UTILIZACIÓN DEL DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
Arq. José Luis Cánovas
Psicrometría
Introducción:
En nuestra vida profesional tendremos que acondicionar casas, edificios e industrias y hasta controlar procesos de manufactura de materiales, para mejorar la calidad del producto terminado. Para acondicionar el aire en un espacio, se requiere tener conocimientos básicos de las propiedades del aire y la humedad, realizar cálculos para el calentamiento o enfriamiento y hasta manejar instrumental especifico.
Definimos entonces que es el acondicionamiento del aire, es un proceso de tratar el aire, de tal manera, que se controle su temperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla con los requisitos del espacio acondicionado.
Con lo indicado anteriormente las operaciones para acondicionarlo serian:
- Control de la temperatura.
- Control de la humedad.
- Filtrado, limpieza y purificación del aire
- Circulación y movimiento del aire.
El control de temperatura en verano se lograría mediante un sistema de refrigeración, en cuanto en invierno con un sistema de calefacción. El control de humedad en verano requiere de deshumidificación (quitar humedad) lo que se realiza al pasar el aire sobre la superficie de un evaporador. En invierno, se requiere humidificar, para agregarle humedad al aire en el sistema de calefaccionamiento. Las filtraciones del aire son las mismas en invierno y verano.
Objetivo:
• Aprender a utilizar el diagrama Psicrométrico como herramienta para el cálculo de propiedades y representación de procesos. -
• Comprender los fundamentos de los principales procesos Psicrométrico entre los que destacan los procesos de secado, acondicionamiento de aire y enfriamiento de agua con aire.
Psicrometría definición:
La Psicrometría es la ciencia que trata de las de las propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y sobre el confort humano. La Psicrometría resulta entonces útil en el diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos, diseño de equipos de refrigeración, estudio del secado de alimentos, estudios de aire acondicionado y climatización, torres de enfriamiento, y en todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire.
Diagrama Psicrométrico
Las diferentes propiedades del aire húmedo están relacionadas entre sí, de forma que a partir de dos cualesquiera es posible obtener el resto. Las gráficas de las ecuaciones de las diferentes propiedades del aire húmedo son representadas en el diagrama Psicrométrico. (Gráfico Nº1) En estos diagramas, cada estado del aire vendrá representado por un punto, y cada proceso Psicrométrico por una línea. Se consigue así una estimación rápida y precisa de la información necesaria en el estudio y diseño de equipos o procesos relacionados con la Psicrometría. Además, permiten realizar cálculos en cualquier momento y situación.
El aire es una mezcla de gases que rodea a la tierra. Este aire que envuelve a la tierra se conoce como atmósfera. El aire atmosférico es una mezcla de oxígeno, nitrógeno, bióxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua, y un porcentaje muy pequeño de gases raros como argón, neón, ozono, etc.
El aire, tiene peso, densidad, temperatura, calor específico y, además, cuando está en movimiento, tiene momento e inercia.
La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire, ya sea a la intemperie, o dentro de un espacio. La humedad está "en el aire", solamente en el sentido de que los dos, aire y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo.
Gráfica Nº1
A partir de la grafica del Diagrama Psicrométrico, Se irán presentando las propiedades del aire realizando su lectura en la grafica correspondiente.
- Temperatura de Bulbo Seco (TBS) su unidad de medida es en grados centígrado (ºC), corresponde a la temperatura del aire normal en un acondicionamiento de aire, y es medido por termómetros ordinarios como los utilizados en casa. Como se indica en la Grafica Nº2.
Gráfica Nº2
La lectura corresponde al eje de las abscisas y su escala es en grados centígrados. Las líneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja hasta la más alta de la gráfica permanecen constantes, porque cualquier punto a lo largo de una de estas líneas corresponde a la misma temperatura del bulbo seco indicada en la escala de la parte baja. Tomamos lectura del punto A propuesto a modo de ejemplo al que le corresponde a una TBS de 22ºC.
Se procede a partir de este punto A del ejemplo a realizar la lectura de las propiedades del aire restantes.
En este eje horizontal que atraviesa el punto A en la grafica a la derecha, leemos una nueva escala en vertical (ordenadas) que corresponden a la Humedad Absoluta.
- El término Humedad Absoluta (HA) se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen, esta unidad de volumen es un espacio de un metro cubico, por lo que su unidad es en gramos sobre Kilogramo (gr/Kg).
Para el ejemplo propuesta el valor correspondiente a la Ha es de 7,2 gr/Kg.
Las líneas de humedad absoluta corren horizontalmente de derecha a izquierda y coinciden con las del punto de roció, por lo que podemos ver que la cantidad de humedad en el aire depende del punto de roció del aire.
- El punto de roció se define como la temperatura debajo de la cual el vapor de agua del aire, comienza a condensarse y corresponde su unidad en grados centígrados (ºC).
Tomamos lectura del punto A propuesto a modo de ejemplo al que le corresponde a una Tr de 10ºC.
Pudiéndose observar que el punto de Roció se corresponde al 100% de la humedad del aire.
- En la gráfica Nº3, la Temperatura de Bulbo Húmedo (TBH), cuya unidad de medida es en grados centígrados (ºC) corresponde a la temperatura del aire húmedo, tomada con un termómetro ordinario con una muselina alrededor del bulbo humedecida con agua limpia, la evaporación de esta agua disminuirá la lectura (temperatura) del termómetro, Mientras mas seco este el aire, mas rápido será la evaporación de la humedad de la mecha, Así la lectura de la temperatura del bulbo húmedo varia de acuerdo a qué tan seco esté el aire.
La escala de la temperatura de bulbo húmedo, es la que se encuentra del lado izquierdo de la curva, cuyas líneas corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, en un ángulo de unos 30º de la horizontal. También son constantes porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas es la misma.
Grafica Nº3
- En la carta Psicrométrico, las líneas de Humedad Relativa constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha, disminuyendo su valor al alejarse de la línea de saturación del 100%. Se expresan en porciento, y corresponden a la relación del peso de vapor de agua con el vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco. Del ejemplo su valor Hr = 42%.
Si prolongáramos las líneas de bulbo húmedo como puede observarse en el gráfico Nº4, encontramos una nueva escala que corresponde a la Entalpia, esto es debido a que el calor total del aire depende de la temperatura del bulbo húmedo leemos en la escala lejana a la curva la Entalpia (QT), su valor es de Qt= 9,8 Kcal/Kg.
Gráfica Nº4
Las líneas ubicadas en un ángulo de aproximadamente a unos 60ª de la horizontal corresponde al Volumen Especifico (Ve), y su unidad es m3/Kg, y aumenta su valor de izquierda a derecha de la grafica.
A modo de resumen es en la gráfica Psicrométrica donde tenemos un número de líneas que se cruzan una con otra pudiendo referencia un punto dado con los diferentes valores constantes de las restantes propiedades del aire, como ser:
- La temperatura de Bulbo Seco.
- La temperatura de Bulbo Húmedo
- La temperatura de Roció
- La Humedad Absoluta
- La Humedad Relativa
- El volumen Especifico
- Entalpia
Como podemos resumir en el siguiente grafico.
. Como se puede observar, es relativamente simple determinar las propiedades del aire en una carta Psicrométrico, conociendo dos (cualquiera) de ellas. Se requiere que, a partir de un punto dado en la carta, las demás propiedades se obtengan siguiendo una serie de líneas, que pueden ser horizontales, verticales, diagonales o curvas. La precisión del resultado, depende grandemente de la versión individual, la habilidad para trazar líneas y el método de interpolación. La interpolación significa obtener matemáticamente, los valores de los puntos que caen entre dos líneas; lo cual, en ocasiones, puede consumir una gran cantidad de tiempo y esfuerzo. Pero, el uso de la carta no se limita solamente a determinar las propiedades de una muestra de aire, también se pueden calcular las cargas térmicas al calentar o enfriar la muestra de aire, con o sin humidificación o deshumidificación, cambios en el volumen, mezclas de aire, etc.
Los distintos procesos quedan representados en la siguiente gráfica:
Hasta ahora, hemos estado tratando con cantidades y presiones de aire y vapor de agua, en referencia de una misma temperatura. Se han mencionado los efectos de aumentar y disminuir la temperatura, para lo cual hay que agregar o quitar calor. Ahora debemos ver cuánto calor hay que agregar o quitar, para efectuar los cambios que queremos calcular para su estudio. De la misma manera que es necesario saber cuánta humedad y aire hay en las diferentes mezclas, también es necesario conocer cuánto calentamiento o enfriamiento se requiere, para hacer cambios en la condición de las mezclas de aire y humedad
Esto es tan cierto para las temperaturas en refrigeración (conservación y congelación), como lo es para las temperaturas del aire acondicionado para el confort humano. Si tuviéramos que considerar solamente calentar y enfriar el aire en las mezclas, la cantidad de calor agregado o removido, sería comparativamente simple. Solo tendríamos que agregar o quitar «calor sensible» del aire. Puesto que el calor sensible en la mezcla proviene casi totalmente del aire, el contenido de calor por kilogramo de aire seco, es el mismo que el calor sensible de la mezcla, Es el contenido de humedad el que complica el problema. Esto no sería tan difícil, si la humedad permaneciera siempre como vapor, ya que siempre estaríamos tratando con el «calor sensible» del vapor. En la mayoría de las aplicaciones donde el aire y la humedad tengan que calentarse o enfriarse, algo del vapor de agua se vuelve líquido (condensado), o el agua líquida se evapora. Cuando un kilogramo de vapor de agua se condensa, libera cierta cantidad de kcal, mismas que debe absorber el equipo de enfriamiento. Cuando se evapora un kilogramo de agua, deben agregarse una cantidad cierta de kcal, las cuales deben ser suministradas por el equipo de calefacción. Esto se llama «calor latente» y la carga de este calor puede ser muy grande, algunas veces más grande que la carga completa de calor sensible requerida para cambiar la temperatura del aire y humedad. Por otra parte, la carga latente no incluye cambio de temperatura, sólo un cambio en el contenido de vapor a líquido.
Para comprender un proceso como el de calentamiento y humidificación agregando o quitando calor sensible y latente se realizará un ejemplo que constará de dos pasos, primeramente, se iniciará el proceso donde se procede con el calentamiento y en el segundo ejemplo se concluirá humidificando la masa de aire.
Ejemplo: Estado Inicial Del Proceso
A partir del punto “A” correspondiente a una masa de aire (ubicar en el Diagrama Psicométrico) de TBS 2 ºC y Hr 50%, se desea calentar dicha masa de aire sin modificar su contenido de humedad absoluta hasta una TBS 20ºC. ¿Cuánto será el calor a suministrar? Indique las restantes condiciones de la masa de aire que se desplazó al punto C.
Ubicamos los datos correspondientes en la siguiente grafica Nº5.
Grafica Nº5
El procedimiento presente es simple, se procede a marcar los datos del problema presente como se indica en la Grafica Nº5 y por sustracción obtener el valor de la Entalpia, dicho valor corresponde al calor sensible de 4,2 Kcal/kg. Como se indicaba anteriormente para que el aire en la condición A sea modificado su estado hasta la condición C debe ser calentado agregando calor sensible a la masa de aire. Podemos así determinar los nuevos valores de la masa de aire, estos son indicados en la Grafica Nº6.
Grafica Nº6
Queda demostrado que al calentar una masa de aire no se modifica el vapor de agua presente, su Humedad absoluta y Temperatura de Roció permanecen constantes en la grafica.
Siguiendo con el ejemplo indicaríamos el estado final del proceso:
Se desea calentar una masa de aire que posee una Temperatura de bulbo seco de 2ºC hasta una temperatura de bulbo seco de 20ºC, sin modificar su porcentaje de Humedad relativa del 50%. ¿Cuánto será el calor a suministrar? Indique las restantes condiciones de la masa de aire que se desplazó al punto B.
Indicamos dicho proceso en la Grafica Nº7
Grafica Nº7
El procedimiento es idéntico al anterior a partir de los datos consignados en el ejemplo marcamos en la Grafica Nº7 el punto A y el punto B por diferencia obtenemos la Entalpia correspondiente cuyo valor es de Qt = 7,2 Kcal/kg.
Podemos observar en la Grafica Nº8 el proceso que se lleva a cabo y así determinar que el vapor de agua contenido en la masa de aire se le agrega Humedad, en cuyo caso el calor suministrado seria calor latente. Para recordar
Calor sensible: es la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer de una sustancia en este caso el aire, para producir un aumento o disminución de temperatura respectivamente a presión constante.
Calor latente: es la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer de la masa de aire para producir un cambio físico a la presión constante de dicha sustancia.
Grafica Nº8
Para concluir con el ejemplo recordemos que se llevan a cabo desde el estado inicial del proceso un Calentamiento, luego una Humidificación, como se indica en la grafica siguiente, para concluir así el proceso .Estos procesos se realizan en invierno y para efectuarlos se utilizan lavadoras de aire que son baterías de toberas que rocían agua caliente sobre el flujo de aire que la atraviesa o bandejas de agua en la que se encuentra sumergida una resistencia que provoca la ebullición del agua, generando vapor que al ser atravesado por la masa de aire, incrementa su temperatura y humedad.
A continuación, realizamos el proceso contrario que seria el de Deshumidificar la masa de aire y el de Enfriarla, pero para ello no utilizaremos recorrido del proceso como guía sino el de la masa de aire.
Ejemplo: Enfriamiento y deshumectación:
El estado inicial A corresponde a una temperatura del aire de bulbo seco de 28ºC y una humedad relativa del 50%, la masa de aire en estas condiciones entra en condensación parte de vapor de agua que contiene. El agua en estado líquido se separa de la masa de aire deslizándose por una serpentina para luego ser recogido en una bandeja. Indique cual seria la temperatura del bulbo seco y la humedad del aire que recircula.
Este es un proceso necesario en verano y que se efectúa simultáneamente al hacer pasar el aire a través de serpentinas en las cuales circula un fluido a una temperatura menor que la temperatura de roció del aire circulante, este al ponerse en contacto con estas superficies cede calor y alcanza su punto de roció produciéndose el enfriamiento y deshumectación, dicho proceso es representado en la Grafica Nº9. El estado inicial corresponde a una temperatura de bulbo seco de 28ºC y una humedad relativa del 50%, la masa de aire en estas condiciones entra en condensación una parte del vapor de agua que contiene, en este caso llega al 90%. El agua en estado líquido se separa de la masa de aire correspondiendo al punto C de la grafica (calor latente), siendo el punto de B de la grafica el calor sensible en este proceso de enfriamiento
Grafica Nº9
El enfriamiento y la deshumectacion sufrida por el aire desde el Punto A hasta el B podemos representarla con una línea inclinada, esta inclinación dependerá de la cantidad de calor sensible y de calor latente puesta en juego y se relaciona con el Factor de Calor Sensible (FCS). Definida como la razón entre las ganancias de calor sensible y las ganancias de calor total (suma de las ganancias de calor sensible más las ganancias de calor latente). En las grafica el FCS esta representada por el punto P que corresponde a la Temperatura de bulbo seco de 26,7 ºC y 50% de Humedad. Sobre el margen derecho del diagrama se encuentra la escala del Factor de Calor sensible, al unir este punto P, obtendremos diferentes inclinaciones correspondientes a los diferentes factores de calor sensible.
Para recordar:
Calefaccionar el aire significa elevar su temperatura.
Humectar el aire significa dotarlo de la cantidad suficiente de vapor de agua. Refrigerar el aire significa quitarle calor o disminuir su temperatura. Deshumectar el aire significa quitarle humedad.
Graficada en el siguiente diagrama.
Bibliografía
• Apuntes de Catedra Instalaciones I Facultad de Arquitectura UCC, Arq. Laura Collet.
• Sistemas de Aire acondicionado, Néstor Quadri, 2001. Editorial Alsina I.S.B.N 950-553-088-9.-
• Acondicionamiento del aire en los Edificios 1, 2,3 y 4. Ing. Roberto O. Salas. Web.
• Psicrometría, métodos de humidificación y de humidificación y sus aplicaciones en el diseño arquitectónico. Dr. Isaac Pilatowsky Figueroa. Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México.
