PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERUSECCION INGENIERIA MECANICA

AREA DE ENERGIATEREMODINAMICA 1

MEZCLA DE GASES IDEALES Y VAPORES CONDENSABLES

Muchas de las mezclas encontradas en aplicaciones en Ingeniería involucran un componente en forma de vapor y que puede condensarse cuando se experimenta o realiza un proceso .El caso más importante de las mezclas gas-vapor lo constituye el aire húmedo o aire atmosférico, que es una mezcla de aire seco y vapor de agua. Los procesos en los que interviene el aire húmedo tienen una gran importancia en meteorología, así como en los casos particulares del aire acondicionado y del secado.La zona de temperaturas que poseen importancia en las aplicaciones del aire húmedo se extiende desde unos -40°C hasta unos +50°C. En la técnica del secado se llegan a temperaturas superiores (100°C a 300°C). Siendo la temperatura crítica del aire seco aproximadamente -140°C, éste puede ser considerado como un gas ideal, siempre que su presión parcial no sea superior a 20 bar; además al encontrarse el vapor de agua a presiones bastantes pequeñas, al estar ejerciendo su presión parcial, su comportamiento se puede aproximar al de un gas ideal. Por lo tanto, las ecuaciones deducidas en el capítulo anterior (mezclas de gases ideales) son válidas para el caso del aire húmedo, debido a que en la mayoría de las aplicaciones prácticas la presión total no suele diferir en mucho de la presión atmosférica.

HUMEDAD RELATIVA ()

Es el cociente de la presión parcial del vapor en la mezcla (pv), entre la presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (ps).

= pv / ps - Aire saturado : = 100% (en la mezcla se tiene vapor saturado) - Aire no saturado : < 100%

PUNTO DE ROCIO (Dew point)

Se define como la temperatura de saturación del vapor, correspondiente a la presión parcial de éste en la mezcla. También se define como la temperatura a la cual el vapor empieza a condensarse cuando la mezcla es enfriada isobáricamente. En el punto de rocío = 100%.

HUMEDAD ABSOLUTA O HUMEDAD ESPECIFICA (X)

Se define como: "el cociente entre la masa de vapor y la masa de gas seco".

X = masa de vapor / masa de gas seco = Mv pv / Mgs pgs

para el caso del aire húmedo: X = 0.622 pv / pa = 0.622 pv / (p - pv) = 0.622 ps / (p - ps)

PROCESO DE SATURACION ADIABATICA

Se sabe que para definir el estado de una mezcla gas - vapor no es suficiente conocer las propiedades p-v-T de la mezcla sino que además se requiere conocer la composición de ésta, en el caso particular del aire húmedo sería suficiente conocer, por ejemplo, la humedad absoluta. Esto es posible mediante el proceso de saturación adiabática, en el cual una mezcla de aire-vapor de agua se pone en contacto con una masa de agua líquida en un ducto adiabático. Si la humedad relativa inicial es menor de 100%, existirá una evaporación del agua en cierto grado y la temperatura de la mezcla disminuirá. Si la mezcla al salir del ducto está saturada y si el proceso es adiabático, la temperatura de salida se conoce como la temperatura de saturación adiabática. Para que esto pueda efectuarse como un proceso estacionario (FEES) se suministrará agua líquida de reposición a la temperatura de saturación adiabática, al mismo ritmo que el agua líquida que se evapora en el ducto. Durante el proceso se supone que la presión se mantiene constante.

X1 = [ X2 (hg2 - hf2) - Cpa (T1 - T2) ] / (hg1 - hf2)

En la ecuación mostrada basta conocer T1 , T2 y p , para determinar X1 y 1.

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TEMPERATURA DE BULBO SECO (TBS)

En una mezcla aire-vapor, es simplemente la temperatura que indicaría un termómetro al ser colocado en la mezcla.En el caso de aire saturado la temperatura de bulbo seco es igual a la temperatura del punto de rocío.

TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO (TBH)

Es la temperatura indicada por un termómetro que tiene su bulbo sensor humedecido e inmerso en una corriente de aire húmedo.La TBH no es, estrictamente hablando, una propiedad del aire, sino que es una medida del efecto del aire sobre el agua cuando está en íntimo contacto con él.En el caso del aire atmosférico (o aire ambiente o aire húmedo) la temperatura de bulbo húmedo es, para todos los propósitos prácticos, igual a la temperatura de saturación adiabática.

"Los termómetros secos y húmedos nos proporcionan los datos necesarios para determinar la humedad relativa y la humedad absoluta del aire atmosférico".

VOLUMEN ESPECIFICO DEL AIRE HUMEDO (vx)

vx = V / ma = volumen del aire húmedo / masa de aire seco

v = V / m = volumen del aire húmedo / masa total = V / (ma + mv)

v = vx / (1+X)

vx = v (1+X)

vx = Rv T (0.622 + X) / p

ENTALPIA ESPECIFICA DEL AIRE HUMEDO (hx)

h = H / m = entalpía total del aire húmedo / masa total

hx = H / ma = entalpía total del aire húmedo / masa de aire seco

hx = h (1+X)

hx = Cpa t + X (2500 + Cpv t) (t en °C)

CARTA PSICROMETRICA

Este es un diagrama que tiene como abscisa la temperatura de bulbo seco y como ordenada la humedad específica. En ella se trazan, además, las líneas de humedad relativa, de temperatura de bulbo húmedo, de entalpía específica y de volumen específico del aire húmedo.

PROCESOS EN PSICROMETRÍA

De los diferentes procesos utilizados en psicometría analizaremos los procesos más comunes.

Calentamiento y enfriamiento sensible - Se denominan así a los procesos durante los cuales no hay integración de vapor por evaporación, ni eliminación de vapor por condensación; es decir, son proceso

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durante los cuales el valor de la humedad absoluta (x), y por lo tanto la presión parcial del vapor (p v), se mantiene constante. Estos procesos se representan en la carta psicrométrica por una recta horizontal entre los límites de la temperatura del bulbo seco de entrada y salida (no hay variación del calor latente). Como modelo de VC FEES para el calentamiento, podemos presentar un ducto conduciendo aire, que es calentado por una resistencia eléctrica.

Como modelo VC FEES para el enfriamiento, podemos presentar un ducto, conduciendo aire, que es enfriado por un serpentín de enfriamiento (como por ejemplo, un evaporador de sistema de refrigeración).

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Humidificación por enfriamiento - El enfriamiento evaporativo del aire, se puede realizar poniendo el aire en contacto con agua a una Temperatura igual a la de TBH, entre los límites del proceso. Este proceso se caracteriza por TBH = cte, y la entalpía específica de la mezcla (hX) es aproximadamente constante, ya que el calor extraído del aire es devuelto como calor latente por un aumento del contenido de humedad.Como modelo VC FEES podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta agua fría pulverizada.

Humidificación por calentamiento - Este proceso es parecido al anterior, pero a diferencia de este, se insufla vapor de agua, lo cual hace que la TBS aumente, en vez de disminuir. La línea del proceso se presentará en forma inclinada, denotando un aumento de la temperatura y de la humedad específica del aire. Como modelo VC FEES, podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta vapor de agua "caliente".

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Deshumidificación por enfriamiento - Este proceso consiste en un enfriamiento hasta una temperatura menor que su correspondiente temperatura de rocío. En la carta psicrométrica la podemos representar en la misma forma que el enfriamiento sensible, pero si seguimos enfriando después de llegar a = 100%, seguiremos por la línea de = 100% hasta la temperatura correspondiente a la superficie de enfriamiento, que debe estar por debajo de la temperatura inicial. En este proceso, el aire pierde humedad debido a la condensación de una parte del vapor de agua contenido en la mezcla. El condensado abandona la mezcla.Como modelo VC FEES para la deshumidificación por enfriamiento, podemos presentar un ducto conduciendo aire, que es enfriado por un serpentín de enfriamiento (como por ejemplo, un evaporador de un sistema de refrigeración).

Mezcla adiabática de dos corrientes de aire húmedo. Se trata de dos flujos de aire a diferentes condiciones, que se juntan en un mezclador adiabático, con dos entradas y una salida por la que salen mezclados dichas corrientes de aire húmedo; en dicho proceso de mezclado se asume que no existe condensación. El proceso se puede representar en la carta psicrométrica mediante una recta que une los estados de cada uno de los flujos de aire. El punto de mezcla (salida del mezclador) estará ubicado sobre dicho segmento de recta, dividiéndolo en dos partes proporcionales a la variación de la humedad absoluta o a la variación de entalpías específicas de cada flujo.

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