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• Katia Yohana Pairazaman Ferre

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Psicrometría Ing. Gabriela Barraza J.

Psicrometría • Objetivo: – Determinación de las propiedades termodinámicas de mezclas gas-vapor.

• Aplicaciones más comunes: se asocian al sistema aire-vapor de agua. – Diseño y análisis de diferentes sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos. – Diseño de equipos de aire acondicionado para conservar alimentos frescos, secaderos de grano de cereal y torres de enfriamiento en plantas de procesado de alimentos.

Propiedades del aire seco • Composición del aire Constituyente Nitrógeno

Porcentaje en volumen 78.084000

Oxígeno

20.947600

Argán

0.934000

Dióxido de carbono

0.031400

Neón

0.001818

Helio

0.000524

Otros gases (trazas de metano, dióxido de azufre, hidrógeno, kriptón y xenón)

0.000658

100.000000

• Peso molecular del aire seco estándar: 28.9645 g/mol

Volumen específico del aire seco Ra T A V ´a  pa

• Donde : – V’a es el volumen específico del aire seco (m3/kg) – TA es la temperatura absoluta (°K) – p es la presión parcial del aire seco (kPa) – Ra la constante de los gases (m3 Pa/kg°K).

Calor específico del aire seco • A 1 atm (101.325 kPa), y dentro del intervalo de temperaturas comprendido entre -40 y 60°C , el Cp del aire varía desde 0.997 KJ/kg°K hasta 1.022 kJ/kg°K. • En la mayoría de los casos puede utilizarse el valor medio, 1.005 kJ/kg°K.

Entalpía del aire seco • Entalpía o contenido energético del aire seco: – Término relativo que necesita la elección de un punto de referencia. – En cálculos psicrométricos la presión de referencia es la atmosférica y la temperatura de referencia es 0°C.

Entalpía del aire seco H a  1.005(Ta  T0 )

• Donde: – Ha es la entalpía del aire seco (kJ/kg) – Ta es la temperatura de bulbo seco (°C) – T0 es la temperatura de referencia, generalmente 0°C.

Temperatura de bulbo seco • Temperatura mostrada temperatura invariable.

por

un

indicador

de

• Siempre que se indique la temperatura sin ningún sufijo se entenderá que corresponde a La temperatura de bulbo seco.

Propiedades del vapor de agua • El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor. • El vapor en el aire es esencialmente vapor sobrecalentado a baja presión parcial y temperatura. • El aire contiene vapor sobrecalentado; sin embargo, bajo ciertas condiciones el aire puede contener gotas de agua en suspensión, fenómeno que se conoce generalmente como «niebla» (en inglés, foggy).

• El peso molecular del agua es 18.01534. La constante de los gases para el vapor de agua puede calcularse como

8314.41 Rw   461.52m 3  Pa / kgK 18.01534

Volumen especifico del vapor de agua • Por debajo de los 66°C, el vapor saturado o sobrecalentado sigue las leyes de los gases ideales, de manera que para determinar sus propiedades puede utilizarse la ecuación de estado. V ´w 

RW TA pW

• Donde: – pw es la presión parcial del vapor del agua (kPa) – V’w es el volumen específico del vapor de agua (m3/kg) – Rw es la constante de los gases para el vapor de agua (m3 . Pa/kg°K) – TA es la temperatura absoluta (°K).

Calor específico del vapor de agua • El calor específico del vapor saturado así como sobrecalentado no varía apreciablemente dentro del intervalo de temperaturas comprendido entre —71 y 124°C, tomándose generalmente un valor de 1.88 kJ/kg°K.

Entalpía del vapor de agua • Se utiliza la siguiente expresión: H w  2501.4  1.88Ta  T0 

• Donde: – Hw es la entalpía del vapor de agua saturado o sobrecalentado (kJ/kg) – Ta la temperatura ambiente (°C). – To la temperatura de referencia (°C).

Propiedades de las mezclas aire-vapor • Las moléculas de agua presentes en la mezcla airevapor ejercen, al igual que cualquier molécula de gas, una presión sobre las paredes que lo contienen.

• Las mezclas aire-vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales aunque éstas pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm.

Ley de Gibbs-Dalton • Las mezclas aire-vapor de agua existentes en la atmósfera siguen la ley de Gibbs-Dalton. • El aire atmosférico se encuentra a una presión total igual a la presión barométrica. • De la ley de Gibbs-Dalton,

pB  pa  pw • Donde: – pB es la presión total o presión barométrica del aire húmedo(kPa) – pa es la presión parcial ejercida por el aire seco (kPa) – pw es la presión parcial ejercida por el vapor de agua (kPa).

Punto de rocío •

El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión.

•

El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la presión parcial ejercida por el vapor de agua.

•

Dicha temperatura del aire se denomina temperatura (o punto) de rocío.

•

El punto de rocío puede determinarse mediante la tabla de vapor de agua; por ejemplo, si la presión parcial del vapor de agua es 2.064 kPa, la temperatura de rocío puede obtenerse directamente como la correspondiente a la temperatura de saturación; ésto es, 18°C.

•

El concepto de punto de rocío se expresa así: cuando una mezcla aire-vapor se enfría a presión y relación de humedad constantes se alcanza una temperatura en la que la mezcla se satura, y por debajo de la cual se produce condensación de la humedad. La temperatura a la que comienza la condensación es la que se denomina temperatura de rocío.

Contenido en humedad • El contenido en humedad W(también denominado simplemente humedad) se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. • Unidades: Kg. de agua/Kg. aire seco. • Entonces, W 

mw ma

x  18.01534  xw W   0.622 w  xa  28.9645  xa

• Donde: – xw es la fracción molar del vapor de agua – xa es la fracción molar del aire seco.

Contenido en humedad • Las fracciones molares xw y xa pueden expresarse en términos de presiones parciales. • A partir de las ecuaciones de los gases perfectos para el aire seco, vapor de aguay una mezcla, respectivamente, paV  na RT

(1)

pwV  nw RT

(2)

pV  nRT

(3)

• La ecuación (3) puede escribirse como:

( pa  pw )V  (na  nw ) RT

• Dividiendo la ecuación (1) por la ecuación (4):

pa na   xa pa  pw na  nw

• y dividiendo la ecuación (2) por la ecuación (4)

pw nw   xw pa  pw na  nw

• Entonces, de las ecuaciones (5), (6)

w  0.622

• Teniendo en cuenta que pa = pa – pw

w  0.622

pw pa

pw p B  pw

(4)

(5)

(6)

Humedad relativa • La humedad relativa, Ø es la relación entre la fracción molar del Vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presión. • Entonces, 

xw x100 xws

• De la ecuación (6): 

pw x100 pws

• Donde pws, es la presión de saturación del vapor de agua.

Calor húmedo de una mezcla aire-vapor • Se define como la cantidad de calor (kJ) que es necesario aplicar para aumentar 1°K la temperatura de 1 Kg. de aire seco más la del vapor de agua presente en el mismo.

cs  1.005  1.88W • Donde: – cs es el calor húmedo del aire húmedo (kJ/Kg. de aire seco°K) – W es la humedad (Kg. de agua/Kg. de aire seco).

Volumen específico • Volumen específico es el volumen que ocupa 1 Kg. de aire seco más el del vapor de agua presente. • Unidades: m3/Kgas  22.4m3  1kg.mol.aire  T  273   22.4m3  1kg.mol.agua  T  273  Wkg.agua     V ´H       1 kg . mol 29 kg . aire 0  273 1 kg . mol 18 kg . agua 0  273     kg.aire        1 W V ´H  0.082T  22.4    29 18 

Saturación adiabática del aire • •

Se aplica en el secado de alimentos por convección. En una cámara bien aislada, el aire se encuentra en contacto con una gran superficie de agua.

•

El aislamiento de la cámara asegura que no exista ganancia o pérdida de calor con respecto a los alrededores (condiciones adiabáticas). En este proceso, parte del calor sensible del aire que entra se transforma en calor latente.

•

En las condiciones descritas, el proceso de evaporación del agua en el aire que produce su saturación al transformar en calor latente parte del calor sensible del aire que entra, se define como saturación adiabática.

Saturación adiabática del aire • La ecuación para la saturación adiabática es Ta1  H L

W2  W1 

1.005  1.88W1 

 Ta 2

• Puede escribirse como: W2  W1 Cs  Ta1  Ta 2 H L

• Siendo:

 W  W2  Cs  1.005  1.88 1   2 

Temperatura de bulbo húmedo •

Es la que se alcanza cuando el bulbo de un termómetro de mercurio cubierto con un paño húmedo se expone a una corriente de aire sin saturar que fluye a elevadas velocidades (alrededor de 5 m/s).

pw  pwb  •

Donde:

 pB  pwb Ta  Tw 

1555.56  0.722Tw

– pw es la presión parcial del vapor de agua a la temperatura de rocío (kPa) – pB es la presión barométrica (kPa) – pwb es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura del bulbo húmedo (kPa) – Ta es la temperatura de bulbo seco (°C) – Tw es la temperatura de bulbo húmedo (°C).