Psicrometría

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 de las mezclas de gas y vapor .

Historia

Con la invención del higrómetro y del termómetro, las teorías de combinar ambos comenzaron a surgir durante los siglos XVI y XVII. En 1818, un inventor alemán, Ernst Ferdinand August (1795-1870), patentó el término “psicrómetro”, del griego “medida en frío”. El psicrómetro es un instrumento higrométrico basado 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 formado por 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 y aire acondicionado, y en meteorología . En términos humanos, nuestro confort térmico es en gran parte una consecuencia no sólo de la temperatura del aire circundante, sino (ya que nos refrescamos a través de la transpiración) del grado en que ese aire está saturado de 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 . Entre estas sustancias se incluyen el algodón, el papel, la celulosa, otros productos de madera, el azúcar, el 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 el 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 producirse en aire muy seco.

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

Los mohos y hongos se pueden controlar manteniendo baja la humedad relativa. Los hongos que destruyen 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 protegido de la radiación solar directa. El término bulbo seco se suele añadir 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 el bulbo o elemento sensor está de hecho seco. La OMM ofrece 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 suele proporcionar una aproximación adecuada de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.

La precisión de un termómetro de bulbo húmedo simple depende de la velocidad con la que el aire pasa sobre el bulbo y de lo bien protegido que esté 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 (de la luz solar, por ejemplo).

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

Un psicrómetro es un dispositivo que incluye un termómetro de bulbo seco y un termómetro de bulbo húmedo. Un psicrómetro de suspensión requiere una operación manual para crear el flujo de aire sobre los bulbos, pero un psicrómetro eléctrico 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 gráfico psicrométrico apropiado para la presión del aire.

Temperatura del punto de rocío

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 se transforma en líquido (condensación). Por lo general, el nivel en el que el vapor de agua se transforma en líquido marca la base de la nube en la atmósfera, de ahí que se lo llame nivel de condensación. Por lo tanto, el valor de temperatura que permite que tenga lugar este proceso (condensación) se denomina "temperatura del punto de rocío". Una definición simplificada es la temperatura a la que el vapor de agua se transforma en "rocío" (Chamunoda Zambuko 2012).

Humedad

Humedad específica

La humedad específica se define como la masa de vapor de agua en proporción a la masa de la muestra de aire húmedo (incluido tanto el aire seco como el vapor de agua); está estrechamente relacionada 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 de 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 del aire seco como del vapor de agua por unidad de masa de aire seco.

Razón 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. Puede evaluarse con la siguiente ecuación: ^{[6] [7]}

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

dónde:

${\displaystyle r}$  = razón 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 de aire y 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 de 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 del agua;
• Presión atmosférica en el lugar de la muestra.

Cartas psicrométricas

^[9]

Un gráfico psicrométrico para la elevación del nivel del mar

Terminología

Un diagrama psicrométrico 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. El diagrama psicrométrico de estilo ASHRAE , que se muestra aquí, fue desarrollado por primera vez por Willis Carrier 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. Normalmente se representa como la abscisa (eje horizontal) del gráfico. Las unidades del SI para la temperatura son los kelvin o los grados Celsius ; otras unidades son los grados Fahrenheit y los grados Rankine .
• La temperatura de bulbo húmedo ( WBT , por sus siglas en inglés) es la temperatura de una muestra de aire después de haber pasado por un proceso de saturación adiabático ideal a presión constante, es decir, después de que el aire haya 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, la WBT leerá lo mismo que la 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 del 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 suele expresarse como porcentaje. Las líneas de HR constante reflejan la física del aire y el agua: se determinan mediante mediciones experimentales. El concepto de que el aire "retiene" la humedad, o de que la humedad se "disuelve" en el aire seco y satura la solución en cierta proporción, es erróneo (aunque está muy extendido); consulte la humedad relativa para obtener más detalles.
• La relación 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 conoce como contenido de humedad o relación de mezcla. Normalmente se representa como la ordenada (eje vertical) del gráfico. Para una DBT dada habrá una relación de humedad particular para la cual la muestra de aire está al 100% de humedad relativa: la relación refleja la física del agua y el aire y debe determinarse mediante medición. La relación de humedad adimensional se expresa normalmente 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 (calórica) interna del aire húmedo en cuestión, incluido el calor del aire y el vapor de agua en su interior. También se denomina contenido de calor por unidad de masa. En la aproximación de los gases ideales, las líneas de entalpía constante son paralelas a las líneas de WBT constante. La entalpía se expresa en julios (SI) 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 la inversa 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 del aire húmedo, m ³ kg ⁻¹

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

El diagrama psicrométrico permite determinar todos los parámetros de un 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 de manera sencilla y algo gráfica utilizando el diagrama psicrométrico correcto para la presión atmosférica o la elevación del lugar en relación con el nivel del mar. Para lugares a una altitud no superior a 2000 pies (600 m), es una práctica común utilizar el diagrama psicrométrico del nivel del mar.

En el diagrama ω - t , la temperatura de bulbo seco ( t ) aparece como la abscisa (eje horizontal) y la relación de humedad ( ω ) aparece como la ordenada (eje vertical). Un diagrama es válido para una presión de aire dada (o elevación sobre el nivel del mar). A partir de dos parámetros independientes cualesquiera de los seis, 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 de forma recta, 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 ^{[ aclaración necesaria ]} siga la línea horizontal de la relación de humedad constante hasta la intersección del 100 % de HR, también conocida como curva de saturación . La temperatura del punto de rocío es igual a las temperaturas de bulbo seco o bulbo húmedo completamente saturados.

• Temperatura de bulbo húmedo : estas líneas son oblicuas y difieren ligeramente de las líneas de entalpía. Son idénticas, pero no exactamente paralelas entre sí. Intersecan la curva de saturación en el punto DBT.

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

• Relación de humedad : son las líneas horizontales del gráfico. La relación de humedad se expresa generalmente 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 de la derecha , 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. No son paralelas a las líneas de temperatura de bulbo húmedo.

• Volumen específico : Son una familia de líneas rectas igualmente espaciadas que son 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 interna representa la relación entre el calor sensible y el calor total (SHF). La escala externa 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. El componente horizontal de la línea de condición es el cambio en el calor sensible, mientras que el componente vertical es el cambio en el calor latente. ^{[13] [14] [15]}

Cómo leer el gráfico: ejemplos fundamentales

Los gráficos psicrométricos ^[16] están disponibles en unidades del SI (sistema métrico) e IP (sistema estadounidense/imperial). También están disponibles en rangos de temperatura alta y baja 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 bulbo húmedo en pendiente diagonal. 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 el aire con una composición de agua o una relación de humedad fijas, encuentre la humedad relativa inicial a partir de la intersección de las líneas de temperatura de bulbo húmedo y seco. Usando 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 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 de un acondicionador de aire 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 (no se mezcla con el aire ambiente), lo que se obtiene siguiendo la relación de humedad horizontal desde el punto de rocío o la línea de saturación hasta la línea de temperatura de bulbo seco de la habitación y leyendo la humedad relativa. En la práctica típica, el aire acondicionado se mezcla con el aire de la habitación que se infiltra con aire exterior.

• Determinar la cantidad de agua que se debe eliminar o agregar para reducir o aumentar la humedad relativa: 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 " (relación de mezcla de entalpía y humedad), desarrollado por Richard Mollier en 1923, ^[17] es un diagrama 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 el diagrama psicrométrico y el diagrama de Mollier son idénticos. A primera vista, hay poca semejanza entre los diagramas, pero si se gira el diagrama noventa grados y se mira en un espejo, la semejanza se hace 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 están espaciadas uniformemente. Los diagramas psicrométricos de ASHRAE desde 1961 utilizan coordenadas de trazado similares. Algunos diagramas psicrométricos utilizan coordenadas de relación de humedad y temperatura de bulbo seco .

Véase también

• Aire
• Aire acondicionado
• Ciclo de Carnot
• Ciclo de Cromer
• Ley de presiones parciales de Dalton
• Punto de rocío
• Temperatura de bulbo seco
• Enfriamiento evaporativo
• Humedad
• Temperatura de funcionamiento
• Humedad relativa
• Temperatura de 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 previsión meteorológica" (2017) págs. 11-17, ISBN 9781119136170 
4. Organización Meteorológica Mundial. (2008) Guía de instrumentos meteorológicos y métodos de observación. OMM-8. Séptima edición. Capítulo 2, Medición de la temperatura.
5. "Glosario meteorológico de la 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 8 de abril de 2008
7. http://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf Archivado el 27 de julio de 2011 en Wayback Machine , consultado el 8 de abril de 2008
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). "El gráfico psicrométrico celebra su centenario". Revista ASHRAE . 46 (11): 16–20.
11. "Módulo 7: Aplicación de las relaciones psicrométricas" . Consultado el 13 de octubre de 2021 .
12. Manual ASHRAE 2001 – Fundamentos (SI) . Scott A. Zeh, Nancy F. Thysell y Jayne E. Jackson. 2001. pág. 6.8.
13. Kutz, Myer (Ed). (2006) Manual del ingeniero mecánico. 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., ASHRAE Transactions DA-07-024 (113-1), 2007

Enlaces externos

• Psych: un complemento psicrométrico de código abierto para Microsoft Excel de 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 un gráfico psicrométrico
• Gráfico psicrométrico interactivo gratuito en línea
• Calculadora y dibujante de gráficos psicrométricos