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• Osmar Villanueva

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1. INTRODUCCIÓN

1.1.Carta Psicrométrica El estado del aire atmosférico a una presión específica se establece por completo mediante dos propiedades independientes. El resto de las propiedades se calcula a partir de las relaciones anteriores. Hay una motivación para efectuar esos cálculos una vez y presentar los datos en gráficas que sean fáciles de leer. Dichas cartas reciben el nombre de cartas psicrométricas y se utilizan en trabajos de acondicionamiento de aire. Las características más importantes de la carta psicrométrica se presentan en la figura 1.1. Las temperaturas de bulbo seco se muestran sobre el eje horizontal y la humedad específica sobre el eje vertical. En el extremo izquierdo de la carta se observa una curva (llamada línea de saturación) en lugar de una línea recta. Todos los estados de aire saturado se localizan en esta curva. Por lo tanto, es también la curva de un 100% de humedad relativa. [1]

Fig 1.1

Figura 1.1 Esquema para una carta psicrométrica

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Las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante tienen una apariencia descendente hacia la derecha. Las líneas de volumen específico constante (en m3/kg de aire seco) parecen similares, salvo que son más inclinadas. Las líneas de entalpía constante (en kJ/kg de aire seco) están casi paralelas a las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante. Por consiguiente, las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante en algunas gráficas se emplean como líneas de entalpía constante. [1]

Para aire saturado, las temperaturas de bulbo seco, de bulbo húmedo y de punto de rocío son idénticas (fig 1.2). Por ende, la temperatura de punto de rocío del aire atmosférico w en cualquier punto sobre la gráfica se determina al dibujar una línea horizontal (una línea de w = constante o Pv = constante) desde el punto hasta la curva saturada. El vapor de la temperatura en el punto de intersección es la temperatura de punto de rocío. [1]

Fig 1.2

Figura 1.2 Temperaturas de bulbo seco, de bulbo húmedo y de punto de rocío para aire saturado

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La carta psicrométrica también es una valiosa ayuda en la visualización de los procesos de acondicionamiento de aire. Un proceso de calentamiento o enfriamiento ordinario, aparecerá como una línea horizontal en esta gráfica si no se incluye humidificación. Cualquier desviación de la línea horizontal indica que durante el proceso se añade o se extrae humedad al o del aire. [1]

1.2.Humedad específica y relativa del aire La cantidad de vapor de agua en el aire puede determinarse de varias maneras. Es probable que la más lógica sea precisar la masa de vapor de agua presente en una unidad de masa de aire seco, a la que se denomina humedad absoluta o específica (conocida también como relación de humedad) y que se representa por medio de w.

(

)

(

)

donde: ( (

).

). (

)

La humedad específica también se expresa como:

(

)

donde: ( P: presión total (

)

)

6

(

)

La cantidad de humedad en el aire tiene un efecto definitivo en las condiciones de comodidad que ofrece un ambiente. Sin embargo, el nivel de comodidad depende más de la cantidad de humedad que el aire contiene (mv) respecto a la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura (mg). La relación entre estas dos cantidades se conoce como humedad relativa .

(

)

donde: : humedad relativa. ( (

).

) (

)

1.3.Calentamiento con humidificación Los problemas asociados con la humedad relativa baja, producto del calentamiento simple, se eliminan al humidificar al aire calentado. Esto se consigue al pasar el aire por una sección de calentamiento (proceso 1-2) y después por una sección de humidificación (proceso 2-3), como se muestra en la figura 1.3. [1]

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Fig 1.3

Figura 1.3 Calentamiento con humidificación

La ubicación del estado 3 depende de cómo se lleve a cabo la humidificación. Si se introduce vapor en la sección de humidificación, se produce una razonable humidificación con calentamiento adicional (T3 > T2). Si en vez de esto la humidificación se realiza al rociar agua en la corriente de aire, parte del calor latente de vaporización provendrá del aire, lo que producirá enfriamiento en la corriente calentada de aire (T3 < T2). En este caso, el aire debe calentarse a una temperatura más alta en la sección de calentamiento, para compensar el efecto de enfriamiento durante el proceso de humidificación. [1]

1.4.Enfriamiento con deshumidificación La humedad específica del aire permanece constante durante un proceso de enfriamiento simple, pero su humedad relativa aumenta. Si la humedad relativa alcanza niveles extremadamente altos, tal vez sea necesario eliminar algo de humedad en el aire. Para esto es necesario enfriar el aire por debajo de su temperatura de punto de rocío. [1]

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En el proceso de enfriamiento con deshumidificación el aire caliente y húmedo entra a la sección de enfriamiento en el estado 1. A medida que pasa por los serpentines de enfriamiento, su temperatura disminuye y su humedad relativa aumenta a humedad específica constante. Si la sección de enfriamiento tiene la longitud suficiente, el aire alcanzará su punto de rocío. El enfriamiento adicional del aire resultará en la condensación de una parte de la humedad en el aire. Éste permanece saturado durante todo el proceso de condensación, que sigue una línea de 100% de humedad relativa hasta que alcanza el estado final (estado 2). El vapor de agua, que se condensa fuera del aire durante este proceso, se elimina de la sección de enfriamiento por medio de un canal independiente. [1]

1.5. Calentamiento y enfriamiento simple (w = constante) Muchos sistemas de calefacción residenciales constan de una estufa, una bomba de calor o un calentador de resistencia eléctrica. El aire en esos sistemas se calienta al circular por un ducto que contiene los tubos para los gases calientes o los alambres de la resistencia eléctrica. La cantidad de humedad en el aire permanece constante durante este proceso, ya que no se añade humedad ni se elimina aire. Por lo que la humedad específica del aire permanece constante (w = constante) durante un proceso de calentamiento (o enfriamiento) sin humidificación o deshumidificación. Dicho proceso de calentamiento procederá en la dirección de aumento de la temperatura de bulbo seco siguiendo una línea de humedad específica constante en la carta psicométrica. [1]

La humedad relativa del aire disminuye durante un proceso de calentamiento, incluso si la humedad específica w permanece constante. Esto se debe a que la humedad relativa es la relación entre el contenido de humedad y la capacidad de humedad del aire a la misma temperatura, y la capacidad de humedad aumenta con la temperatura. En consecuencia, la humedad relativa del aire calentado puede estar muy

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por debajo de los niveles de comodidad, lo cual ocasiona resequedad en la piel, dificultades respiratorias y aumento en la electricidad estática.

Un proceso de enfriamiento a humedad específica constante es similar al proceso de calentamiento analizado antes, excepto que la temperatura de bulbo seco disminuye y la humedad relativa aumenta durante un proceso de este tipo, como se muestra en la figura 1.5. El enfriamiento se logra al pasar el aire sobre algunos serpentines por los cuales fluye un refrigerante o agua fría.

Fig 1.5

Figura 1.5 Humedad específica durante el enfriamiento simple

Las ecuaciones de la conservación de la masa para un proceso de calentamiento o enfriamiento que no incluye humidificación o deshumidificación se reduce a ̇ ̇

̇ para aire seco y w1 = w2 para el agua.

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2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo general:

Conocer los principios de la psicrometría y el acondicionamiento del aire y demostrar experimentalmente dichos principios.

2.2 Objetivos específicos:

1. Conocer y manejar la unidad de acondicionamiento de aire del laboratorio

2. Medir la temperatura de bulbo seco, bulbo húmedo y obtener la humedad relativa del aire.

3. Demostrar experimentalmente el proceso de calentamiento y su influencia sobre las propiedades del aire.

4. Demostrar experimentalmente el proceso de humedecimiento y su influencia sobre las propiedades del aire.

5. Demostrar experimentalmente el proceso de enfriamiento y su influencia sobre las propiedades del aire.

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3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Banco Psicrométrico: Air Conditioning Laboratory Unit. Serial: 5756. Fabricado por: P.A Milton LTD Engineers Compuesto por los siguientes elementos:

 Ventilador: Controlado en el panel para la variación del caudal de aire suministrado al sistema.  Juego de Resistencias.  Tanque de Agua para la humidificación del aire.  Sistema de refrigeración.  Panel C, para encendido del ventilador y sistema de refrigeración.  2 Termómetros de Bulbo Seco: Marca: Brannan England. Capacidad: 50 °C. Apreciación: ± 1 °C.  1 Termómetro de Bulbo Húmedo Marca: Brannan England. Capacidad: 50 °C. Apreciación: ± 1 °C.  1 Termómetro de Bulbo Húmedo Capacidad: 150 °C. Apreciación: ± 1 °C.  Manómetro inclinado: Marca: Airflow Developments.

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Apreciación: ± 0.1 mm H2O.  Cilindro Graduado: Marca: Saniver Capacidad: 100ml. Apreciación: ± 1 ml.

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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La práctica se realizó en tres partes:

Enfriamiento con deshumidificación:

1. Se encendió el ventilador del banco de pruebas a una velocidad de 340 rpm.

2. Se encendió el sistema de refrigeración y se esperó que el sistema se estabilizara (es indicado por los termómetros de bulbo seco y húmedo cuando su temperatura se mantiene constante). 3. Se tomó las lecturas de los termómetros de bulbo seco y bulbo húmedo a la entrada y a la salida del sistema de refrigeración en el tramo de estudio. 4. Se tomó la lectura del manómetro de la caída de presión existente a la salida. 5. En el momento en que comienza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire atmosférico tomado, se midió la cantidad de agua condensada mediante un cilindro graduado y el tiempo con un cronómetro para un tiempo determinado. 6. Se repitió el procedimiento mencionado con una velocidad del ventilador de 1012 rpm.

Calentamiento Simple 1. Se encendió el ventilador regulando su velocidad en 340 rpm.

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2. Se encendió el interruptor de la resistencia para aplicarle una potencia de 1Kw. 3. Se esperó que el sistema se estabilizara.

4. Se tomaron las lecturas en los termómetros de bulbo húmedo y bulbo seco del flujo de aire y después de atravesar el sistema.

5. Se tomó la lectura del manómetro la caída de presión existente a la salida.

6. Se repitieron los pasos anteriores, pero regulando el ventilador a una velocidad de 1012 rpm.

Calentamiento Doble 1. Se encendió el ventilador del banco de prueba a una velocidad de 340 rpm.

2. Se encendieron las resistencias eléctricas de inmersión a 2Kw. 3. Se esperó que el sistema se estabilizara. 4. Se tomaron las lecturas en los termómetros de bulbo húmedo y bulbo seco del flujo de aire antes y después de atravesar el sistema, al igual que la caída de presión. 5. Se repitieron los pasos anteriores, pero regulando el ventilador a una velocidad de 1012 rpm. 6. Se culminó el proceso y se apagó el equipo completamente.

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5. RESULTADOS

Tabla 5.1 Propiedades del aire para las condiciones dadas de temperatura, en un proceso de enfriamiento con deshumidificación Deshumidificación 340 rpm

Humedad

1012 rpm

Entrada

Salida

Entrada

Salida

0.018809843

0.012629

0.0211190074

0.01557717

2.97421671

2.0163488

3.3273522

2.47555406

75.36240

52.693294

81.5707987

63.284763

77.939464

75.47797457

82.5342596

78.0981153

23.7000

17.45000

25.73000

20.82000

absoluta Presión de vap. (Kpa) Entalpia (Kj/Kg) Humedad relativa (%) Temperatura de rocío (°C)

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Tabla 5.2 Propiedades del aire para las condiciones dadas de temperatura, en un proceso de calentamiento simple. Calentamiento simple 340 rpm

Humedad

1012 rpm

Entrada

Salida

Entrada

Salida

0.0298812

0.0179618

0.0338091

0.0226240

4.6445848

2.84421624

5.2236345

3.55614439

116.86300

73.540574

121.94379

88.0486406

48.4047900

66.9715800

90.8016200

73.0056150

31.44000

23.04000

33.53000

26.79000

absoluta Presión de vap. (Kpa) Entalpia (Kj/Kg) Humedad relativa (%) Temperatura de rocío (°C)

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Tabla 5.3 Propiedades del aire para las condiciones dadas de temperatura, en un proceso de calentamiento doble. Calentamiento doble 340 rpm

Humedad

1012 rpm

Entrada

Salida

Entrada

Salida

0.0298812

0.02388287

0.03293106

0.03009830

4.6445848

3.7467035

5.09479

4.6767641

116.86300

98.781997

120.81480

110.857599

48.40479

43.010090

76.23858

83.081915

31.43000

27.67000

33.07000

31.55000

absoluta Presión de vapor (Kpa) Entalpia (Kj/Kg) Humedad relativa (%) Temperatura de rocío (°C)

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Tabla 5.4 Resultados obtenidos en el proceso de enfriamiento con deshumidificación. Deshumidificación

Flujo volumétrico del líquido

340 rpm

1012 rpm

0.15417

0.17917

0.000153744834

0.00017860793

0.01843364

0.02141861

2.98239

3.86489411

0.1400424

0.2552276

0.00086558

0.00141443

0.00263417556

0.0053901544

0.001768595

0.00397572434

-3.00810

-4.551725

(ml/s) Flujo másico del líquido (Kg/s) Masa del líquido (Kg) Masa del aire (Kg) Flujo másico del aire (Kg/s) Flujo másico del líquido teórico (Kg/s) Flujo másico de vapor a la entrada (Kg/s) Flujo másico de vapor a la salida (Kg/s) Calor cedido (Kw)

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Tabla 5.5 Valores obtenidos en el proceso de calentamiento simple. Calentamiento simple Flujo másico

Flujo másico de

Flujo másico de

Calor cedido

del aire

vapor a la entrada

vapor a la salida

al aire

(Kg/s)

(Kg/s)

(Kg/s)

(Kw)

340 rpm

0.1400424

0.004184642

0.00251540798

6.0669765

1012 rpm

0.2552276

0.00862901545

0.00577426718

8.6509776

Tabla 5.6 Valores obtenidos en el proceso de calentamiento doble Calentamiento doble Flujo másico

Flujo másico de

Flujo másico de

Calor cedido

del aire

vapor a la entrada

vapor a la salida

al aire

(Kg/s)

(Kg/s)

(Kg/s)

(Kw)

340 rpm

0.1400424

0.004184642

0.00334461419

2.53210705

1012 rpm

0.2552276

0.0084049162

0.007681916

2.5413525

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6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

En la tabla 5.1 se observan las propiedades del aire en un proceso de enfriamiento con deshumidificación. Al tratarse de un proceso de deshumidificación, la humedad absoluta y relativa del aire tendrán sus máximos valores a la entrada y los mínimos a la salida ya que se está eliminando algo de humedad en el aire durante su paso por el sistema. La masa de aire atmosférico condensa gran parte del vapor de agua contenido en él, produciéndose así la deshumidificación del aire. Las temperaturas igualmente disminuyen debido al paso del aire por la sección de enfriamiento. La entalpía es una propiedad función de la temperatura, por lo que también disminuirá; y como el calor es hallado por la diferencia de las entalpías, este será negativo como se puede observar en la tabla 5.4. El valor negativo indica que el sistema cedió calor en vez de ganar energía, es decir hubo un enfriamiento.

En la tabla 5.2 puede notarse, para el caso de 1012 rpm, que la humedad relativa disminuyó. La humedad relativa es la relación entre el contenido de humedad y la capacidad de humedad del aire a la misma temperatura y dicha capacidad de humedad aumenta con la temperatura. Por su parte, se observa igualmente una disminución de la entalpía y temperatura de rocío a la salida.

En la tabla 5.3 se observa el mismo comportamiento en las entalpías y temperatura de rocío que en la tabla 5.2, donde hay una disminución de los valores a la salida del sistema. Mientras que la humedad absoluta permanece casi constante, no varía mucho. Esto es debido a que la cantidad de humedad en el aire durante un proceso de calentamiento permanece constante ya que no se añade humedad.

21

En la tabla 5.4 se observa un aumento en los flujos y masas con respecto a las rpm ya que a mayor velocidad hay una mayor admisión de aire al sistema. A menor revoluciones, habrá una menor transferencia de calor. Por último, en las tablas Nº 5.5 y 5.6 se presentan los valores obtenidos en el proceso de calentamiento simple y calentamiento doble a la salida del sistema. Al igual que en la tabla 5.4, se observa un incremento en los flujos másicos a medida que aumenta las revoluciones y un incremento en el calor transferido ya que hay mayor admisión de aire al sistema.

22

En las Tablas 5.1, 5.2 y 5.3 se puede observar que todas las entalpías disminuyen a la salida del equipo, esto es debido a que la entalpia es directamente proporcional a la temperatura, y debido a que el calor se encuentra por la diferencia de las entalpías, arroja valores negativos como se puede observar en las tabla 5.1. Evidenciando que en todos los procesos hubo una extracción de calor, es decir, un enfriamiento. Este análisis se valida solo para el proceso de enfriamiento con Deshumidificación, donde la disminución pronunciada de la humedad especifica ocurre principalmente por la adición de vapor de agua al flujo de aire, que al entrar en la sección de enfriamiento condensa el agua contenido en el. Esto influye despreciablemente en el calor absorbido por la mezcla, debido a que las entalpías del vapor de agua son muy pequeñas y que se alcanza el punto de rocío y, con esto, un descenso de la temperatura.

En las tablas 5.4 se muestran los resultados obtenidos en el proceso de des humificación, y se observa que el flujo másico de vapor a la entrada en ambos casos (para 340 y 1012 rpm) Es menor, esto debido principalmente a que en estos procesos teóricamente se añade humedad y no se elimina del aire. Es decir, la humedad específica del aire permanece en constante aumento. También se observa que para una mayores revolución tanto los flujos como las masas son mayores, esto se debe a que el sistema funcionando a una mayor velocidad tiene mas capacidad de admitir aire.

En el proceso se calentamiento simple y doble que se muestran en las tablas 5.5 y 5.6 vemos que todos los valores representativos que se muestran aumentan considerablemente a medida que aumenta o se le aplica una mayor velocidad de giro al sistema, esto es muy lógico puesto que tanto para el flujo de vapor a la entrada y, a la salida dependen proporcionalmente del caudal de aire que fluya por el sistema y debido a que en el momento de aumentar las revoluciones, el sistema tiene la capacidad de aumentar paulatinamente la admisión de aire el sistema se vera

23

beneficiado en la obtención de vapor. Esto también aplicaría para el calor cedido, puesto que el mismo depende del flujo másico de aire que pase por el ducto y como se explicó anteriormente al aumentar, también también aumentara el calor de manera “casi” lineal.

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7. CONCLUSIONES

 A mayores revoluciones, existirá mayor aumento en el calor transferido ya que hay mayor admisión de aire al sistema.  La cantidad de humedad en el aire durante un proceso de calentamiento permanece constante ya que no se añade humedad.  Para deshumidificar el aire es necesario enfriarlo por debajo de su temperatura de punto de rocío.  La entalpía es una propiedad que varía directamente proporcional con la temperatura.

 Debido a la igualdad en la caída de presión, tanto en el enfriamiento como en el calentamiento, los flujos másicos del aire a la entrada y a la salida permanecen constantes.  Las temperaturas de rocío en los procesos de enfriamiento con deshumidificación y calentamiento disminuyen de la entrada a la salida.  La caída de presión en el sistema depende directamente de la velocidad de flujo.  Para mayores revoluciones, mayor será el calor cedido al aire.  En los procesos de calentamiento y deshumidificacion se tienen humedades

que

decrecen

25

en

la

salida.

 En el

proceso

de

calentamiento

ANEXOS

26

se tienen mayores

entalpias.

Figura C.1 Carta Psicrométrica

27