Download PSICROMETRÍA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE VII
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
VII PSICROMETRÍA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Material Teórico UNQ - Depto. Ciencia y Tecnología - Ing. Alimentos - Termodinámica - Unidad VII - Versión 2008 PSICROMETRÍA Í – ACONDICIONAMIENTO DE AIRE INTRODUCCIÓN PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA CARTA – TABLA PSICROMÉTRICA PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE CASO DE ESTUDIO 2 INTRODUCCIÓN En esta unidad se considera el sistema aire–H2O–vapor, que es la mezcla gas–vapor de empleo más común en la práctica. Se estudia además el acondicionamiento de aire, que es la principal área de trabajo de las mezclas aire–H2O-vapor . El conocimiento del comportamiento de tales sistemas es esencial para el análisis y diseño de dispositivos de aire acondicionado, torres de refrigeración y procesos industriales que exijen un f t control fuerte t l del d l contenido t id de d vapor de d H2O en ell aire. i 3 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Aire Seco y Aire Atmosférico El aire es una mezcla de N2, O2 y p pequeñas q cantidades de otros g gases. Aire seco: no contiene vapor de H2O. Se lo trata como si fuera un componente puro. La Tº del aire en aplicaciones de acondicionamiento varía de – 10 a cerca de 50C. En este intervalo el aire seco puede tratarse como un gas ideal con un valor Cp constante de 1.005 kJ/kg K [0.240 Btu/ lbm R] con una diferencia despreciable (< 0.2 %) ∆H aire seco = Cp ∆T T (C) Cp (KJ / kg C) ‐10 1,0038 0 1,0041 10 1,0045 20 1 0049 1,0049 30 1,0054 40 1,0059 50 1,0065 4 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Aire atmosférico / húmedo: si contiene cierta cantidad de vapor de H2O. A pesar que la cantidad de vapor de H2O en el aire es pequeña, desempeña un papel importante en la comodidad humana. Es importante tomarlo en cuenta en los dispositivos de acondicionamiento de aire. A 50C la P saturación del H2O es de 12,3 kPa. A P < el vapor de H2O se puede tratar como gas ideal p ((0,2%), , ), incluso cuando es un vapor p saturado. El vapor p de H2O se comporta p con un error despreciable cómo si existiera solo y obedece la relación de gas ideal (PV= nRT) hg (KJ/kg) tabla hvs + CpT Diferencia (KJ / kg) ‐10 2482,9 2483,1 ‐0,2 0 2501,3 2501,3 0 10 2519,8 2519,5 0,3 20 2538,1 2537,7 0,4 30 2556,3 2555,9 0,4 40 2574,3 2574,1 0,2 50 2592,1 2592,3 ‐0,2 T (C) 5 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA El aire atmosférico / húmedo se trata como una mezcla de gases ideales P = Pa + PV [[kPa]] ∑ P p parciales del aire seco y vapor p de H2O El subíndice a expresa aire seco, w se emplea para H2O líquida y v indica vapor de H2O Humedad Especifica (ω) y Relativa del aire (φ) Humedad absoluta o específica es la cantidad real de vapor de H2O en 1 kg de aire seco w= Aire a 25C y 100 kPa P sat a 25C = 3,169 kPa Pv = 0 aire seco Pv < 3,169 kPa aire no saturado Pv = 3,169 kPa aire saturado ω= 0,02 / φ= 100% mV ma [kg de vapor de H2O / kg de aire seco] ⎡ PV mV ⎢⎣ w= = m a ⎡ Pa ⎢ ⎣ × V × PM V ⎤ ⎥ P × PM 0,622 × PV R ×T ⎦ V = V = × V × PM a ⎤ Pa × PM a P − PV ⎥ R ×T ⎦ 6 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Humedad relativa es la proporción entre la cantidad real de humedad en el aire y la cantidad máxima de humedad que puede contener el aire a esa T° La cantidad de humedad que el aire puede contener depende q su humedad específica p de su T°. φ cambia con la T° aunque permanezca constante. ω se determina por medio de higrómetros, en los cuales se extrae toda la humedad por medio de un agente químico. La humedad se determina pesando dichos agentes químicos. ⎛ PV ⎞ ⎜ ⎟ Y P P φ= V = ⎝ ⎠ = V YVS ⎛ PVS ⎞ PVS ⎜ ⎟ ⎝ P ⎠ φ= 0 φ= 1 T = cte aire seco aire saturado Para medir φ de forma continua, existen higrómetros eléctricos que constan de capacitores o fibras que cambian su resistencia o se dilatan en forma proporcional a la humedad. 7 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Entalpía del aire húmedo se expresa en términos de Ha y Hv. y de las aplicaciones p prácticas, la cantidad de aire seco en la mezcla aire - H2O – vapor p p En la mayoría permanece constante pero la cantidad de vapor de H2O cambia. Por consecuencia la H del aire húmedo se expresa por unidad de masa de aire seco y no por unidad de masa de la mezcla aire - H2O – vapor. vapor H = H a + H V + = m a ha + mV hV h= m H = ha + hV V = ha + hV w ma ma [kJ / kg aire seco] Con una lógica similar se expresa la entropía (S) y la energía interna ( )d (μ) dell aire i húmedo hú d Si se consultan lt las l tablas t bl de d vapor de d H2O o ell Diagrama Di d Mollier de M lli para ell H2O, O se comprueba b que la l H del vapor de H2O sobrecalentado a bajas P de vapor está muy próxima a la del vapor saturado a la T° de la mezcla. Entonces: hv ≈ hvs (T) 8 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Volumen específico el volumen ocupado por la mezcla de aire seco y vapor de H2O es el mismo que el ocupado por el aire seco. v mezcla = Vmezcla Va R T R aT = = va = a = ma ma Pa ( P − Pv ) Temperatura de bulbo seco es la T° ordinaria del aire atmosférico medida por un termómetro común colocado en la mezcla. mezcla Punto de Rocío (Tpr) es la T° a la cual se inicia la condensación si el aire se enfría a P = cte. El exceso de humedad en el aire se condensa en las superficies frías y forma rocío (sobre hierba, empañado de que transportan p H2O fría). ) ventanas y tuberías q En este punto el aire está saturado (φ = 100%). Cualquier descenso adicional en la T° del aire trae como consecuencia la condensación de vapor. vapor T pr = T saturación correspondiente a Pv 9 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Temperatura de saturación adiabática (Tsa) El sistema se compone de un canal aislado que contiene H2O por dónde pasa una corriente uniforme de aire no saturado que tiene ω1 (desconocida) y una T1. Cuando C d ell aire i fluye fl sobre b ell H2O parte t de d esta t se evapora y se mezcla con la corriente de aire. El contenido de humedad del aire aumenta durante el proceso y su T° desciende (parte del Q latente de vaporización del H2O proviene del aire). Si el canal tiene un largo suficiente, suficiente la corriente de aire sale como aire saturado (φ = 100%) a T2 que se llama Tsa. La Tsa está entre la T° entrada y la Tpr 10 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Balance de masa y energía Si se suministra i i t H2O de d reemplazo l all canall a la l rapidez id de d la l evaporación ió y a T2, ell proceso se puede d analizar como de flujo estable. Balance de masa ω2 > ω1 se añade H2O ω2 < ω1 se extrae H2O Aire ma1 = ma 2 = ma H2O mV 1 + m w = mV 2 ma1 w1 + m w = ma 2 w2 m w = ma ( w2 − w1 ) 11 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Balance de energía QyW=0 Ep y Ec despreciables E entra = E sale (ma ha1 + mV 1hV 1 ) + mw hw = (ma ha 2 + mV 2 hV 2 ) (ma ha1 + mV 1hV 1 ) + ma (w2 − w1 )hw = (ma ha 2 + mV 2 hV 2 ) hw se evalúa como la entalpía del líquido saturado a Tsa=T2 hv1 (T, (T P baja) = hvs1 (T1) hV2 = hg2 w2 = salen de tablas 0,62 PV 2 ( P2 − PV 2 ) (ha1 + mV 1 m hV 1 ) + (w2 − w1 )hw = (ha 2 + V 2 hV 2 ) ma ma (ha1 + w1hV 1 ) + (w2 − w1 )hw = (ha 2 + w2 hV 2 ) (ha 2 − ha1 ) + w2 (hV 2 − hw ) w1 = (hV 1 − hw ) w1 = C pa (T2 − T1 ) + w2 (hg 2 − hw ) (hV 1 − hw ) 12 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PSICROMETRÍA Temperatura de bulbo húmedo (Tbh) Tbh se mide con un termómetro donde el bulbo está rodeado de p p en H2O. una redecilla empapada Se hace girar el psicrómetro de cabestrillo o matraca psicométrica en el seno del aire. Cuando el aire no saturado pasa sobre la red húmeda, húmeda parte del H2O de la misma se evapora. Como resultado, disminuye la T° del H2O y se crea un ∆T (F impulsora de la transferencia de Q) entre el aire y el H2O. Al cabo de cierto tiempo la pérdida de Q del H2O por evaporación es igual a la ganancia de Q del aire y la T° del H2O se estabiliza. En este punto la lectura del termómetro es la Tbh En general la Tbh y Tsa no son iguales Pero para mezclas aire-H2O-vapor a Patm Tbh ~ Tsa Así la Tbh puede emplearse en lugar de T2 para determinar ω 12 CARTA PSICROMÉTRICA El estado del aire atmosférico a una P específica se establece por completo mediante 2 propiedades intensivas independientes. El resto de las propiedades se calcula a partir de las relaciones anteriores. El dimensionamiento di i i t de d un sistema i t d acondicionamiento de di i i t de d aire i implica i li un gran número ú d cálculos. de ál l Por lo que se emplean, sin introducir demasiado error, diagramas psicométricos que presentan los datos en gráficas que son prácticas parar leer e interpretar. Tbs: abscisas ω y Pv: ordenadas φ: curvas φ =cte P [atm] Tbh: líneas que cruzan de forma descendente hacia la derecha ω [kg vapor H2O / kg aire seco] v: líneas de > pendiente (+ inclinadas) que las de Tbh φ [%] h: líneas saturación adiabática = líneas entalpía (H=ha + ω hv) h [kJ / kg de aire seco] Tpr: ω =cte (Pv=cte) hasta línea saturación (Tbh=Tsa y φ=100%) Unidades T [°C] v [m3 / kg] 14 CARTA PSICROMÉTRICA 15 CARTA PSICROMÉTRICA Las líneas de Tbh=cte coinciden aprox. con las de h = cte de la mezcla. Si nos remitimos al balance de E del saturador adiabático: Para aire saturado las Tbs, Tbh y Tpr son idénticas (ha1 + w1 hV 1 ) + ( w2 − w1 )hw = (ha 2 + w2 hV 2 ) La contribución energética del H2O de reposición que entra al equipo es habitualmente mucho < que la del aire húmedo. Entonces, la h del aire saturado saliente es casi igual a la del aire entrante. entrante Por lo tanto, todos los estados con la misma Tbh (Tsa) tienen aprox. la misma h 16 CARTA PSICROMÉTRICA 17 TABLA PSICROMÉTRICA Con esta tabla, ingresando con el valor de la temperatura del aire y la depresión psicrométrica (T-Tbh) se puede obtener la humedad relativa 18 HR: 20 % TABLA PSICROMÉTRICA Tabla psicrométrica experimental para condiciones interiores TBS HR: 30 % HR: 50 % HR: 55 % HR: 60 % TBH ω TBH ω TBH ω TBH ω TBH ω °C °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg 26,70 13,50 4,278 15,60 6,550 19,20 10,980 19,94 11,970 20,80 13,110 25,60 12,80 3,990 14,72 6,130 18,27 10,260 19,00 11,120 19,95 12,260 24,40 12,00 3,850 13,95 5,700 17,27 9,550 18,20 10,690 18,89 11,400 23,90 11,70 3,700 13,55 5,560 16,83 9,120 17,66 10,120 18,38 11,120 23,30 3,30 11,45 , 5 3,560 13,22 3, 5,420 5, 0 16,50 6,50 8,840 8,8 0 17,27 , 9,830 18,00 8,00 10,830 0,830 22,20 10,62 3,420 12,38 4,990 15,60 8,270 16,27 9,120 17,20 9,980 21 10 21,10 9 90 9,90 3 137 3,137 11 62 11,62 4 560 4,560 14 50 14,50 7 840 7,840 15 17 15,17 8 550 8,550 16 00 16,00 9 420 9,420 20,00 9,00 2,850 10,62 4,270 13,62 7,270 14,27 7,840 15,00 8,690 18 30 18,30 8 00 8,00 2 560 2,560 9 40 9,40 3 990 3,990 12 28 12,28 6 550 6,550 12 83 12,83 7 130 7,130 13 44 13,44 7 840 7,840 19 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Se aplican para mantener un espacio confinado (cámara / construcción industrial / cuarto) a la T° y humedad deseadas El aire se calienta y humidifica en invierno y se enfría y deshumidifica en verano La mayoría de este tipo de procesos se modela como de flujo estable. Bce masa aire ae Bce masa H2O Bce de E ∑m = ∑m ∑m = ∑m o∑m w = ∑m w we as ws ae e as s Qe + We + ∑ m s hs = Qs + Ws + ∑ me he El W es el del ventilador que en gral es despreciable respecto de los otros términos de la ecuación de E 20 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Calentamiento y Enfriamiento simple (ω =cte) ω =cte ya que no se añade ni se elimina humedad del aire Calentamiento: procede en la dirección de aumento de Tbs y disminución de φ El aire en estos sistemas (estufa/bomba de Q/ calentador de resistencia eléctrica) se calienta al circular por el conducto. Enfriamiento: procede en la dirección de disminución de Tbs y aumento de φ El enfriamiento se logra al pasar el aire por serpentines dentro de los cuales fluye refrigerante o H2O fría Bce de masa aire ma1 = m a 2 = m a Bce masa H2O w1 = w2 Bce de E Q = m a (h2 − h1 ) 21 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Calentamiento con Humidificación Los problemas asociados a φ baja, j producto del calentamiento simple se eliminan al humidificar el aire calentado. Se hace pasar el aire por una sección de calentamiento (proceso 1-2) y después por una sección de humidificación (proceso 2-3). La ubicación del estado 3 depende de cómo se lleve a cabo la humidificación: • Si se introduce vapor, T3>T2 (humidificación con calentamiento adicional) • Si se realiza rociando H2O, T3<T2 (parte del Q latente de vaporización provendrá del aire, lo que produce un enfriamiento en la corriente calentada). En este caso, el aire debe calentarse a una T° más alta en la sección de calentamiento para compensar el enfriamiento durante el proceso de humidificación. 22 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Enfriamiento con Deshumidificación Durante un proceso de enfriamiento simple ω=cte, pero φ aumenta. t Para P d h idifi l es necesario deshumidificarlo i enfriar f i ell aire i por debajo de su Tpr. El aire caliente y húmedo entra en la sección de enfriamiento en ell estado t d 1. 1 Cuando C d pasa por los l serpentines, ti su T° disminuye y su φ aumenta a ω =cte. 2 3 Si la sección tiene la longitud suficiente, el aire alcanza su Tpr ( t d 2 - aire (estado i saturado). t d ) El enfriamiento f i i t adicional di i l del d l aire i origina la condensación de parte de la humedad del aire. El aire permanece saturado durante todo el proceso de condensación (curva (c r a de 100% φ) hasta que q e alcanza alcan a el estado final (punto 3). El H2O que se condensa fuera del aire se elimina por medio de un canal independiente a T3 23 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Enfriamiento Evaporativo En climas desérticos (calientes y secos), se puede contrarrestar el alto costo de operación de los sistemas de refrigeración convencionales mediante enfriadores evaporativos o de pantano. Cuando se evapora el H2O, el Q latente de vaporización se absorbe del cuerpo del H2O y del aire circulante. Como resultado tanto el H2O como el aire se enfrían durante el proceso. En el estado 1 entra al enfriador aire caliente y seco, donde se rocía con H2O liquida. Parte del H2O se evapora al absorber el Q de la corriente de aire. Como resultado la T° de la corriente de aire disminuye y su humedad aumenta (estado 2). En el caso límite el aire saldrá saturado (estado 2’ – T° más baja que se puede alcanzar) 24 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE El proceso de enfriamiento evaporativo es idéntico al proceso de saturación adiabático puesto que la transferencia de Q entre la corriente de aire y los alrededores suele ser despreciable. Recordando que las líneas isoentálpicas están muy próximas a las líneas de Tbh=cte, se deduce que el enfriamiento evaporativo se efectúa a Tbh=cte El proceso sigue una línea de Tbh=cte en la carta psicrométrica. Bce de E (ha1 + w1 hV 1 ) + ( w2 − w1 )hw = (ha 2 + w2 hV 2 ) Se supone que toda el H2O inyectada se evapora en la corriente de aire húmedo. El término subrayado contabiliza el aporte energético del H2O inyectada. Este término normalmente es mucho < que cualquiera de los otros 2 términos entálpicos del aire húmedo. Por consiguiente: h aire ≈ cte Las líneas de Tbh=cte coinciden con las de h=cte → se puede suponer que la h≈cte 25 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Mezcla adiabática de corrientes de aire En la mayor y p parte de las p plantas de p producción y p proceso,, dónde se requiere q que el aire acondicionado se q mezcle con una fracción de aire fresco exterior, es necesaria la mezcla de dos corrientes de aire. La transferencia de Q con los alrededores suele ser pequeña y por lo tanto puede suponerse que el proceso de mezcla será adiabático. adiabático Bce masa aire m a1 + ma 2 = ma 3 Bce masa H2O w1 ma1 + w2 ma 2 = w3 ma 3 Bce de E h1 m a1 + h2 ma 2 = h3 ma 3 m a1 ( w2 − w3 ) (h2 − h3 ) = = ma 2 ( w3 − w1 ) (h3 − h1 ) 26 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Torres de Enfriamiento Las centrales eléctricas, los grandes sistemas de aire acondicionado y algunas industrias generan grandes cantidades de Q de desecho que con frecuencia se arroja hacia el H2O de enfriamiento g y ríos cercanos. de lagos En algunos casos dónde el suministro de H2O es acotado existen limitaciones ambientales para la T° a la que se puede devolver el H2O al entorno, T entorno existe la alternativa de torres de refrigeración. También se emplean para suministrar H2O fría a otro tipo de plantas. Las torres de refrigeración pueden ser: • Tiro natural • Tiro forzado o inducido Sus flujos pueden ser a contracorriente, cruzados o una combinación de ambos. 27 PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Tiro natural El aire en la torre tiene un alto contenido de vapor de H2O por lo que es más liviano que el aire exterior. exterior En consecuencia, consecuencia el aire liviano sube y el aire exterior llena el espacio desocupado, creándose un flujo de aire ascendente. El perfil de las torres es hiperbólico para mayor resistencia estructural (100 mts de altura). Tiro forzado o inducido Es un enfriador evaporativo p semicerrado. El aire entra a la torre p por el fondo y sale por la parte superior impulsada por un ventilador. El H2O caliente a enfriar se rocía (> área superficial) sobre esta corriente de aire. Una pequeña fracción de H2O se evapora y enfría el H2O restante. La T° y el contenido de humedad del aire aumentan durante el proceso. proceso El H2O enfriada se acumula en el fondo de la torre. El H2O que se evapora, se repone. Para reducir la cantidad de H2O que se lleva el aire se instalan mamparas deflectoras encima de la sección de rociado. 28 CASO DE ESTUDIO Análisis de aire en la torre de secado de pellet Se plantea la inquietud del riesgo de condensación en el silo de decantación de salida de aire de la torre de enfriamiento, por lo que se realiza el siguiente análisis en el diagrama psicométrico para dos situaciones extremas: • Un día de primavera con una T° de 13C y una humedad ambiente de 60 % • Un día de baja T° con 5C lo que provoca una humedad de 80 % 29 CASO DE ESTUDIO Análisis de la operación día de primavera H2O evaporada = (humedad inicial-humedad final) x caudal pellet / (100 – humedad final) H2O evaporada = (15,7-14,4) x 5500 kg / hora / (100 – 14,4) = 83,53 kg / hora = 1,39 kg / min Caudal aire = 250 m3 / min x 0,85 kg / m3 = 212,5 kg / min g vapor / min / 212,5 kg g aire / min = 0,00654 kg g vapor / kg g aire Vapor incrementado = 1,39 kg 1 - aire del ambiente T°= 13C y φ = 60% lo que implica ω = 0,005 kg vapor / kg aire 2 - el aire se calienta al contacto con el pellet y sale de la torre a T T°= 38C, 38C (0,0065 (0 0065 + 0,005) 0 005) = 0,0115 0 0115 kg vapor /kg aire y φ = 30% (aire seco para manejar en ventilador, ciclones y demás equipos) 3 - el aire se va enfriando hasta T° amb, al principio lo hace a ω = cte aumentando φ hasta saturación (100% / T°= 17C) donde el aire ya no puede mantener el vapor en suspensión 4 - al estar saturado el aire mientras se enfría hasta T° amb=13C, debe liberar humedad (puede soportar ω = 0,0095 kg vapor / kg aire, es decir que debe liberar 0,002 kg vapor por cada kg de aire lo que da un total de 0,42 kg / min, en las condiciones ambientales de aire seco de ese día, el vapor lo absorbe el aire circundante sin crear inconvenientes. 30 CASO DE ESTUDIO 3 2 4 1 31 CASO DE ESTUDIO Análisis de la operación día de invierno 1 – se toma aire del ambiente en la zona de la torre T°= 5C, φ=80 % lo que implica ω= 0,0045 kg vapor /kg de aire 2 - el aire se calienta al contacto con el pellet y sale de la torre a T°= 35C con humedades altas en el aire, baja la capacidad de secado y en invierno se extrae menos humedad. H2O evaporada = (15,7 (15,7-14,7) 14,7) x 5500 kg / hora / (100 – 14,7) = 64,5 kg / hora = 1,07 kg / min Vapor incrementado = 1,07 kg vapor / min / 212,5 kg aire / min = 0,005 kg vapor / kg aire se define el punto 2 con ω = 0,0095 kg vapor /kg de aire φ= 28%, es decir el aire que estamos manejando en ell circuito i it es muy seco y no nos crea problemas bl 3 - el aire se va enfriando a ω = cte hasta el 100 % de φ donde se condensa el vapor T°= 13,5C, T° hasta la cual no tendríamos problemas de condensación, como toda la cañería y el silo están en el interior se estima que no llegaría al punto 3 hasta que el aire sale al exterior … 4 - al saturarse el aire debe liberar humedad si se sigue enfriando hasta T° amb exterior T°= 0C φ = 100 % puede soportar ω = 0,004, es decir que debe liberar 0,0055 kg de vapor por cada kg de aire lo que es un total de 1.17 kg / minuto, con bajas T° y alta humedad al resto del aire le resulta difícil absorber el vapor, se ve una estela t l de d vapor en ell aire i y cualquier l i superficie fi i fría f í hace h que ell agua se condense d 32 CASO DE ESTUDIO 3 2 4 1 31