Psicrometria

Estudio de mezclas de gas y vapor.

La psicrometría (o psicrometría , del griego ψυχρόν (psuchron)  'frío' y μέτρον (metron)  'medio de medición'; ^{[1] [2]} también llamada higrometría ) es el campo de la ingeniería que se ocupa de las propiedades físicas y termodinámicas del gas. - mezclas de vapores .

Historia

Con los inventos del higrómetro y el termómetro, las teorías sobre la combinación de ambos comenzaron a surgir durante los siglos XVI y XVII. En 1818, un inventor alemán, Ernst Ferdinand August  [Delaware] (1795-1870), patentó el término “psicrómetro”, del idioma griego que significa “medida fría”. El psicrómetro es un instrumento higrométrico que se basa en el principio de que el aire seco favorece la evaporación, a diferencia del aire húmedo, que la frena. ^[3]

Aplicaciones comunes

Aunque los principios de la psicrometría se aplican a cualquier sistema físico que consista en mezclas de gas y vapor, el sistema de interés más común es la mezcla de vapor de agua y aire, debido a su aplicación en calefacción, ventilación, aire acondicionado y meteorología . En términos humanos, nuestro confort térmico es en gran parte una consecuencia no sólo de la temperatura del aire circundante, sino (porque nos enfriamos mediante la transpiración) del grado en que ese aire está saturado con vapor de agua.

Muchas sustancias son higroscópicas , lo que significa que atraen agua, generalmente en proporción a la humedad relativa o por encima de una humedad relativa crítica . Estas sustancias incluyen algodón, papel, celulosa, otros productos de madera, azúcar, óxido de calcio (cal quemada) y muchos productos químicos y fertilizantes. Las industrias que utilizan estos materiales se preocupan por el control de la humedad relativa en la producción y almacenamiento de dichos materiales. La humedad relativa suele controlarse en las áreas de fabricación donde se manipulan materiales inflamables, para evitar incendios provocados por las descargas de electricidad estática que pueden ocurrir en aire muy seco.

En aplicaciones de secado industrial, como el secado de papel, los fabricantes suelen intentar lograr un nivel óptimo entre una humedad relativa baja, que aumenta la velocidad de secado, y el uso de energía, que disminuye a medida que aumenta la humedad relativa del escape. En muchas aplicaciones industriales es importante evitar la condensación que arruinaría el producto o provocaría corrosión.

El moho y los hongos se pueden controlar manteniendo baja la humedad relativa. Los hongos destructores de la madera generalmente no crecen con humedades relativas inferiores al 75%.

Propiedades psicrométricas

Temperatura de bulbo seco (DBT)

La temperatura de bulbo seco es la temperatura indicada por un termómetro expuesto al aire en un lugar resguardado de la radiación solar directa. El término bulbo seco se añade habitualmente a la temperatura para distinguirla de la temperatura de bulbo húmedo y del punto de rocío. En meteorología y psicrometría, la palabra temperatura por sí sola sin prefijo suele significar temperatura de bulbo seco. Técnicamente, la temperatura registrada por el termómetro de bulbo seco de un psicrómetro. El nombre implica que la bombilla o elemento sensor está seco. La OMM proporciona un capítulo de 23 páginas sobre la medición de la temperatura. ^[4]

Temperatura de bulbo húmedo (WBT)

La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es una propiedad termodinámica de una mezcla de aire y vapor de agua. El valor indicado por un termómetro de bulbo húmedo a menudo proporciona una aproximación adecuada de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.

La precisión de un termómetro de bulbo húmedo simple depende de qué tan rápido pasa el aire sobre el bulbo y de qué tan bien protegido el termómetro de la temperatura radiante de su entorno. Las velocidades de hasta 5000 pies/min (~60 mph, 25,4 m/s) son las mejores, pero puede ser peligroso mover un termómetro a esa velocidad. Pueden producirse errores de hasta el 15 % si el movimiento del aire es demasiado lento o si hay demasiado calor radiante presente (procedente de la luz solar, por ejemplo).

Una temperatura de bulbo húmedo tomada con aire en movimiento a aproximadamente 1–2 m/s se conoce como temperatura de pantalla , mientras que una temperatura tomada con aire en movimiento a aproximadamente 3,5 m/s o más se conoce como temperatura de eslinga .

Un psicrómetro es un dispositivo que incluye un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo. Un psicrómetro colgante requiere operación manual para crear el flujo de aire sobre las bombillas, pero un psicrómetro motorizado incluye un ventilador para esta función. Conociendo tanto la temperatura de bulbo seco (DBT) como la temperatura de bulbo húmedo (WBT), se puede determinar la humedad relativa (RH) a partir del cuadro psicrométrico apropiado para la presión del aire.

temperatura de derretimiento

La temperatura de saturación de la humedad presente en la muestra de aire, también se puede definir como la temperatura a la que el vapor cambia a líquido (condensación). Por lo general, el nivel al que el vapor de agua se convierte en líquido marca la base de la nube en la atmósfera, por lo que se denomina nivel de condensación. Así, el valor de temperatura que permite que se produzca este proceso (condensación) se denomina 'temperatura de punto de rocío'. Una definición simplificada es la temperatura a la que el vapor de agua se convierte en "rocío" (Chamunoda Zambuko 2012).

Humedad

Humedad específica

La humedad específica se define como la masa de vapor de agua como proporción de la masa de la muestra de aire húmedo (incluido tanto el aire seco como el vapor de agua); está estrechamente relacionado con la relación de humedad y siempre tiene un valor más bajo.

Humedad absoluta

La masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco que contiene vapor de agua. Esta cantidad también se conoce como densidad del vapor de agua. ^[5]

Humedad relativa

Es una relación, expresada en porcentaje, de la cantidad de humedad atmosférica presente en relación con la cantidad que estaría presente si el aire estuviera saturado.

Entalpía específica

Análogo a la entalpía específica de una sustancia pura. En psicrometría, el término cuantifica la energía total tanto del aire seco como del vapor de agua por kilogramo de aire seco.

Volumen específico

Análogo al volumen específico de una sustancia pura. Sin embargo, en psicrometría, el término cuantifica el volumen total tanto de aire seco como de vapor de agua por unidad de masa de aire seco.

relación psicrométrica

La relación psicrométrica es la relación entre el coeficiente de transferencia de calor y el producto del coeficiente de transferencia de masa y el calor húmedo en una superficie mojada. Se puede evaluar con la siguiente ecuación: ^{[6] [7]}

${\displaystyle r={\frac {h_{c}}{k_{y}c_{s}}}\,}$

dónde:

${\displaystyle r}$  = relación psicrométrica, adimensional

${\displaystyle h_{c}}$ = coeficiente de transferencia de calor por convección, W m ⁻² K ⁻¹

${\displaystyle k_{y}}$ = coeficiente de transferencia de masa convectiva, kg m ⁻² s ⁻¹

${\displaystyle c_{s}}$ = calor húmedo, J kg ⁻¹ K ⁻¹

La relación psicrométrica es una propiedad importante en el área de la psicrometría, ya que relaciona la humedad absoluta y la humedad de saturación con la diferencia entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de saturación adiabática .

Las mezclas de aire y vapor de agua son los sistemas más comunes que se encuentran en psicrometría. La relación psicrométrica de las mezclas de aire y vapor de agua es aproximadamente la unidad, lo que implica que la diferencia entre la temperatura de saturación adiabática y la temperatura de bulbo húmedo de las mezclas de aire y vapor de agua es pequeña. Esta propiedad de los sistemas aire-vapor de agua simplifica los cálculos de secado y enfriamiento que a menudo se realizan utilizando relaciones psicrométricas.

Calor húmedo

El calor húmedo es el calor específico a presión constante del aire húmedo, por unidad de masa del aire seco. ^[8] El calor húmedo es la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de la unidad de masa de una mezcla de vapor de agua y aire en 1 °C.

Presión

Muchas propiedades psicrométricas dependen del concepto de presión :

• presión de vapor de agua;
• presión atmosférica en el lugar de la muestra.

Cartas psicrométricas

^[9]

Un gráfico psicrométrico para la elevación del nivel del mar.

Terminología

Una carta psicrométrica es un gráfico de los parámetros termodinámicos del aire húmedo a una presión constante, a menudo equiparada a una elevación relativa al nivel del mar. Willis Carrier fue pionero en la tabla psicrométrica de estilo ASHRAE , que se muestra aquí, en 1904. ^[10] Representa estos parámetros y, por lo tanto, es una ecuación de estado gráfica . Los parámetros son:

• La temperatura de bulbo seco ( DBT ) es la de una muestra de aire, determinada por un termómetro común. Por lo general, se representa como la abscisa (eje horizontal) del gráfico. Las unidades SI para temperatura son kelvins o grados Celsius ; otras unidades son grados Fahrenheit y grados Rankine .
• La temperatura de bulbo húmedo ( WBT ) es la de una muestra de aire después de haber pasado por un proceso de saturación adiabática ideal, de presión constante, es decir, después de que el aire ha pasado sobre una gran superficie de agua líquida en un canal aislado. En la práctica, esta es la lectura de un termómetro cuyo bulbo sensor está cubierto con una media húmeda que se evapora en una corriente rápida de aire de muestra (ver Higrómetro ). Cuando la muestra de aire está presaturada con agua, el WBT leerá lo mismo que el DBT. La pendiente de las líneas de WBT constante es la relación entre el calor de vaporización del agua y el calor específico del aire seco, aproximadamente 0,4.
• La temperatura del punto de rocío ( DPT ) es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo a la misma presión alcanzaría la "saturación" de vapor de agua. En este punto, una mayor eliminación de calor daría como resultado que el vapor de agua se condensara en niebla de agua líquida o, si está por debajo del punto de congelación , en escarcha sólida . La temperatura del punto de rocío se mide fácilmente y proporciona información útil, pero normalmente no se considera una propiedad independiente de la muestra de aire, ya que duplica la información disponible a través de otras propiedades de humedad y la curva de saturación.
• La humedad relativa ( HR ) es la relación entre la fracción molar de vapor de agua y la fracción molar de aire húmedo saturado a la misma temperatura y presión. La HR no tiene dimensiones y generalmente se expresa como porcentaje. Las líneas de humedad relativa constante reflejan la física del aire y del agua: se determinan mediante mediciones experimentales. El concepto de que el aire "retiene" la humedad, o que la humedad "se disuelve" en el aire seco y satura la solución en alguna proporción, es erróneo (aunque está muy extendido); consulte humedad relativa para obtener más detalles.
• El índice de humedad es la proporción de masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco en las condiciones dadas (DBT, WBT, DPT, RH, etc.). También se le conoce como contenido de humedad o proporción de mezcla. Por lo general, se traza como la ordenada (eje vertical) del gráfico. Para un DBT determinado habrá una relación de humedad particular para la cual la muestra de aire tiene una humedad relativa del 100%: la relación refleja la física del agua y el aire y debe determinarse mediante medición. La relación de humedad adimensional generalmente se expresa como gramos de agua por kilogramo de aire seco, o granos de agua por libra de aire (7000 granos equivalen a 1 libra).
• La entalpía específica , simbolizada por h , es la suma de la energía interna (calórica) del aire húmedo en cuestión, incluido el calor del aire y el vapor de agua que contiene. También llamado contenido de calor por unidad de masa. En la aproximación de gases ideales, las líneas de entalpía constante son paralelas a las líneas de WBT constante. La entalpía se expresa en (SI) julios por kilogramo de aire o BTU por libra de aire seco.
• El volumen específico es el volumen de la mezcla (aire seco más vapor de agua) que contiene una unidad de masa de "aire seco". Las unidades del SI son metros cúbicos por kilogramo de aire seco; otras unidades son pies cúbicos por libra de aire seco. La inversa del volumen específico suele confundirse con la densidad de la mezcla. ^[11] Sin embargo, para obtener la densidad real de la mezcla ( ) se debe multiplicar el inverso del volumen específico por la unidad más el valor de la relación de humedad en el punto de interés: ^[12] ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{da}+M_{w}}{V}}\,=\left({\frac {1}{v}}\right)(1+W)}$

dónde:

${\displaystyle M_{da}}$  = masa de aire seco

${\displaystyle M_{w}}$   = masa de vapor de agua

${\displaystyle V}$       = volumen total

${\displaystyle v}$        = volumen específico de aire húmedo, m ³ kg ⁻¹

${\displaystyle W={\frac {M_{w}}{M_{da}}}\,}$= relación de humedad

La carta psicrométrica permite determinar todos los parámetros del aire húmedo a partir de tres parámetros independientes, uno de los cuales debe ser la presión. Los cambios de estado , como cuando se mezclan dos corrientes de aire, se pueden modelar fácilmente y de forma algo gráfica utilizando el gráfico psicrométrico correcto para la presión del aire o la elevación relativa al nivel del mar de la ubicación. Para ubicaciones a no más de 2000 pies (600 m) de altitud, es una práctica común utilizar la carta psicrométrica del nivel del mar.

En el gráfico ω - ​​t , la temperatura de bulbo seco ( t ) aparece como abscisa (eje horizontal) y la relación de humedad ( ω ) aparece como ordenada (eje vertical). Una tabla es válida para una presión atmosférica determinada (o elevación sobre el nivel del mar). A partir de dos parámetros independientes cualesquiera de los seis parámetros: temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa, relación de humedad, entalpía específica y volumen específico, se pueden determinar todos los demás. Existen posibles combinaciones de parámetros independientes y derivados. ${\displaystyle \left({6 \atop 2}\right)=15}$

Localización de parámetros en el gráfico

• Temperatura de bulbo seco : Estas líneas se dibujan rectas, no siempre paralelas entre sí y ligeramente inclinadas respecto de la posición vertical. Este es el eje t , el eje de abscisas (horizontal). Cada línea representa una temperatura constante.

• Temperatura del punto de rocío : desde el punto de estado ^{[ se necesita aclaración ],} siga la línea horizontal de relación de humedad constante hasta la intersección de 100 % de humedad relativa, también conocida como curva de saturación . La temperatura del punto de rocío es igual a las temperaturas de bulbo seco o de bulbo húmedo completamente saturados.

• Temperatura de bulbo húmedo : estas líneas son líneas oblicuas que difieren ligeramente de las líneas de entalpía. Son idénticamente rectos pero no exactamente paralelos entre sí. Estos intersectan la curva de saturación en el punto DBT.

• Humedad relativa : Estas líneas hiperbólicas se muestran en intervalos del 10%. La curva de saturación está al 100% de HR, mientras que el aire seco está al 0% de HR.

• Relación de humedad : Estas son las líneas horizontales en el gráfico. La relación de humedad generalmente se expresa como masa de humedad por masa de aire seco (libras o kilogramos de humedad por libra o kilogramo de aire seco, respectivamente). El rango va desde 0 para aire seco hasta 0,03 (lbmw/lbma) en el eje ω derecho , el eje de ordenadas o vertical del gráfico.

• Entalpía específica : son líneas oblicuas dibujadas en diagonal hacia abajo de izquierda a derecha a lo largo del gráfico y que son paralelas entre sí. Estas no son paralelas a las líneas de temperatura de bulbo húmedo.

• Volumen específico : Son una familia de líneas rectas equiespaciadas y casi paralelas.

La región por encima de la curva de saturación es una región de dos fases que representa una mezcla de aire húmedo saturado y agua líquida, en equilibrio térmico.

El transportador en la parte superior izquierda del gráfico tiene dos escalas. La escala interior representa la relación calor sensible-total (SHF). La escala exterior da la relación entre la diferencia de entalpía y la diferencia de humedad. Esto se utiliza para establecer la pendiente de una línea de condición entre dos procesos. La componente horizontal de la línea de condición es el cambio de calor sensible, mientras que la componente vertical es el cambio de calor latente. ^{[13] [14] [15]}

Cómo leer el gráfico: ejemplos fundamentales

Las cartas psicrométricas ^[16] están disponibles en unidades SI (métricas) e IP (EE.UU./Imperial). También están disponibles en rangos de alta y baja temperatura y para diferentes presiones.

• Determinación de la humedad relativa: El porcentaje de humedad relativa se puede ubicar en la intersección de las líneas de temperatura de bulbo seco vertical y descendentes en diagonal de temperatura de bulbo húmedo. Métrico (SI): utilizando un bulbo seco de 25 °C y un bulbo húmedo de 20 °C, lea la humedad relativa en aproximadamente 63,5 %. EE. UU./Imperial (IP): utilizando un bulbo seco de 77 °F y un bulbo húmedo de 68 °F, lea la humedad relativa en aproximadamente 63,5 %. En este ejemplo, la relación de humedad es 0,0126 kg de agua por kg de aire seco.
• Determinación del efecto del cambio de temperatura sobre la humedad relativa: Para aire con una composición de agua o proporción de humedad fija , encuentre la humedad relativa inicial a partir de la intersección de las líneas de temperatura de bulbo húmedo y seco. Utilizando las condiciones del ejemplo anterior, la humedad relativa a diferentes temperaturas de bulbo seco se puede encontrar a lo largo de la línea de relación de humedad horizontal de 0,0126, ya sea en kg de agua por kg de aire seco o en libras de agua por libra de aire seco.

Una variación común de este problema es determinar la humedad final del aire que sale del serpentín del evaporador del aire acondicionado y luego se calienta a una temperatura más alta. Suponga que la temperatura que sale del serpentín es de 10 °C (50 °F) y se calienta a temperatura ambiente (sin mezclar con el aire de la habitación), que se encuentra siguiendo la relación de humedad horizontal desde el punto de rocío o línea de saturación hasta la habitación seca. línea de temperatura del bulbo y lectura de la humedad relativa. En la práctica típica, el aire acondicionado se mezcla con aire de la habitación que se infiltra con aire exterior.

• Determinar la cantidad de agua que se eliminará o agregará al reducir o aumentar la humedad relativa: esta es la diferencia en la relación de humedad entre las condiciones iniciales y finales multiplicada por el peso del aire seco.

Diagrama de Mollier (gráfico), unidades IP

diagrama de mollier

El diagrama "Mollier i - x " (Entalpía – Relación de mezcla de humedad), desarrollado por Richard Mollier en 1923, ^[17] es un gráfico psicrométrico alternativo, preferido por muchos usuarios en Alemania, Austria, Suiza, Países Bajos, Bélgica, Francia, Escandinavia, Europa del Este y Rusia. ^[18]

Los datos de los parámetros psicrométricos subyacentes para la carta psicrométrica y el diagrama de Mollier son idénticos. A primera vista hay poca semejanza entre los gráficos, pero si se gira el gráfico noventa grados y se mira en un espejo, el parecido se vuelve evidente. Las coordenadas del diagrama de Mollier son la entalpía y la relación de humedad. La coordenada de entalpía está sesgada y las líneas de entalpía constante son paralelas y espaciadas uniformemente. Las cartas psicrométricas de ASHRAE desde 1961 utilizan coordenadas de trazado similares. Algunas cartas psicrométricas utilizan coordenadas de temperatura de bulbo seco y relación de humedad .

Ver también

• Aire
• Aire acondicionado
• ciclo de carnot
• ciclo de cromero
• Ley de presiones parciales de Dalton
• punto de rocío
• Temperatura de bulbo seco
• Enfriamento evaporativo
• Humedad
• Temperatura operativa
• Humedad relativa
• Temperatura del bulbo húmedo

Referencias

1. Henry George Liddell, Robert Scott, "psychron", Un léxico griego-inglés
2. Henry George Liddell, Robert Scott, "metron", Un léxico griego-inglés
3. Gallicchio, Nicole. "La evolución de la meteorología: una mirada al pasado, presente y futuro de la predicción meteorológica" (2017) p. 11-17, ISBN 9781119136170 
4. Organización Meteorológica Mundial. (2008) Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos. OMM-8. Séptima edición. Capítulo 2, Medición de temperatura.
5. "Glosario meteorológico de AMS". Sociedad Meteorológica Estadounidense. Archivado desde el original el 16 de octubre de 2012 . Consultado el 18 de septiembre de 2011 .
6. http://www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/manuals/coollabmanual.pdf Archivado el 21 de julio de 2011 en Wayback Machine , consultado el 20080408
7. http://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf Archivado el 27 de julio de 2011 en Wayback Machine , consultado el 20080408
8. "Copia archivada". Archivado desde el original el 30 de octubre de 2006 . Consultado el 10 de abril de 2008 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
9. Deshumidificación en aplicaciones industriales y de construcción . 2012.
10. Gatley, DP (2004). "La tabla psicrométrica celebra el centenario". Revista ASHRAE . 46 (11): 16-20.
11. "Módulo 7: Aplicación de las relaciones psicrométricas" . Consultado el 13 de octubre de 2021 .
12. Manual de ASHRAE 2001 - Fundamentos (SI) . Scott A. Zeh, Nancy F. Thysell y Jayne E. Jackson. 2001. pág. 6.8.
13. Kutz, Myer (Ed.). (2006) Manual de ingenieros mecánicos. Nueva Jersey: John Wiley & Sons.
14. Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (1997). Manual de fundamentos de ASHRAE
15. Biasca, Karyn. "Tutorial de gráficos psicrométricos" Archivado el 2 de enero de 2011 en Wayback Machine , consultado el 20 de noviembre de 2010.
16. Iniciativa de Tecnologías Ambientales y Energéticas de Hawái (HEET) . Julio de 2016.
17. Mollier, R. 1923. "Ein neues diagrama für humidfluftgemische". ZVDI 67(9)
18. Todorovic, B., Transacciones ASHRAE DA-07-024 (113-1), 2007

enlaces externos

• Western Cooling Efficiency Center Psych: un complemento psicrométrico de código abierto para Microsoft Excel por Kevin Brown.
• Xchanger Inc, página web Calculadora de humedad, punto de rocío, flujos másicos y flujo de calor para sistemas de presión variable con compresores, sopladores, bombas de vacío e intercambiadores de calor.
• Calculadoras de Corwin Calculadora de humedad, punto de rocío.
• Cómo leer y utilizar una carta psicrométrica
• Gráfico psicrométrico interactivo en línea gratuito
• Calculadora y dibujante de gráficos psicrométricos