Psicrometria

Psicrometría (o psicrometría, del griego ψυχρόν (psuchron) 'frío' , y μέτρον (metron) 'medio de medición' también llamado higrometría) es el campo de la ingeniería que se ocupa de la Propiedades físicas y termodinámicas de mezclas de gas y vapor.

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 (lime quemado) y muchos productos químicos y fertilizantes. Las industrias que utilizan estos materiales se ocupan del control relativo de la humedad en la producción y almacenamiento de esos materiales. La humedad relativa se controla a menudo en áreas de fabricación donde se manipulan materiales inflamables, para evitar incendios causados 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 generalmente intentan 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 los bulbos secos es la temperatura indicada por un termómetro expuesto al aire en un lugar protegido de la radiación solar directa. El término beb-seca se añade a la temperatura para distinguirlo de la temperatura del punto de corte húmedo y de rocío. En la meteorología y la psicología la palabra temperatura por sí misma sin prefijo generalmente significa temperatura de becerro seco. Técnicamente, la temperatura registrada por el termómetro de la bomba seca de un cromo. El nombre implica que la bombilla de detección o elemento es en realidad seco. La OMM proporciona un capítulo de 23 páginas sobre la medición de la temperatura.

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 qué tan bien está 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 que se mueve a aproximadamente 1 o 2 m/s se denomina temperatura de pantalla, mientras que una temperatura tomada con aire que se mueve a aproximadamente 3,5 m/s o más se denomina temperatura de pantalla. como temperatura del cabestrillo.

Un psicrómetro es un dispositivo que incluye un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo. Un psicrómetro de honda 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 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 cambia a líquido (condensación). Por lo general, el nivel en el 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.

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:

r=hckSí.cs{displaystyle r={frac {fnK} {fnMicrosoft Sans}

Donde:

r{displaystyle r} = ratio psicométrica, sin dimensión

hc{displaystyle H_{c} = coeficiente de transferencia de calor convectivo, W m⁻² K⁻¹

kSí.{displaystyle K_{y} = coeficiente de transferencia de masa convectiva, kg m⁻² s⁻¹

cs{displaystyle C_{s} = calor húmedo, J kg⁻¹ K⁻¹

La relación psiquicométrica es una propiedad importante en el área de la cromética, ya que relaciona la humedad absoluta y la humedad de saturación con la diferencia entre la temperatura de la bombilla seca 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

Calor húmedo es el calor específico de presión constante del aire húmedo, por unidad de masa del aire seco. El calor húmedo es la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de la masa unitaria de un vapor de agua - mezcla de aire por 1 °C.

Presión

Muchas propiedades psicrométricas dependen del concepto de presión:

• presión de vapor del agua;
• presión atmosférica en la ubicación de la muestra.

Gráficos psicométricos

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. Representa estos parámetros y, por lo tanto, es una ecuación de estado gráfica. Los parámetros son:

• Temperatura de secado-bulbosDBT) es la de una muestra de aire, determinada por un termómetro ordinario. Normalmente se trama como el abscissa ( eje horizontal) del gráfico. Las unidades SI para temperatura son kelvins o grados Celsius; otras unidades son grados Fahrenheit y grados Rankine.
• Temperatura de la bomba húmedaWBT) es el de una muestra de aire después de haber pasado a través de un proceso de saturación adiabática de presión constante, ideal, 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 cuya bombilla de detección está cubierta con un calcetín húmedo que se evapora en un flujo rápido del aire de la muestra (ver Hygrometer). Cuando la muestra de aire está presaturada con agua, el WBT leerá lo mismo que el DBT. La pendiente de líneas de constante WBT es la relación entre el calor de la vaporización del agua y el calor específico del aire seco, aproximadamente 0.4.
• 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, la eliminación del calor daría lugar a la condensación de vapor de agua en niebla de agua líquida o, si debajo del punto de congelación, manguera 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.
• Humedad relativaRH) es la relación de la fracción de topo de vapor de agua a la fracción de topo de aire húmedo saturado a la misma temperatura y presión. RH no tiene dimensión, y generalmente se expresa como porcentaje. Líneas de constante RH reflejan la física del aire y el agua: se determinan mediante la medición experimental. El concepto de que el aire "tiene" la humedad, o que la humedad "dessobedece" en el aire seco y satura la solución en alguna proporción, es erróneo (aunque extendido); vea humedad relativa para más detalles.
• La proporción de humedad es la proporción de vapor de agua por unidad de masa de aire seco en las condiciones dadas (DBT, WBT, DPT, RH, etc.). También se conoce como el contenido de humedad o la relación de mezcla. Normalmente se trama como el eje ordinario (axis vertical) del gráfico. Para un DBT dado habrá una proporción particular de humedad para la cual la muestra de aire es 100% humedad relativa: la relación refleja la física del agua y el aire y debe determinarse por medición. La proporción de humedad sin dimensión se expresa normalmente como gramos de agua por kilogramo de aire seco, o granos de agua por libra de aire (7000 granos igual a 1 libra).
• Específica enthalpy, simbolizada por h, es la suma de la energía interna (calor) del aire húmedo en cuestión, incluyendo el calor del aire y vapor de agua dentro. También se llama contenido de calor por unidad de masa. En la aproximación de gases ideales, las líneas de enthalpy constante son paralelas a las líneas de WBT constante. Enthalpy se da en (SI) joules 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 SI son metros cúbicos por kilogramo de aire seco; otras unidades son pies cúbicos por libra de aire seco. El inverso del volumen específico se confunde generalmente como la densidad de la mezcla. Sin embargo, para obtener la densidad de mezcla real (*** *** {displaystyle rho }) uno debe multiplicar el inverso del volumen específico por unidad más el valor de la relación de humedad en el punto de interés:

*** *** =Mda+MwV=()1v)()1+W){displaystyle rho ={frac {M_{da}+M_{w}},=left({frac {1}right)(1+W)}

Donde:

Mda{displaystyle M_{da} = masa de aire seco

Mw{displaystyle M_{w} = masa de vapor de agua

V{displaystyle V} = volumen total

v{displaystyle v} = volumen específico de aire húmedo, m³ kg⁻¹

W=MwMda{displaystyle W={frac {M_{w} {M_{da}},} = proporción de humedad

El gráfico psicométrico permite determinar todos los parámetros de un aire húmedo desde los tres parámetros independientes, uno de los cuales debe ser la presión. Cambios en estado, como cuando se mezclan dos flujos de aire, se puede modelar de forma sencilla y algo gráfica utilizando el gráfico psicrométrico correcto para la presión del aire o elevación del lugar en relación con el nivel del mar. Para ubicaciones a no más de 2000 pies (600 m) de altitud, es práctica común utilizar el gráfico psicométrico del nivel del mar.

En el ⋅-t gráfico, la temperatura de la bombilla seca (t) aparece como el abscissa ( eje horizontal) y la relación de humedad (⋅) aparecen como el eje ordinario (axis vertical). Un gráfico es válido para una determinada presión aérea (o elevación sobre el nivel del mar). De cualquier dos independientes de los seis parámetros de temperatura de bombilla seca, temperatura de bombilla húmeda, humedad relativa, proporción de humedad, enthalpy específico y volumen específico, todos los demás pueden ser determinados. Hay ()62)=15{displaystyle left({6 atop 2}right)=15} posibles combinaciones de parámetros independientes y derivados.

Ubicación de parámetros en el gráfico

• Temperatura seca: Estas líneas se dibujan rectas, no siempre paralelas entre sí, y ligeramente inclinadas desde la posición vertical. Este es el tEje, el eje abscissa (horizontal). Cada línea representa una temperatura constante.

• Temperatura del punto de rocío: Desde el punto de estado sigue la línea horizontal de humedad constante a la interceptación del 100% de RH, también conocido como curva de saturación. La temperatura del punto de rocío es igual a la bombilla seca totalmente saturada o las temperaturas de la bombilla húmeda.

• Temperatura de bomba húmeda: Estas líneas son líneas oblicuas que difieren ligeramente de las líneas enthalpy. Son idénticos rectos pero no son exactamente paralelos entre sí. Estos intersectan la curva de saturación en el punto DBT.

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

• Relación de humedad: Estas son las líneas horizontales en el gráfico. La proporción 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 es de 0 para el aire seco hasta 0.03 (lbmw/lbma) en la mano derecha ⋅-eje, el eje ordenado o vertical del gráfico.

• Enthalpy específico: Estas son líneas oblicuas dibujadas diagonalmente hacia abajo de izquierda a derecha a través de la tabla que son paralelas entre sí. Estas no son paralelas a las líneas de temperatura de la bombilla húmeda.

• Volumen específico: Se trata de una familia de líneas rectas igualmente espaciadas que son casi paralelas.

La región sobre 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 protractor en la parte superior izquierda del gráfico tiene dos escalas. La escala interior representa una relación de calor sensible-total (SHF). La escala exterior da la relación de la diferencia enthalpy a la diferencia de humedad. Esto se utiliza para establecer la pendiente de una línea de condiciones entre dos procesos. El componente horizontal de la línea de condiciones es el cambio de calor sensible mientras que el componente vertical es el cambio de calor latente.

Cómo leer el gráfico: ejemplos fundamentales

Las tablas psicrométricas 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 humedad relativa: El porcentaje de humedad relativa se puede localizar en la intersección de la bombilla seca vertical y reducir diagonalmente las líneas de temperatura de la bombilla húmeda. Métrico (SI): Usando una bombilla seca de 25 °C y una bombilla húmeda de 20 °C, lea la humedad relativa a aproximadamente 63,5%. U.S/Imperial (IP): Usando una bombilla seca de 77 °F y una bombilla húmeda de 68 °F, lea la humedad relativa a aproximadamente 63,5%. En este ejemplo, la proporción de humedad es de 0,0126 kg de agua por kg de aire seco.
• Determinación del efecto del cambio de temperatura en la humedad relativa: Para el aire de una composición de agua fija o ratio de humedad, encontrar la humedad relativa inicial de la intersección de las líneas de temperatura de bombilla húmeda y seca. Utilizando las condiciones del ejemplo anterior, la humedad relativa a diferentes temperaturas de bombilla seca se puede encontrar a lo largo de la línea de humedad horizontal de 0,0126, ya sea en agua de kg por aire seco o libras por libra de aire seco.

Una variación común de este problema es determinar la humedad final del aire dejando una bobina de evaporador de aire acondicionado y luego calentada a una temperatura superior. Supongamos que la temperatura que deja la bobina es de 10°C (50°F) y se calienta a temperatura ambiente (no mezclada con aire salado), que se encuentra siguiendo la relación de humedad horizontal desde el punto de rocío o la línea de saturación hasta la línea de temperatura de la bombilla seca y leyendo la humedad relativa. En la práctica típica, el aire acondicionado se mezcla con aire salado que se está infiltrando con aire exterior.

• Determinación de la cantidad de agua que debe extraerse o añadirse para reducir o elevar la humedad relativa: Esta es la diferencia en la relación de humedad entre las condiciones iniciales y finales el peso del aire seco.

Diagrama de fundición

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

Los datos de los parámetros psicrométricos subyacentes para la tabla 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.