Aire Húmedo
En un mundo donde la búsqueda de la eficiencia y la sostenibilidad se entrelazan, la Termodinámica se alza como una herramienta esencial para entender y optimizar los procesos que dan forma a nuestro entorno. Uno de estos procesos cruciales es el comportamiento del aire húmedo, un elemento fundamental en la ingeniería de sistemas de climatización y acondicionamiento ambiental. Desde oficinas y hospitales hasta hoteles e instalaciones industriales, la regulación de la humedad y la temperatura del aire no solo influye en el confort humano, sino que también impacta en la eficiencia energética y en el medio ambiente de manera significativa.
Fig. Aire Húmedo
En este blog, nos adentraremos en el emocionante mundo en el que la Termodinámica se encuentra con el aire húmedo. Exploraremos cómo los principios termodinámicos se aplican para comprender y controlar las propiedades del aire en diferentes situaciones, enfocándonos en su papel crucial en sistemas de aire acondicionado. Desde la perspectiva de edificios comerciales hasta instalaciones industriales, analizaremos cómo el conocimiento termodinámico puede transformar la manera en que diseñamos, operamos y mantenemos estos sistemas esenciales.
Pero la historia no se detiene ahí. A medida que avanzamos en busca de soluciones más sostenibles, también examinaremos el impacto medioambiental de los sistemas de climatización y aire acondicionado. La eficiencia energética se convierte en un factor determinante en la reducción de la huella de carbono, y aquí es donde la Termodinámica entra en juego una vez más, guiándonos hacia enfoques más inteligentes y responsables.
Prepárate para sumergirte en el apasionante viaje donde la ciencia de la Termodinámica se une a la ingeniería del aire húmedo para dar forma a un futuro más confortable, eficiente y ecológico. Juntos descubriremos cómo estas disciplinas se entrelazan para mejorar nuestra comprensión del mundo que nos rodea y, en última instancia, para construir un mañana donde la tecnología y el respeto por la naturaleza caminen de la mano. ¡Bienvenidos a la exploración de la Termodinámica en el contexto del aire húmedo y su crucial impacto medioambiental en los sistemas de climatización!
La principal aplicación del estudio del aire húmedo es el acondicionamiento de aire o aire acondicionado, un ejemplo practico es el siguiente video que muestra cuales son las principales partes y como funcionan.
El aire está compuesto por una mezcla de algunos gases(Nitrógeno, Oxígeno, Argón, otros...) y vapor de agua. Todos los constituyentes básicos del aire, excepto el vapor de agua se encuentra en la misma proporción y forma gaseosa, (debido a las temperaturas y presiones en que se desarrolla el proceso); es por lo que generalmente se considera el aire húmedo compuesto por dos únicos componentes, el vapor de agua y el aire seco.(Ref. J M Pinazo Ojer "Manual de Climatización Tomo I Transformaciones sicrométricas " Universidad Politécnica de Valencia SPUPV.95.819)
Fig. 1 Carta Psicrométrica ASHRAE a 1 atm de presión total. (usada con permiso de la American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionig Engineers)
El aire seco
La composición del aire seco en volumen es:
Nitrógeno (N2) … 78.084
%
Oxígeno (O2)… 20.9476
%
Argón Ar)… 0.934 %
CO2, CO,
SO2, SO3 … 0.03 %
Xenón,
Kriptón … trazas
Pudiéndose definir una masa molar del aire
seco a partir de sus componentes, teniendo en cuenta que 28 kg de Nitrógeno
ocupan 22.4 m3 a condiciones normales, 32 kg de oxígeno ocupan 22.4
m3 (C.N), etc.
Mas = 0.78084*28 + 0.209476*32
0.00934*39.9 + 0.003*44.01
= 28.965 kg/kmol
El comportamiento del aire seco a la presión y temperatura a la que se encuentra en la atmósfera se puede considerar como la de un gas perfecto, por lo que consideraremos el comportamiento de gas ideal para el vapor de agua (H2O) y el peso molecular de 18.015 kg/km
Presión Total
Por tratarse de una mezcla de gases, según la
ley de Dalton, la presión total será la suma de las presiones parciales del
aire seco mas la presión del vapor de agua.
Pt = Pas + Pv
( Presión atmosférica)
Pt = Presión absoluta total (101325 Pa a nivel
del mar)
Pas = Presión absoluta del aire seco Pa.
Pv = Presión parcial del vapor de agua Pa.
Presión parcial del aire seco.
La presión parcial del aire seco se puede
determinar mediante la ley de los gases ideales:
mas = Masa del aire seco en el
recinto (kg)
Mas = Masa molecular del aire
seco = 28.965kg/kmol
V=Volumen del recinto en (m3)
R = 8314.4 J/kg K Constante universal de
los gases ideales
Ts = Temperatura de bulbo seco (K)
Presión parcial del vapor de agua.
Por considerarse a bajas presiones como un gas ideal, también se puede aplicar la ecuación de los gases ideales
mv = Masa del vapor de agua en el recinto (kg)
Mv = Masa molecular del agua = 18.015 kg/kmol
V=Volumen del recinto en (m3)
R = 8314.4 J/kg K Constante universal de los gases ideales
Ts = Temperatura de bulbo seco (K)
Humedad específica o absoluta.
Se define la humedad específica como la
relación de masa de vapor y la masa de aire seco que existe en el aire húmedo,
esto es:
Y para una presión total de una atmósfera
a nivel del mar:
Grado de saturación (GS)
Se define como el cociente entre la
cantidad de agua presente en el aire y la cantidad de agua a condiciones de saturación.
Pvs = Presión de saturación a Ts
La presión de saturación para el agua es
una variable muy estudiada, y cuyos valores se pueden obtener mediante la
siguiente ecuación.
Humedad
relativa (φ)
La humedad relativa se define como la relación
entre la fracción molar del vapor de agua en el aire (Xv) respecto a la
fracción molar del vapor de agua a la misma temperatura y presión total (Xvs),
expresado en %.
Xv = Fracción molar de vapor de agua en el aire..
Xvs = Fracción del vapor de agua en aire
saturado.
Teniendo en cuenta que la fracción molar es el
“n” de moles de un componente respecto
al “n” total de moles de la mezcla y aceptando que se comporta como un gas
ideal, se tiene:
Por lo que:
Haciendo uso de esta última ecuación, el
grado de saturación puede transformarse en:
Despejando a la humedad relativa se tiene:
Temperatura de bulbo seco (TBS)
Es la temperatura normal que conocemos,
medida en un termómetro común conocida también como temperatura seca Ts.
Fig. 2 Temperaturas de bulbo seco (TBS) y bulbo húmedo (TBH)
Temperatura de bulbo húmedo (TBH)
Es la temperatura de saturación
adiabática del aire, la cual se mide al colocar una gasa humedecida en el bulbo
de un termómetro al cual se le hace circular una corriente de aire, la
temperatura registrada, será inferior a la temperatura de bubo seco (TBS).
ws* = Humedad específica de saturación
Temperatura de roció (Tr)
La temperatura de punto de rocío, se define como la temperatura en la cual
aparece la primera gota de condensación, si el aire se enfría a presión
constante. Tr es la temperatura de saturación del agua correspondiente a la
presión de vapor Pv.
Fig. 3 Temperatura de punto de roció Tr a Pv
La temperatura de rocío Tr únicamente depende de
la presión parcial de vapor Pv en el aire húmedo, en consecuencia, esta se
puede determinar mediante.
Entalpía del aire seco (Has)
Para el aire seco la entalpía se determina,
teniendo en cuenta que la presión es constante y que el punto de referencia se
establece en 0°C. La entalpía se puede
calcular mediante.
Has = Cpas
(TBS - Tref)
Cpas = Calor específico del aire seco = 1.005 kJ/kg
°C
TBS = Tempera tura de
bulbo seco del aire en °C
Tref = Temperatura de
referencia = 0°C
Has =
1.005*(TBS – 0°C) KJ/kg°C as
Entalpía del vapor de agua (Hv)
En este caso se tomará
la referencia de 0°C, considerando al agua en estado líquido, por lo tanto, la entalpía
de 1 kg de agua a temperatura de bulbo seco TBS, nserá.
Hv = Cf +
Cpv*(TBS -Tref)
Siendo:
Cf = Calor de cambio de
fase de vapor a líquido a 0 °C = 2501 kJ7kg.
Cpv = Calor específico
del vapor de agua = 1.806 kJ/kg °C
TBS = Temperatura de
bulbo seco del aire en °C
Tref = Temperatura de
referencia = 0°C
Por lo tanto:
Hv = 2501 + 1.806*TBS kJ/kg vapor
Entalpía del aire húmedo (h)
La entalpía del air húmedo
se define con respecto a 1 kg de aire seco existente en la mezcla, así:
Volumen
específico del aire húmedo (v)
El volumen
específico del aire húmedo se define por kg de aire seco, haciendo uso de la
ecuación de gas ideal, se tiene:
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