.

10 0 Un proceso de enfriiento = cte es siilr l de clentiento, ecepto en que l de bulbo seco disinuye y uent. El enfriiento se logr l psr el ire sobre lgunos serpentines por los cules fluye un refrigernte o gu frí. Aire,,, =, < Q VC () < De [] Q ( ) [3] Clentiento con uidificción Los probles socidos con l uedd relti bj, producto del clentiento siple, se eliinn l uidificr el ire clentdo. Esto se consigue l psr el ire por un sección de clentiento (-) y luego por un sección de uidificción (-3). Agu: líquid o por (3 ) (3) Aire Q () (3) VC = 3 > () L ubicción de estdo de slid depende de cóo se llee cbo l uidificción. Si se introduce por en l sección de uidificción se produce uidificción con clentiento dicionl (estdo 3), con 3 >. En cbio, si l uidificción se logr rocindo gu líquid en l corriente de ire, prte del clor ltente de porizción proendrá del ire, lo que producirá un enfriiento de l corriente (), o se 3 <. De [], los cudles de gu líquid o por ( w o ), según el cso, serán: w ( 3 ) [4] El blnce de energí en el proceso de uidificción (-3) (er ec. []), d: w w ( 3 ) [5] Desuidificción con clentiento

11 Cundo un corriente de ire úedo se enfrí presión de l ezcl constnte st un tepertur inferior l de rocío, prte del por de gu presente l principio se condens. Ver Fig.. El ire úedo entr en el estdo y circul trés de un serpentín de refrigerción por el que circul un refrigernte o gu frí. Prte del por de gu inicilente presente en el ire úedo se condens, y el ire úedo sle del desuidificdor sturdo en el estdo (). Aunque el gu condens ris, se consider que el gu condensd se enfrí st ntes de slir del desuidificdor. Serpentín de refrigerción Serpentín de clefcción Aire () (3) Q Q 3 () (3) (3 ) w Condensdo Sturdo Pr el proceso (-): Blnce de s de gu: w w ( ) [6] Blnce de energí: Q H slen H entrn sustituyendo por [6] w w Q Q ( ) ( ) w [7] Pr el proceso (-3): Q 3 ( 3 ) [8] Enfriiento eportio El enfriiento en clis cálidos reltiente secos, se puede conseguir edinte el enfriiento eportio. Éste iplic, o bien pulerizr gu líquid en el ire o bien forzrlo circulr trés de un tejido que se ntiene constnteente ojdo con gu. Debido l bj uedd del ire que entr, estdo, prte del gu inyectd se epor. L energí pr l eporción l suinistr l corriente de ire, que reduce su y sle en el estdo (). Si el intercbio de clor con el entorno es desprecible, no se reliz trbjo ni y riciones de energís cinétic y potencil, los blnces estcionrios de s y energí pr el oluen de control se reducen ( ) w [9] (*)

12 Se supone que tod el gu inyectd se epor en l corriente de ire úedo. El térino (*) contbiliz el porte energético del gu inyectd. Este térino es norlente uco enor que culquier de los dos térinos entálpicos del ire úedo. Por lo tnto, l entlpí de l corriente de ire pernece proidente constnte, er digr psicroétrico. Recordndo que ls entlpís están uy próis ls línes de b = cte, se deduce que el enfriiento eportio se efectú tepertur de bulbo úedo csi constnte. Aire cliente y seco w, w Agu líquid () Aire frío y úedo > ( () cte En el cso líite, el ire sldrá del enfridor sturdo ( ). Est es l ás bj que puede lcnzrse por edio de este proceso. El proceso de enfriiento eportio es idéntico l proceso de sturción dibático, puesto que l trnsferenci de clor entre l corriente de ire y el edio suele ser desprecible. Obserr que este no será el cso si el gu líquid ingres un tepertur diferente de l de slid de l corriente de ire. Mezcl dibátic de corrientes de ire Un proceso coún en sistes de condicioniento de ire es l ezcl de corrientes de ire úedo, tl coo se uestr en l Fig. El objetio del nálisis terodináico es, bitulente, fijr el cudl y el estdo de l corriente de slid pr unos deterindos cudles y estdos de ls dos corrientes de entrd. Los blnces de s del ire seco y del por de gu y de energí en estdo estcionrio son Aire seco 3 Vpor de gu 3 < [0] coo 3 3 [] 3 3 [] Q = (3) 3 3 ()

13 3 Coo l trnsferenci de clor con los lrededores suele ser uy pequeñ, puede suponerse que el proceso de ezcldo es dibático. Si se eliin 3 de ls relciones nteriores, se obtiene El único estdo que stisfce ests condiciones está loclizdo en l líne rect que conect los estdos y () en l crt psicroétric, y que l relción entre ls distncis -3 y 3- es igul l relción de los cudles ásicos y. orres de enfriiento Ls centrles eléctrics, los grndes sistes de ire condiciondo y lguns industris genern grndes cntiddes de clor de deseco que con frecuenci se rroj ci el gu de enfriiento de lgos o ríos cercnos. Sin ebrgo, en lgunos csos el suinistro de gu es liitdo o l continción téric lcnz nieles preocupntes. En esos csos, el clor de deseco debe rrojrse ci l tósfer.. Un ner de logrrlo es edinte torres de enfriiento. Un torre de enfriiento es un enfridor eportio. El ire entr por el fondo l torre y sle por l prte superior. El gu cliente refrigerr se bobe ci l prte superior de l torre y se rocí en est corriente de ire. Cundo ls gots de gu cen bjo l influenci de l gredd, un pequeñ frcción de gu se epor y enfrí el gu restnte. L tepertur y el contenido de uedd del ire uent durnte este proceso. El gu enfrid se cuul en el fondo de l torre y se bobe de nueo l condensdor pr recoger ás energí sobrnte. El gu de reeplzo debe ñdirse l ciclo pr sustituir el gu perdid por l eporción y por el rrstre de gu. entildor Aire () (3) gu cliente Aire tosférico gu ire Q (4) gu frí Agu de reposición

14 AIRE AGUA AIRE AIRE Cundo l got que se pone en contcto con el ire, se le epor l películ eterior, requiere pr este proceso bsorber energí (clor ltente de eporción), que l to de l propi got, enfriándol consecuenteente (enfriiento eportio). El objeto que se persigue en l torre es que l got este el yor tiepo posible en contcto con el ire, lo cuál se logr con l ltur de l is y deás interponiendo obstáculos (el relleno), que l n deteniendo y l iso tiepo l n frgentndo fcilitndo ás el proceso eportio. 4 L circulción del ire en l torre l proporcion un entildor, por lo que est torre se l clsific coo torre de enfriiento de tiro forzdo. Otro tipo uy epledo de torre es l torre de enfriiento de tiro nturl, que se seej un grn ciene, de ner que el ire sciende debido un diferenci de densidd. Aplicreos blnces de s y de energí l oluen de control, considerndo que el proceso se desrroll en estdo estcionrio, es dibático y desprecindo el trbjo del entildor y ls riciones de energí cinétic y potencil. Blnce de s de ire seco,, Blnce de s de gu 3 4 ( reposición 3 4 ) [3] Blnce de energí [4] Ls entlpís de cd corriente líquid ( 3 y 4 ) se clculn coo l de líquido sturdo su respecti tepertur y ls entlpís del ire úedo ( y ) del digr psicroétrico. Obserr que el cudl ásico de gu líquid disinuye en un cntidd igul l cntidd de gu que se epor en l torre durnte el proceso de enfriiento. El gu que se pierde por eporción debe restituirse después en el ciclo pr ntener l operción unifore.

15 ttp:// 5