Calentamiento y enfriamiento sensible del aire

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Cuando se entrega energía al aire, la temperatura aumenta, pero la razón de humedad permanece constante, pues no hay nLaumento ni disminución en la cantidad de masa de la mezcla (aire seco y vapor de agua). Igual cosa sucede con el enfriamiento del aire; se retira energía y la razón de humedad permanece constante. Por tanto, los procesos de calentamiento y enfriamiento del aire aparecen en el gráfico con lineas horizontales, paralelas a la abscisa, a partir del punto de estado en que se encuentra el aire. En la Figura 6, el aire cuyas propiedades termodinámicas están en el punto de estado definido por T = 25 °C y T_bh = 20 °C, pasa primero por un proceso de calentamiento hasta la temperatura de 46 °C; en otro proceso, pasa por enfriamiento hasta la temperatura de 20°C. En el Cuadro 4, están los valores de las propiedades del aire al término de los procesos de calentamiento y enfriamiento señalados en el gráfico psicrométrico (Figura 6).

Figura 6. Representación del calentamiento y enfriamiento del aire húmedo en el gráfico psicrométrico

Cuadro 4 Propiedades termodinámicas del aire en los procesos de calentamiento y enfriamiento

Durante el calentamiento, de 25°C a 46°C la entalpía del aire pasó de h1 = 57,5 kJ/kg de aire seco a h2= 80,0 kJ/kg de aire seco, lo que significa que es preciso proporcionar 22,5 kJ/kg de aire seco para llevar la masa de aire del punto de estado 1 al punto de estado 2. Durante el enfriamiento de 25 a 20 °C hay que retirar 5 kJ/kg de aire seco para llevar el aire del punto de estado 1 al punto de estado 3.

Enfriamiento con deshumedecimiento

El enfriamiento del aire, cuando se alcanza la curva de humedad relativa máxima (<P = 100%), se tiene en el punto de roció. El enfriamiento de ese aire, moverá el punto de estado sobre la línea de saturación, con lo que se condensa una parte del vapor de agua presente en el aire. En consecuencia, la razón de humedad disminuirá.

Figura 7. Representación del enfriamiento con deshumedecimiento del aire húmedo en el gráfico psicrométrico

La Figura 7 muestra el enfriamiento de una masa de aire con sus propiedades termodinámicas definidas en el punto de estado 1 (T = 25 °C y T_bh = 20 °C) hasta el punto de estado 4. Se observa que el punto de estado se desplaza horizontalmente hacia la izquierda hasta llegar a la línea de saturación, lo que indica que se alcanzó el punto de rocio (punto 4). Si el enfriamiento continúa hasta la temperatura de 14 C (punto 5), habrá condensación de 0,0027 kg de vapor/kg de aire seco, y la entalpía del aire disminuirá en 18,5 kJ/kg de aire seco. En el Cuadro 5 constan los valores de las propiedades termodinámicas del aire en el proceso descrito.

Cuadro 5 Propiedades termodinámicas del aire en el proceso de enfriamiento con deshumedecimiento

Secado y humedecimiento adiabático del aire

La adición de humedad al aire o su extracción de él, sin aumentar ni disminuir la energía, hace que el punto de estado se mueva sobre una linea de entalpía constante. Si se trata de agregar humedad, el punto se desplaza hacia arriba y si se trata de retirar humedad, se desplaza hacia abajo. La Figura 8 señala que el aire húmedo, en las condiciones iniciales (punto de estado 1 ) tiene una temperatura de bulbo seco (T) de 25 °C y una razón de humedad (W) de 0,0127 kg de vapor por kg de aire seco. Al aumentar en 0,0013 kg de vapor de agua, el punto de estado se desplazó hasta el punto 6 (W = 0,014). Partiendo nuevamente de las condiciones iniciales (punto de estado 1), al retirar 0,0017 kg de vapor, el punto de estado se desplaza hasta el punto 7 (W = 0,011). Se observa que la entalpía del aire permanece constante, 53 kJ/kg de aire seco. En el Cuadro 6 se presentan las propiedades termodinámicas del aire en los puntos 1, 6 y 7.

Figura 8. Representación del secado y humedecimiento adiabático del aire en el gráfico psicrométrico.

Cuadro 6 - Propiedades termodinámicas del aire en los procesos de secado y humedecimiento adiabático

Las operaciones de calentamiento, enfriamiento, secado y humedecimiento del aire tienen especial Importancia en los trabajos de manejo, secado y almacenamiento de productos biológicos.

Humedad relativa y déficit de presión de vapor

La medida de la humedad relativa del aire se puede obtener mediante las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo, medidas con un psicrómetro. La disminución de la temperatura de bulbo húmedo depende de la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, además de la velocidad del aire en torno a la tela embebida en agua destilada. El déficit de saturación se encuentra por la diferencia entre la presión de vapor de agua saturado (P_VS) y la presión de vapor real del aire (Pv ), a la temperatura en que se encuentra el aire. Cuando se conoce la temperatura del aire, la presión del vapor de agua saturado (P_VS), se puede obtener en el Cuadro 7, en unidades del Sistema Internacional de Unidades (Si).

La presión de vapor de agua real (Pv), se puede calcular con la ecuación siguiente:

P_v= P_VS,_bh - a₁ P (T - T_bh) ec.1

y la presión atmosférica, de acuerdo a la altura del lugar, se puede buscar en el Cuadro 3A del Apéndice. Luego, recordando que la humedad relativa del aire la da

se puede determinar la humedad relativa del aire en lugares en que no se dispone de gráficos psicrométricos, de acuerdo con la altura local, o incluso en situaciones en que no se dispone de psicrómetros con sistema de movimiento de aire.

A continuación se presenta un caso ilustrativo en que se trata de calcular la humedad relativa del aire, a partir de las condiciones siguientes: temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo igualesa 28°C y 21,5 °C respectivamente, medidas con psicrómetro sin sistema de movimiento de aire, instalado en una caseta meteorológica. La altura del lugar es de 700 metros sobre el nivel del mar.

• para 700 metros de altura sobre el nivel mar, en el Cuadro 3A del Apéndice la presión atmosférica tiene un valor de 933 mbar;
• para un psicrómetro sin ventilación forzada, instalado en caseta meteorológica, la constante psicrométrica tiene un valor de a = 0,000800 °C^-1
• en el Cuadro 2A del Apéndice, para Tbh = 21,5 c, se tiene que P_VS, T_bh = 25,6 mbar; y para T = 28 °C se tiene PVS = 37,8 mbar;
• por la ecuación 1 se tiene que

P_V= 25,6 - (0,000800 x 933) x (28-21,5)
P_V = 20,75 mbar

• por la ecuación 2 se tiene que

f= 3O7 8 x 100
f = 55,0%

En muchos casos, lo habitual es expresar la humedad del aire en términos de humedad relativa, como ser en situaciones en que se supone que el contenido de humedad de un producto biológico está en equilibrio con la humedad y temperatura del aire, pasado un lapso prolongado. En otros casos, en cambio, la tasa a la cual se produce un fenómeno, como consecuencia de una reacción a las condiciones de humedad del aire, está mucho más relacionada con el déficit de presión de vapor que con la humedad relativa.

Tabla psicrométrica

El cuadro 8 se emplea en la determinación de la humedad relativa del aire, cuando se conocen las temperaturas de bulbo seco T, y de bulbo húmedo Tbh. Dicha tabla se preparó para presión atmosférica normal (nivel del mar). El Cuadro 8 es de doble entrada: la temperatura del termómetro de bulbo seco T, se encuentra en la primera columna y la depresión psicrométrica (T - Tbh) en la primera línea Los diversos valores de humedad relativa constituyen el cuerpo de la tabla. Así, por ejemplo, para una temperatura de bulbo seco (T) de 28 °C y temperatura de bulbo húmedo (Tbh) de 25 °C se encuentra en la primera columna el valor correspondiente a T = 28 °C (véase el Cuadro 8). Siguiendo horizontalmente hasta la columna cuya depresión Micrométrica es 3 °C se encuentra el valor de f = 78% de humedad relativa del aire.

Cuadro 7 Tabla de presión de vapor de agua saturado (kPa), para presión atmosférica de 101,325 kPa

Cuadro 8 Tabla psicrométrica para presión atmosférica normal

Ecuaciones psicrometricas

Hay en la literatura ecuaciones exactas y termodinámicamente congruentes para la razón de humedad, volumen especificó, entalpía, grado de saturación y presión de vapor de agua saturado. Dichas ecuaciones se elaboraron sobre la base de los conceptos de termodinámica estadística, tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares que hacen que el aire atmosférico se comporte como un gas no ideal. En ASHRAE (1977) se publican tablas de las propiedades del aire húmedo, construidas a partir de dichas ecuaciones.

Por la complejidad de las ecuaciones que se utilizaron en la preparación de dichas tablas, se elaboraron ecuaciones simplificadas que suministran resultados aproximados a los valores reales, sobre la base del supuesto de que el aire húmedo se comporta como un gas ideal. Estas ecuaciones simplificadas son las que se usan para calcular parámetros psicrométricos a presiones atmosféricas diferentes de las que se usaron para construir las tablas y gráficos psicrométricos, y son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería. En cambio, para fines que exijan resultados exactos, las ecuaciones de los gases ideales son en cierto modo limitadas.

A continuación se presentan las ecuaciones psicrométricas, cuyos simboles están definidos en la lista que viene al final de este capitulo; las unidades pertenecen al sistema internacional (Sl).

1. Linea de saturación, P_VS

ec.3

255,38 £ T £ 273,16 K

ec.4

273,16 £ T £ 366,5 K

ec.5

273,16 £ T £ 533,16 K

en que

b₁ = -27405,526
b₂ = 97,5413
b₃ = 0,146244
b₄ = 0,12558 x 10^-3
b₅ = 0,48502 x 10^-7
b₆ = 4,34903
b₇ = 0,39381 x 10^-2
b₈ = 22105649,25

2. Humedad relativa, f

ec.2

3. Razón de humedad, W

W = 0,62198 PV/(P-P_V)
ec.6

255,38 £ T £ 533,16 K

P_V< P

4. Volumen específico, V_e

V_e = 287,05T /( P- P_V)
ec.7

255,38 £ T £ 533,16 K

Pv < P

5. Entalpía de sublimación de agua en la saturación hsg

h_sg = 2839683,144 - 212,563884 (T-255,38)
ec.8

255,38 £ T £ 273,16 K

6. entalpía de vaporización del hielo en la saturación, h_lg

h_lg = 2502535,259 - 2385,75424 (T-273,16)
ec.9

273,16 £ T £ 338,72 K

h_lg = (7329155978000 - 15995964,08 T2)1/2
ec.10

338,72 £ T £ 533,16K

7. Línea de bulbo húmedo Tbh

P_VS,bh - P_V = B (T_bh - T)

en que

Se reemplaza h"_lg por h"_sg, cuando T < 273,16

255,38 £ T £ 533,16K

8. Entalpía, h

h = 1006,92540 (T - 273,16) - W[333432,1 + 2030,5980

(273,16 + T_pr)] + h'_sgW + 1875,6864 W(T-T_pr)
ec.11

255,30 £ Tp, £ 273,16 K

h = 1006,92540 (T - 273,16) + 4186,8 W (T_pr - 273,16) + h'_lgW + 1875,6864 W(T-T_pr)
ec.12

273,16 £ Tpr £ 373,16K

9. Temperatura del punto de rocío, T_pr,

T_pr = c₁ (10^-3 P_V) ^c₂ + c₃ In (10^-3 P_V) + c₄
ec.13

a) para 0,16 s Pv s 610,74 N/m²:

c₁ = 82,44543
c₂ = 0,1164067
c₃ = 3,056448
c₄ = 196,814270

b) para 610,74 £ P_V £ 101340 N/m²:

c₁ = 33,38269
c₂ = 0,2226162
c₃ = 7,156019
c₄ = 246,764110

c) para 101340 £ PV £ 4688500 N/m²:

c₁ = 13,85606
c₂ = 0,2949901
c₃ = 12,10512
c₄ = 263,128720

La mayoría de las veces se obtiene el valor de la temperatura de bulbo seco junto con otro parámetro psicrométrico, esto es, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa o temperatura de punto de rocio. A partir de dichas mediciones se puede obtener una o todas las demás propiedades termodinámicas del aire húmedo. Las ecuaciones presentadas se pueden usar para calcular dichas propiedades Bel aire húmedo. El orden en que se apliquen depende sobre todo de los parámetros conocidos.

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