Aire Acondicionado Mezcla de Gases

Transcripción

1 Termodinámica para ingenieros PUCP Cap. 16 Aire Acondicionado Mezcla de Gases Psicrometria INTRODUCCIÓN El clima en todos los lugares del mundo es cambiante y diferente, existen sitios secos y húmedos, sitios fríos y calientes y una gran combinación de estos estados; y peor todavía, éstos varían según las épocas del año: Primavera, verano, otoño e invierno; y según algunos fenómenos (caso Corriente del Niño) debido a la rotación de la Tierra y su translación alrededor del Sol, que es nuestra fuente de energía. Estos cambios del clima hacen que también varíen los estados de los seres humanos (nos tenemos que abrigar o bañarnos en la playas, etc), pero también de las máquinas térmicas (en todas aquellas donde se involucra la Presión y la Temperatura ambiente Po y To) que cambian sus condiciones de trabajo conforme cambia el clima. El ser humano es el único de los seres vivientes que pudo cambiar el clima diseñando y construyendo máquinas que acondicionan el aire, motivo de estudio de este Capítulo. Aprenderemos a seleccionar máquinas que puedan calentar y enfriar, secar y humedecer cualquier ambiente según lo creamos conveniente; es decir podemos cambiar cualquier lugar del mundo hacia unos estados (que lo llamamos Confort) donde vivamos tranquilos en un ambiente sano y cómodo. Diseñemos estos equipos. Valores de alta temperatura en una casa Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 1

2 Ai r e Ac o n d i c i o na d o SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO UNIVERSAL Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 2

3 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.1 Aire Acondicionado El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes.. Temperatura. Humedad: humedecer y/o secar. Limpieza. Movimiento Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales: - Industria Textil, industria fotográfica, imprenta. - Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias. - Conservación de productos, secado de productos. El AIRE que respiramos es una mezcla de aire seco y vapor de agua. AIRE HUMEDO = AIRE SECO + Vapor de AGUA EL CUERPO HUMANO SE SIENTE COMODO (CONFORT- ABLE) CUANDO PUEDE DISI- PAR LIBREMENTE SU CALOR DE DESECHO, Y NO MÁS. UN AMBIENTE COMODO ESTA ALREDEDOR DE 23 ºC, HUMEDAD RELATIVA DE 50 % CON UN MOVIMIENTO O FLUJO DE AIRE DE 15 M / MIN. En estos sistema de acondicionamiento de aire usaremos una mezcla de gases (aire y vapor de agua) por lo que tenemos que usar una tabla que mezcle ambos gases. Es el llamado aire húmedo que es el aire seco más vapor de agua. En el Capítulo 15 estudiamos uno de los equipos más usados para los sistemas de acondicionamiento de aire, los sistemas de refrigeración y bomba de calor. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 3

4 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Dónde se utilizan estos sistemas? Unidad de acondicionamiento de aire. Incluye evaporación con ventilador a 90. Diferencia de temperaturas en una casa acondicionada en invierno. Modelo de evaporador tipo CV, alta velocidad y flujo directo para la extracción de aire en cabinas. Ventiladores de 24 y 30 con 1 HP del motor. Estación compacta de Monitoreo del clima. Cole Parmer. Presión barométrica. Humedades. Velocidad y dirección del viento. Lluvia. Radiación solar. US$1440 Simple T,Po,HR. US$ 177 Unidad central exterior de una unidad de tratamiento de aire. Trane Company, Estufa Hi-Tech de 9 paneles. US$. Medidor portátil de temperatura y humedad relativa. Rango 25 a 95 % HR; temperaturas de 0 a 50 ºC. Digital horas continuas. US$ 58 Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 4

5 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.2 El Aire Húmedo MEZCLA DE GASES CON UN VAPOR - Estudiaremos al aire húmedo. (aire seco + vapor de H 2 O) - Consideremos: a) Composición del aire: 21% O 2 y 79% de N 2. b) Dado que la presión del vapor es su presión parcial, la cual es usualmente pequeña, se tratar al vapor de agua como gas ideal. M = R = kj/kg-k C p = kj/kg-k C v = kj/kg-k P c = MPa T c = K Esta mezcla no se puede considerar como una sustancia pura, pues el vapor es no condensable, por lo tanto la condensación de la mezcla puede variar ante cambios de P y T. El rango de trabajo en AIRE ACONDICIONADO se considera entre 50º C y -40º C, por lo que para podrá ser considerado como gas ideal, el aire húmedo (aire seco + vapor) hasta 15 bar. www. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 5

6 Ai r e Ac o n d i c i o na d o A la misma presión y temperatura dos gases ocupan el mismo volumen, tal como sucede con el aire seco y el vapor de agua en nuestro ambiente. Barómetro Po Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 6

7 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.3 Humedad Relativa ( 0, HR ) CONCEPTOS PREVIOS Humedad Relativa: (o) ó HR Es el cociente entre la masa de vapor en una unidad de volumen (mv) y la masa de vapor que dicho volumen podría contener si el vapor estuviera Humedad Relativa: saturado a la temperatura de la mezcla (Pv), entre la presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (Pg), es decir a la misma temperatura. NOTA: El subíndice g corresponde a la curva de vapor saturado. DIBUJE ESTE PUNTO EN UN DIAGRAMA T-S Unidad Compacta de medición de HR, temperatura, Tbs, punto de rocío. US$ 129 Catalogo Cole Parmer Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 7

8 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 16.4 Humedad Absoluta (w) 16.5 El Clima Aire Saturado: Cuando el vapor en la mezcla está saturado, entonces Ö es igual a 1 o 100%. Punto de Rocío: Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se enfría isobáricamente. En el punto de rocío 0 = 1 ó 100%. Escarcha, granizo, nieve: aire húmedo saturado a T<0.01 C. Niebla: justo vapor saturado. Lluvia: justo vapor saturado más condensación. Unidad digital de Mediciones del clima. Data Logger. - Presión Po - Temperatura To - Humedad Relativa HR - Pluviómetro - Velocidad y Dirección del viento - Radiación Solar Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 8

9 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.5 Proceso de Saturación Adiabática PROCESO DE SATURACIÓN ADIABÁTICA Para definir el estado de una mezcla de gases ideales y vapores condensables, no es suficiente conocer las propiedades P, T, V, debemos tener información además de la composición de ésta. En el caso particular del aire húmedo sería suficiente por ejemplo conocer la humedad absoluta (w = m v / m a ) y esto es posible mediante un saturador adiabático como el que se muestra. La idea es hacer pasar el aire no saturado (humedad relativa menor que 100 %), por un lugar en el que el agua saturada (líquido saturado h = hf) se evapore exactamente la cantidad suficiente para que en la salida sea saturada, es decir humedad relativa 100 %. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 9

10 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Es importante observar que con la expresión anterior, es posible conocer la humedad absoluta del aire húmedo en cuestión, si conocemos P, T 1 y T 2 que son fáciles de obtener experimentalmente (sirve para medir la humedad del aire) Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 10

11 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.7 Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh) Tbs Tbh Psicrómetro tipo vaivén. HR de 10 a 100%. Temperaturas de - 5 C a 50 C. Los subíndices h y s, denotan temperatura de bulbo húmedo y seco, respectivamente. Notar que T bs es la Temperatura de la Mezcla. Psicrómetro de bolsillo. Humedad relativa HR de 10 a 100 %. Temperatura de -5 ºC P a 50 ºC- US 63.. Marca Ertco Psicrometro Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 11

12 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Ventilador Joy con paletas regulables Rodete y ventilador de plancha de acero. Rodete y caja del ventilador con la tapa desmontada. Los ventiladores se diseñan según el flujo de aire que queramos. Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 12

13 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.8 Carta Psicrométrica CARTA PSICROMÉTRICA Es un diagrama que tiene como ordenada la humedad absoluta y como abscisa la temperatura de bulbo seco. En él están trazadas también las líneas de humedad relativa constante, las de temperatura de bulbo húmedo constante, de entalpía especifica y volumen especifico aire-vapor. La Carta Psicrométrica se construye para una presión de la mezcla constante. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 13

14 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 14

15 Termodinámica para ingenieros PUCP 16.9 Procesos de Acondicionamiento de Aire El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes. Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento. Humedad: humedecer y/o secar Limpieza. Movimiento. Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales: - Industria Textil, industria fotográfica, imprenta. - Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas, instalaciones bancarias. - Conservación de productos, secado de productos. Uno de los factores importantes a tener en cuenta en los sistemas de acondicionamiento de aire, es la carga térmica. Esta se debe a lo siguiente. Calor transferido a través de paredes, techo, piso y vidrios. Calor liberado por alumbrado interior, equipos (motores u otros). Carga del aire interior. Infiltraciones de aire. Calor liberado por la presencia de personas. HAY UN ERROR EN ESTE GRÁFICO, CUÁL HUMEDO ES? SECO FRIO Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 15

16 Ai r e Ac o n d i c i o na d o PROCESOS EN PSICROMETRIA Los procesos más comunes en Psicometría, son los que analizaremos a continuación. 1) Calentamiento sensible. En estos procesos no hay vaporización ni condensación del agua por lo tanto, el contenido de humedad del aire permanece constante. Los valores de w y P, permanecen constantes. Se representa por una recta horizontal en la Carta Psicrométrica, entre los límites de temperatura de bulbo seco de entrada y salida. Para el calentamiento, podemos representar un conducto a través del cual fluye aire que es calentado por medio de una resistencia eléctrica. Equipos: Resistencia Eléctrica Intercambiadores (caldera) Características: No cambia la humedad absoluta, sólo aumentan la temperatura. Estufa Hi-Tech de 7 paneles Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 16

17 Termodinámica para ingenieros PUCP 2) Enfriamiento sensible Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 17

18 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 3) Deshumidificación Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 18

19 Termodinámica para ingenieros PUCP Evaporadores Unidad de acondicionamiento de aire para cuartos. Vilter Modelo UF y SUF Baja velocidad y silencioso. Ventilador de 18-1/3 HP Unidad Vilter modelo SC (Standard Cooler). 1/2 HP a 3/4 HP. Ventilador de 24. Motor de 1150 RPM para funcionamiento silencioso. Ventilador de 24-1/2 HP Unidad de acondicionamiento Vilter modelo LP (Low Profile) para pequeñas habitaciones. Extremadamente silenciosos. 1/3 HP. Ventilador 18. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 19

20 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 4) Humidificación y Enfriamiento Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 20

21 Termodinámica para ingenieros PUCP 5) Humidificación y Calentamiento En este caso, se incrementa la humedad del aire, incorporando vapor de agua una temperatura mayor que la del aire. Se representa por una recta inclinada, denotando un aumento de la temperatura y de la humedad especifica del aire. El proceso se puede lograr en un conducto que transporta aire y en el cual se inyecta vapor de agua a mayor temperatura que la del aire. Equipos: Hervidor de agua Características: Cambian la humedad y aumentan la temperatura. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 21

22 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 6) Secado Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 22

23 Termodinámica para ingenieros PUCP Mezcla Adiabática de Aire (Cines) 1) Mezcla adiabática. Se trata de dos flujos de aire de diferentes condiciones, que se juntan en un mezclador adiabático con dos entradas y una salida y que salen mezclados. El proceso se puede representar en la Carta Psicométrica mediante una recta que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla estará ubicado sobre dicho segmento de recta, dividiéndolo en dos partes proporcionales a la variación de la humedad específica de cada flujo. MUCHOS ERRORES EN ESTAS FÓRMULAS, CUALES SON? DIBUJE EL ESQUEMA DEL AIRE ACONDICIONADO DE UN CINE Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 23

24 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Torres de Enfriamiento ESCRIBA LAS ECUACIONES DE ENERGÍA Y MASA EN LAS TORRES DE Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 24

25 Termodinámica para ingenieros PUCP Problemas Probl. 1 : (Usando Fórmulas) Por un conducto se hace pasar 0.35 kg/s de aire húmedo a 1 bar. Se instala un psicómetro donde se aprecia que la temperatura de bulbo seco es 30º C y la de bulbo húmedo 25º C. Determinar: a) La humedad absoluta del aire húmedo. b) La presión parcial del vapor y la humedad relativa c) El flujo de masa de aire seco y vapor. d) El volumen específico de vapor. En el curso solamente trabajaremos con la carta psicrométrica, este problema es solo para conocer el Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 25

26 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Prob. 2.- Cual es la humedad relativa del aire atmosférico cuya humedad específica es de kg vapor/ kg aire seco, a 30 C y a 1 bar? Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 26

27 Termodinámica para ingenieros PUCP Probl 3 : Usando Carta Psicométrica. Se tiene aire ambiente (P =1 bar) a 30º C y Ö=50%, mediante el acondicionador mostrado, se desea tener aire a 25º C pero con la misma humedad relativa. Si el caudal de aire húmedo a la entrada es 0.5 m 3 /s, hallar: a) El proceso en la Carta Psicométrica. b) La masa de condensado. c) El calor que será necesario extraer. El condensado se encuentra a 15º C y es líquido saturado. d) El calor entregado por la resistencia. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 27

28 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 28

29 Termodinámica para ingenieros PUCP 4. Una mezcla de aire seco y vapor de agua ingresa a una unidad de acondicionamiento de aire a una presión de 2 bar y 30 C con f=80%. La masa de aire que ingresa a la unidad es de 100kg/min. La mezcla de aire seco y de vapor sale de la unidad de acondicionamiento a 1.5 bar, 20 C y f=100%. El líquido condensado sale a 20 C. Calcular el calor transferido, en kw. Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 29

30 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 5. Se tiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión de 1 bar y 20 C, el cual ocupa un volumen de 0.2 m 3. Si su humedad relativa es 70%, determinar: a)la masa de vapor existente, en gramos. b)si se realiza un enfriamiento a presión constante, a qué temperatura empezará la condensación? c) Qué cantidad de vapor se condensará si la mezcla se enfría a 10 C, manteniéndose constante la presión total? d)si la mezcla original se calienta hasta 40 C, a presión constante, Cuál será la humedad relativa final? e)si para el caso d) se requiere alcanzar nuevamente una humedad relativa de 70%. Qué cantidad de agua tendrá que agregarse si este se encuentra a 40 C? Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 30

31 Termodinámica para ingenieros PUCP Sistema de Refrigeración Con R-12 como portador de energía y que consta de: Evaporador instalado en la zona E con tubo extractor de condensado Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 31

32 Ai r e Ac o n d i c i o na d o 4. CÁLCULOS Y GRÁFICOS. Realizar el balance térmico de los calentadores.. Realizar el balance térmico del evaporador.. Representar los procesos en una carta psicrométrica.. Comparar el caudal de condensado medio con el evaluado con la ayuda de la carta psicrométrica. Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 32

33 Termodinámica para ingenieros PUCP Cap 16 Aire Acondicionado- Pág. 33

34 Ai r e Ac o n d i c i o na d o Cap 16 Aire Acondicionado - Pág. 34