5.3.6 volumen especifico del vapor de agua

1

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 12. PSICROMETRÍA

TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada 06/0706/07 Tema 12. Tema 12. PsicrometrPsicrometrííaa

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

TEMA 12: PSICROMETRÍA

OBJETIVOS1. Conocer y calcular las propiedades termodinámicas de los sistemas

gas permanente-vapor condensado centrando la atención en el sistema aire-agua

2. Aprender a utilizar el diagrama psicrométrico como herramienta para el cálculo de propiedades y representación de procesos

3. Comprender los fundamentos de los principales procesos psicrométricos entre los que destacan los procesos de secado, acondicionamiento de aire y enfriamiento de agua con aire.

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

2



• INTRODUCCIÓN

• PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA

• Relativas a la composición

• Propiedades térmicas

• Temperaturas

• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

• PROCESOS PSICROMÉTRICOS

• Calentamiento y enfriamiento simples

• Calentamiento con humidificación

• Enfriamiento con deshumidificación

• Enfriamiento evaporativo

• Mezcla adiabática de dos corrientes

• Torres de enfriamiento

• Ejemplo práctico



•• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN N




• Temperaturas

• DIAGRAMA PSICROMETRÍCO









3


Introducción

• PSICROMETRÍA: estudio de las propiedades termodinámicas de

sistemas Gas permanente – vapor condensado (N2 - CH3OH)

• Sistema clásico: aire seco (O2 + N2) – vapor de agua

• Equilibrio L-V simplificado

• Condiciones ambientales aire húmedo se comporta como mezcla de

gases ideales (volatilidades diferentes)

• Fenómenos de transferencia de materia + transferencia de calor

• DIAGRAMA PSICROMÉTRICO: Representación gráfica de dichas

propiedades

• Aplicaciones:

• Enfriamiento de agua con aire (torres de enfriamiento)

• Acondicionamiento de aire (humidificación/deshumidificación)

• Secado


Definiciones útiles

AIRE HÚMEDO

Mezcla de aire seco y agua en estado gaseoso (vapor). El contenido

de agua puede ir desde composición cero (aire seco) a saturación

(aire saturado).

Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y de

aire seco, porque la composición del aire seco permanece

relativamente constante

SATURACIÓNSe produce cuando la presión parcial del agua en la mezcla se iguala

a la presión de vapor (Psat) del agua a esa temperatura

4



• INTRODUCCIÓN

•• PROPIEDADES BPROPIEDADES BÁÁSICAS DEL SISTEMA AIRESICAS DEL SISTEMA AIRE--VAPOR DE AGUAVAPOR DE AGUA

•• Relativas a la composiciRelativas a la composicióón n

•• Propiedades tPropiedades téérmicasrmicas

•• TemperaturasTemperaturas











HUMEDAD ABSOLUTA

Cociente entre la masa de agua y la masa de aire seco. Es una

composición en exento (referida al componente que no se transfiere)

HUMEDAD DE SATURACIÓNVaría entre 0 (aire seco) e Ysat. Ysat distinta para cada P y T

Propiedades relativas a la composición

G

V

mmY =

G

V

VT

V

G

V

G

V

G

V

MM

PPP

MM

nn

mmY ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡==

G

V

nnY 622.0=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=)(

)(622.0 0

0

TPPTPYVT

VS

5


HUMEDAD RELATIVA

Relación presión parcial de vapor y la presión del vapor a saturación.

Varía entre 0 y 1

HUMEDAD PORCENTUALPoco empleada. Varía entre 0 y 1

Propiedades relativas a la composición

0V

V

PP

=ϕ

SP Y

YY =


PRESIÓN DE VAPOR

Ecuación de Antoine

T (K), P (mm Hg)

Ecuación de Wagner

T (K), P (Pa)

Propiedades térmicas del aire húmedo

1304643816304180

...)(

−−=

TPLn V

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−−= − 250 1040460138577720655072 TTLn

TExpPV ·.)(...

6


CALOR ESPECÍFICO

Energía necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de un aire

húmedo por kg de aire seco

Las propiedades específicas están referidas al aire seco

Si Y = 0 ⇒ C = CG AIRE SECO

Para aire-agua en cond. Ambiente:

VOLUMEN ESPECÍFICO

Volumen de una masa de aire húmedo por kg de aire seco

Propiedad que permite determinar los flujos volumétricos


YCCC VG +=

TVGT PTR

MY

MPTRnV ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +==

1

Gas Vapor

YC 460240 .. += [ ] Ckgkcal AS º/=

[ ] ASkgm /3=


ENTALPÍA ESPECÍFICA

Entalpía que posee un aire húmedo por kg de aire seco

Contenido térmico f (T, composición)

ORIGEN DE ENTALPÍAS (Ref.): Aire seco a 0ºC y agua líquida a 0ºC


TCYH +λ= 0

Qvapagua 0ºC

TYYH ]..[ 460240598 ++= [ ] ASkgkcal /=

Calentamiento mezcla

T (ºC)

7


El aire permanece saturado

durante el proceso de

condensación siguiendo una línea

de humedad relativa de 100%

(línea de vapor saturado).

La Tordinaria y Trocío son idénticas

TEMPERATURA DE ROCÍO

Temperatura a la que se inicia la condensación del vapor de agua si el

aire se enfría a presión constante

Temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de

vapor

Temperaturas

ROCIOVV TPP ⇒= 0


TEMPERATURA DE SATURACIÓN

ADIABÁTICA

Temperatura que alcanza una masa de

aire húmedo cuando se satura

adiabáticamente a P cte en contacto con

agua

Temperaturas

CAMARA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA

IDEAL

• Recipiente aislado térmicamente

• Aire saturado a la salida

• El aire se enfría (cede calor) porque es

necesario evaporar una cantidad de agua

Aire no saturado

(Y,T)

HE

Aire saturado

(YS,TS)

HS

Agua de reposición

(TS)

HR

8


TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA

Temperaturas

BALANCE DE ENTALPÍA:

• Estado estacionario

• Adiabático, no trabajo ⇒

PROCESO ISOENTÁLPICO

• Origen H: Agua líquida y aire gas

a TSAT (HR = 0)

Aire no saturado

(Y,T)

HE

Aire saturado

(YS,TS)

HS

Agua de reposición

(TS)

HR

SRE HHH =+

SSSS YTTCY λ=+−+λ 0)(

Contenido térmico para evaporar el agua (TS)

Calor para enfriar el aire

húmedo

TCTCYYS

SS

S ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡λ

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡λ

+=

C ≈ cte


Temperaturas

Y

)( YYCTT SS −λ

−=

LÍNEAS DE SATURACIÓN

ADIABÁTICA

• Líneas rectas (C ≈ cte) y

paralelas (distintas ordenadas)

que llegan hasta la línea de YS

(cuando T = TS ⇒ Y = YS)

• Todos los aires con la misma TS

adiabática pertenecen a la misma

recta y presentan la misma H

TCTCYYS

SS

S ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡λ

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡λ

+=

Línea de saturación

Líneas de saturación adiabática

(misma TS y H)

T

Y

9


Humidificador adiabático

GL

TS dqsensible

YS

I

NA (dqlatente)

PERFIL DE TEMPERATURA-HUMEDAD TORRE DE ENFRIAMIENTO ADIABÁTICO

El agua a su paso por la columna no modifica su temperatura (Ts)

El aire se enfría porque tiene que suministrar el calor latente

necesario para evaporar el agua

Y

T


TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb)

Temperatura límite de enfriamiento que alcanza una pequeña masa de

agua al ponerla en contacto con una masa de aire húmedo infinita a T,

P y humedad absolutas constantes (Y).

La humedad se mide a partir de la diferencia de T del termómetro seco-

húmedo

Temperaturas

TRANSFERENCIA DE MATERIA Y

TRANSFERENCIA DE CALOR

WGWGWG MYYSkTTSh λ−=− )()(

)( YYhMkTT WWG

GGW −λ−=

CTE = 2460

aire-agua

10


TEMPERATURA HÚMEDA (bulbo húmedo, wet bulb)

Temperaturas

)( YYTT WW −−= 2460

DADO un aire (T, YW, TW) ⇒ cálculo Y

)( YYCTT SS −λ

−=

Para el sistema aire-agua las dos pendientes son

iguales: EQUIVALENCIA DE LEWIS

)( YYhMkTT WWG

GGW −λ−=

λ≈λ

ChMk

WG

GG

LÍNEAS DE TW

LÍNEAS DE TS

Para el sistema aire-agua, las líneas de temperatura húmeda coinciden con las

líneas de temperatura de saturación adiabática



• INTRODUCCIÓN




• Temperaturas

•• DIAGRAMA PSICROMDIAGRAMA PSICROMÉÉTRICOTRICO









11


Diagrama psicrométrico o carta de humedad

7.0=ϕ

8.0=ϕ

• Representación gráfica del equilibrio del sistema aire-agua a una P dada

• Ordenadas: humedad absoluta (Y)

• Abcisas: temperatura real o de bulbo seco (T)

• La línea de saturación divide el diagrama en dos zonas:

1F: Mezclas aire-agua no saturadas (debajo)2F: aire sobresaturado + agua líquida (arriba)

• Grados de libertad (L = C+2-F)

Línea de saturación (2F: L+V): L = 1 (Y da T y T da Y)

Debajo línea de saturación (1F: G): L = 2

Y

T

LÍNEA DE SATURACIÓN


Líneas de humedad relativa constante

1=ϕ2F

1F

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=)(

)(622.0 0

0

TPPTPYVT

VS

Cº25Cº30

Cº35




Aproximadamente iguales a las líneas de TW

Líneas de entalpía (kJ/kgAS)

Se representa con líneas casi paralelas a las de

saturación adiabática Todas las mezclas de la

misma recta de saturación adiabática (misma TW

o TS), tienen la misma H

Líneas de volumen específico (m3/kgAS)

Similares a las de saturación adiabática pero

más inclinadas

Para un aire saturado las temperaturas del punto de rocío, temperatura húmeda y temperatura seca son iguales

12



Lectura de propiedadesEn un punto cualquiera del diagrama conoceremos (T,Y)Con líneas rectas paralelas a las de saturación adiabática HS, TS

Con líneas rectas paralelas a volumen específico vE

Dada la pareja de valores TW y T (ó Y) Y (ó T), ϕ, H, vE

Dada la pareja de valores TW y ϕ Y, T, H, vE

Trocio

Temperatura de rocío: Aire de humedad y temperatura conocida (Y,T) corte con la línea de saturación y lectura sobre eje de abcisas



• INTRODUCCIÓN




• Temperaturas

• DIAGRAMA PSICROMETRÍCO

•• PROCESOS PSICROMPROCESOS PSICROMÉÉTRICOSTRICOS

•• Calentamiento y enfriamiento simplesCalentamiento y enfriamiento simples

•• Calentamiento con humidificaciCalentamiento con humidificacióónn

•• Enfriamiento con Enfriamiento con deshumidificacideshumidificacióónn

•• Enfriamiento Enfriamiento evaporativoevaporativo

•• Mezcla adiabMezcla adiabáática de dos corrientestica de dos corrientes

•• Torres de enfriamientoTorres de enfriamiento


13


Procesos psicrométricos

PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

1. Calentamiento o enfriamiento de aire (Y = cte)

2. Humidificación

3. Deshumidificación

4. Enfriamiento evaporativo

5. Mezcla adiabática de dos corrientes de aire

6. Torres de enfriamiento


CALENTAMIENTO (Y = cte)

• Propio de sistemas de calefacción residenciales (estufa, resistencia eléctrica…)

• Línea de Y = cte en la dirección de aumento de Tseca y disminución de la humedad

relativa

ENFRIAMIENTO (Y = cte)

• Línea de Y = cte, en la dirección de disminución de Tseca con aumento de la humedad

relativa

1. Calentamiento o enfriamiento simple (Y = cte)

21

21

YYmmm GGG

=== &&&

)( 12 HHmq G −= &&

Balance de materia

Balance de energía

14


2. Calentamiento con humidificación

CALENTAMIENTO CON

HUMIDIFICACIÓN

• Permite eliminar los problemas asociados

a una humedad relativa baja

• El aire pasa por una sección de

calentamiento (proceso 1-2) y después

por una sección de humidificación

(proceso 2-3)

• Humidificación con vapor de agua produce

calentamiento adicional (T3>T2)

• Humidificación por rociado de agua provoca

enfriamiento de la corriente calentada

(T3<T2) ⇒ Necesario calentar a T más alta en

la sección de calentamiento para compensar el

enfriamiento durante la humidificación


3. Enfriamiento con deshumidificación

ENFRIAMIENTO DESHUMIDIFICACIÓN

• Necesario si la humedad relativa alcanza

niveles extremadamente altos durante el

enfriamiento a Y = cte

• El aire caliente y húmedo entra en la

sección de enfriamiento, su T

disminuye y su humedad relativa

aumenta a Y = cte

• Si la sección de enfriamiento es

suficientemente largo el aire sale saturado

• El enfriamiento adicional del aire

provocará la condensación de parte la

humedad

• El aire permanece saturado durante

todo el proceso de condensación, sigue la

línea de saturación hasta el estado 2

15


4. Enfriamiento evaporativo

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO

• Aire caliente y seco entra en el enfriador

evaporativo (estado 1) donde se rocía con

agua líquida

• Parte del agua se evapora durante este

proceso al absorber q de la corriente de aire

• La temperatura del aire disminuye y su

humedad aumenta (estado 2)

• En el caso límite el aire saldrá saturado

(temperatura más baja que puede alcanzarse

con este proceso) (estado 2’)

• Enfriamiento evaporativo similar al proceso

de saturación adiabático

• El proceso de enfriamiento sigue una línea

de saturación adiabática



MEZCLA ADIABÁTICA DE DOS

CORRIENTES

• Cuando dos corrientes de aire en dos

estados diferentes (1 y 2) se mezclan

adiabáticamente, el estado de la

mezcla final (3) estará sobre la

línea que conecta los dos estados

1 y 2 en la carta psicrométrica

332211

321

YmYmYmAguammmAire

GGG

GGG

&&&

&&&

=+

=+

332211 HmHmHm GGG &&& =+

Balance de materia

Balance de energía13

32

13

32

2

1

HHHH

YYYY

mm

G

G

−−

=−−

=&

&

16



13

32

13

32

2

1

HHHH

YYYY

mm

G

G

−−

=−−

=&

&

h3-h1



TORRE DE ENFRIAMIENTO (tiro inducido)

• Enfriador evaporativo semiencerrado

• El aire entra en la torre por la parte inferior y

sale por la superior

• El agua caliente (proceso) se bombea hacia la

parte superior y se rocía sobre la corriente de aire

• Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría

el agua restante

• La temperatura y contenido de humedad del

aire aumentan durante el proceso

• El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre

y se envía a proceso

• El agua de reemplazo debe añadirse para

sustituir el agua perdida por evaporación y por el

arrastre de agua

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321 dqdqdq +=

GLTLB dq1

Yi

I

dq3

TLidq2

Y

TB

GL

TLA dq1

Yi

I

dq3

TLi

dq2

Y

TA231 dqdqdq −=

PARTE SUPERIOR TORRE

PARTE INFERIOR TORRE

TA

TBTLB

TLA

El calor que retiramos del

agua sirve para calentar el aire y para evaporar el

agua

La cantidad de calor que

retiramos del agua es menor pq el aire cede al agua calor

sensible



• INTRODUCCIÓN




• Temperaturas









•• Ejemplo prEjemplo práácticoctico

18


Ejemplo práctico


Ejemplo práctico

19


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. conocer y calcular las propiedades básicas del sistema aire-vapor de agua (humedad absoluta, humedad relativa, entalpía, volumen específico, temperatura seca, temperatura de rocío, temperatura de saturación adiabática…)

2. manejar con soltura el diagrama psicrométrico tanto para la lectura de propiedades como para la representación de procesos

3. comprender el fundamento de los principales procesos psicrométricos (calentamiento y enfriamiento simples, calentamiento con humidificación, enfriamiento con deshumidificación, enfriamiento evaporativo, mezcla adiabática de dos corrientes, torres de enfriamiento …)

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 12. PSICROMETRÍA

5.3.6 volumen especifico del vapor de agua

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