PSICROMETRÍA, METODOS DE HUMIDIFICACION Y DEHUMIDIFICACION Y SUS APLICACIONES EN

EL DISEÑO ARQUITECTÓNICO.

Dr Isaac Pilatowsky Figueroa Centro de Investigación en Energía

Universidad Nacional Autónoma de México. Cerrada Xochicalco s/n, Colonia Centro

62580, Temixco, Morelos, México Tel: (52) 55-56229733, fax: (52) 55-56229791

Ipf@cie.unam.mx

1 al 3 de julio de 2002 Universidad de Guadalajara Guadalajara, Jalisco, México

PRESENTACION 1.0 INTRODUCCION Y PRINCIPIOS BASICOS

1.1 Termodinámica de una mezcla gas-vapor 1.2 Humedad

1.2.1 Humedad molar 1.2.2 Humedad másica 1.2.3 Humedad relativa 1.2.4 Humedad porcentual

2.0 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS VAPOR - GAS

2.1 Introducción 2.2 Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo 2.3 Temperatura de rocío 2.4 Volumen específico húmedo 2.5 Calor específico húmedo 2.6 Entalpía específica húmeda 2.7 Temperatura de saturación adiabática 2.8 Ecuaciones simplificadas

3.0 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

3.1 El diagrama psicrométrico 3.1.1 Isolíneas de temperatura 3.1.2 Isolíneas de humedad relativa 3.1.3 Líneas auxiliares

3.2 Manejo del Diagrama psicrométrico 3.3 Representación de Procesos

4. 0 MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN

4.1 Introducción 4.2 Mezclado de masas de gases húmedos 4.3 Adición de un líquido que se evapora totalmente en la mezcla gaseosa. 4.4 Adición de un líquido en cualquier condición en donde se evapora una parte. 4.5 Humidificación por contacto de una masa gaseosa con un sólido húmedo. 4.6 Humidificación de una masa gaseosa por medio de un líquido que se

encuentra a la temperatura de rocío de la masa gaseosa correspondiente a las condiciones de humedad de diseño.

4.7Humidificación adiabática de una masa gaseosa en contacto con un líquido.

5.0 MÉTODOS DE DEHUMIDIFICACIÓN 5.1 Introducción 5.2 Métodos de humidificación

5.2.1 Contacto directo 5.2.2 Contacto directo con una masa de líquido frío. 5.2.3 Dehumidificación por medio de substancias químicas.

5.1.3.1 Ciclo de ventilación. 5.1.3.2 Ciclo de recirculación 5.1.3.3 Ciclo Dunkle.

6.0 OTROS PROCESOS DE HUMIDIFICACIÓN Y DEHUMIDIFICACIÓN

6.1 Procesos combinados de calor sensible y calor latente. 6.1.1 Calentamiento con humidificación. 6.1.2 Calentamiento con dehumidificación 6.1.3 Enfriamiento y humidificación 6.1.4 Enfriamiento y dehumidificación

BIBLIOGRAFIA

PRESENTACION

El uso eficiente de la energía es uno de los grandes retos a que nos enfrentamos, no sólo es responsabilidad de los sectores industrial, transporte y energético, el optimizar los recursos energéticos, sino también del sector residencial.

El sector residencial es un gran demandante de energía la cual se transforma para ofrecer tanto enfriamiento como calentamiento. El porcentaje entre ambos dependerá de la latitud geográfica y de las condiciones de la vivienda.

Se hace cada vez más necesaria la participación de arquitectos, ingenieros y especialistas, en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos que incluyan dispositivos y sistemas que permitan por un lado un ambiente confortable y por otro un ahorro substancial en el consumo de los energéticos.

Los microclimas establecidos en el hábitat en ocasiones son más extremosos que el medio ambiente, en donde una orientación inadecuada o el uso de ciertos materiales provoca aumentos de temperatura o pérdidas considerables de energía.

Como se ha mencionado en textos especializados, tanto la temperatura, humedad y velocidad, influyen sobre el bienestar. Se debe contar con un control sobre los limites máximos y mínimos de la temperatura; el exceso de humedad limita los procesos de evaporación a través de la piel, condicionando la pérdida de calor, la eliminación de partículas sólidas, olores desagradables, humos y substancias tóxicas, establecen condiciones de calidad del aire y finalmente el movimiento del aire incrementa los procesos de pérdida de calor y humedad en donde su exceso puede provocar sensaciones desagradables.

En el diseño arquitectónico es necesario en términos generales considerar las variaciones promedio de las temperaturas durante todo el año, las horas de insolación así como la cantidad de irradiación solar disponible y si distribución en las diferentes épocas del año, el viento en su magnitud y dirección, la precipitación pluvial y la nubosidad y en particular la humedad, es decir el contenido de vapor de agua en el aire, ya que este influye de manera importante en las condiciones climatológicas.

La presencia de vapor de agua en la atmósfera en forma de nubes, sobre todas las que se encuentran a una mayor altitud, provoca la reflexión de la irradiancia solar.

El vapor de agua tiene una gran capacidad de absorción y transmisión de radiación, dependiendo del dominio de longitudes de onda, pudiéndose convertir en un gran absorbedor - casi un cuerpo negro- y poder trasmitir y permitir el paso de la radiación, provocando una especie de ventana atmosférica. Este diferente comportamiento, del vapor de agua con respecto a la radiación hace que el intercambio radiativo entre la superficie de la tierra y la atmósfera provoque efectos de calentamiento o de invernadero o efectos de enfriamiento por pérdidas de radiación.

Este curso tiene como objetivo dar a conocer las modificaciones de las propiedades físicas del aire, debido a la adición o substracción de vapor de agua así como los principios básicos de los fenómenos involucrados en los procesos de humidificación y dehumidificación y su relación con la estructura arquitectónica en la búsqueda de soluciones a la problemática de la climatización.

La climatización de un espacio se refiere en términos generales a crear y mantener

un ambiente, cuyas condiciones de temperatura, humedad y circulación y pureza del aire produzcan un efecto tal, que el ocupante o ocupantes de dicho espacio, puedan desarrollar eficientemente sus actividades. Lo anterior se conoce como condiciones de confort o de bienestar.

La climatización se aplica en general al tratamiento del aire, actuando sobre los parámetros ya mencionados, provocando efectos de enfriamiento o de calentamiento, no sólo sobre la fisiología humana sino también, para crear condiciones para conservar, transformar o manejar algunos productos o materiales sin perjudicar su apariencia y propiedades como en el caso de los alimentos.

El impacto económico de la climatización se refleja en la influencia de las condiciones de bienestar sobre la productividad del hombre y en el caso de las aplicaciones industriales, sobre la calidad de los productos conservados.

El propósito de este curso es brindar a los no especialistas en el tema, una base de conocimientos que puedan normar los criterios en el diseño de hábitat sin necesidad de un desarrollo de ingeniería complicado, logrando con esto, un mayor entendimiento de los cambios físicos que se desarrollan al aumentar o eliminar en el aire el contenido de vapor de agua, contribuyendo a obtener las condiciones confortables, deseadas.

Notas del Autor

INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS 1.1 Termodinámica de una mezcla gas-vapor

El agua es un compuesto vital para el desarrollo de los procesos biológicos que se efectúan en la tierra, su presencia en forma líquida, sólida o vapor, influye además de forma importante en las condiciones climáticas. Los procesos físicos de evaporación, o sea la transición del estado líquido a vapor y el de condensación, el cambio del estado vapor a líquido, establecen mecanismos de adición y eliminación de humedad, provocando cambios en los diferentes sistemas ecológicos.

El término humedad se aplica en los general a la cantidad de vapor presente en un gas. Aunque los términos vapor y gas, podrían ser equivalentes, no lo son; el gas es un estado físico en donde, por arriba de ciertas condiciones "críticas" de presión y temperatura, no puede condensarse, es decir, convertirse en líquido. Es claro que el gas bajo las condiciones antes mencionadas podría licuarse y por lo tanto evaporarse, recibiendo el nombre de vapor. Entonces el vapor es el producto de la evaporación de un líquido.

Para que el proceso de evaporación exista es necesario aplicar al líquido una cantidad de energía tal que permita vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas del propio líquido. Lo anterior provoca la liberación de moléculas que salen al espacio gaseoso que las rodean. La energía suministrada al líquido se conoce como el calor de vaporización, que no es otra cosa más que la cantidad de calor que hay que aplicar al líquido a una temperatura determinada para convertirlo en vapor.

Al aumentar la temperatura en el liquido aceleramos el proceso de vaporización, es decir, habrá una mayor cantidad de vapor, presente en el gas, el proceso de evaporación continua hasta la ultima gota de liquido.

Si calentamos un liquido hasta su temperatura de ebullición, es decir la

temperatura por encima de la cual, se convierte en vapor y este lo colocamos en un recipiente cerrado y lo aislamos térmicamente es decir realizamos un proceso "adiabático", podremos observar que bajo una condición de temperatura y presión, existe un numero determinado de moléculas de liquido que se integraron a la fase vapor (Nv) y que por choques entre moléculas y las paredes del recipiente existe otro numero determinado de moléculas de vapor que se condensan (NL) y regresan al seno del liquido.

Durante el proceso de evaporación el numero de moléculas de liquido presentes en el gas irá en aumento y cuando se alcanza constancia en las condiciones de temperatura y presión se obtiene un equilibrio, en el cual, el numero de moléculas que salen del liquido por evaporación es igual al numero de moléculas que entran por condensación, lográndose un equilibrio dinámico. Este equilibrio se obtiene para cada temperatura y presión, ver figura (1).

Figura 1. Equilibrio dinámico entre fases para cada temperatura y presión

La cantidad de moléculas de vapor en el gas se puede medir por la presión que ejercen a una temperatura determinada. Esta presión se le conoce como presión de vapor (P0 ) y depende para substancias puras como el agua, exclusivamente de la temperatura (T) y en el caso de mezclas dependerá además de las concentraciones (X) de los componentes.

Para el caso de un liquido puro, P0 = f(T), esta función se puede representar en una gráfica como lo muestra la figura 2. Presión

Temperatura

Al líquido que alcanza este equilibrio dinámico se dice que esta bajo condiciones de saturación o saturado, es decir que a condiciones determinadas se tiene una máxima de moléculas en el vapor.

Esta relación entre la presión de vapor y la temperatura es particular para cada

liquido y existen ecuaciones específicas para el cálculo de P0 a diferentes temperaturas.

Es claro que el proceso de evaporación, esta influenciado por la presión que ejerce el gas sobre el líquido. Entre mayor sea esta presión, mayor energía se requerirá para evaporar un líquido. Este fenómeno lo podemos observar por la variación de las temperaturas de ebullición de un liquido, cuando se varía la presión del gas. Supongamos que se quiere evaporar agua al nivel del mar, la presión que ejerce el gas, es la que ejerce el aire que rodea al agua. A nivel del mar se tiene la mayor columna de gas presente sobre el liquido y por lo tanto se requerirá una temperatura mayor de ebullición, bajo estas condiciones la temperatura de ebullición del agua es de 100 °C.

A medida que la columna de aire disminuye, la presión disminuye y por lo tanto se tendrán temperaturas de ebullición menores a los 100 °C. Entonces, como se puede observar la presión de vapor es una función de la temperatura y de la presión total. En procesos de evaporación al ambiente, la presión total es igual a la atmosférica y varía muy poco, lo cual se supone para efectos de diseño, constante. La presión atmosférica depende básicamente de la columna de aire presente, es decir de la altitud del lugar.

La presión que ejerce el aire al nivel del mar es la equivalente a una columna de

760 milímetros de mercurio. Si se toma referencia una temperatura de 0 °C y una latitud de 45°, se obtiene una atmósfera normal o de referencia. Bajo estas condiciones un gas que siga el comportamiento y las “leyes ideales del estado gaseoso”, ocupará un volumen de 22.4 litros. A la presión que ejerce el aire se le conoce como presión atmosférica o manométrica.

La presión es la fuerza que ejerce es este caso el aire sobre una superficie. En el apéndice A se describen, las diferentes unidades de medida de la presión y sin equivalencias.

Normalmente cuando nos referimos al termino humidificación, hablamos de una mezcla de un gas y de un vapor. Si esta mezcla obedece las leyes ideales de los gases podemos aplicar la ley de Dalton de las presiones parciales: "la presión total (PT ) de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales (p) de los gases constituyentes"

nCBAT PPPPP +++= ..... (1.1)

La presión parcial, ( )P se define como la presión que cada gas ejerce si ocupase por si sólo el volumen de la mezcla a la misma temperatura. La presión parcial de un componente de una mezcla de gases ideales es, por lo tanto, igual al producto de la presión total por la concentración de dicho constituyente particular, si tenemos una mezcla vapor-gas.

TVV PXP = (1.2)

En el equilibrio o sea cuando un gas contiene la máxima cantidad posible de un

vapor se dice que está saturado y por lo tanto; la presión de vapor será igual a la presión parcial.

Si la mezcla esta constituida por los elementos vapor y gas, las presiones parciales serán igual:

GV

VV XX

XP

+= (1.4) y T

GV

GG X

XXX

P+

= (1.5)

en donde la concentración total GVT XXX +=

En el apéndice II, se describen las diferentes formas de expresar las unidades de concentración. En muchos casos se utilizan unidades referidas a un mol1 (n) de gas. Bajo estas condiciones la fracción molar del vapor (y) será:

VT

V

G

V

G

V

PPP

PP

nn

y−

===0

(1.6)

en donde , y n son el numero de moles del vapor y del gas respectivamente , en donde la fracción molar es igual a la composición en volumen.

Vn G

Las relaciones anteriores nos dan la concentración del vapor XV en el gas, bajo

condiciones de saturación. Si la cantidad de vapor es menor que la correspondiente en el equilibrio, la saturación es parcial y la concentración del vapor XV quedará representa por:

VT

VV PP

PX

−= (1.7)

aquí la VP es menor a . 0

VP 1.2 Humedad

Como se ha mencionado la humedad es la medida de la cantidad de vapor presente en la fase gaseosa, y se le representa por la letra y' o Y. En algunos textos se utiliza h o H.

Sin embargo no es recomendable por que causa confusión con la entalpía. Existen diferentes términos para expresar la concentración del vapor en el gas, las cuales se definirán a continuación.

1 Mol es una abreviación de molécula y representa la cantidad de substancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbón-12

1.2.1 Humedad molar, saturación molar o humedad molar a saturación (Ym). Se define como la relación entre el numero de moles de vapor y de gran contenidos en una masa gaseosa determinada.

VT

V

G

V

G

Vm PP

PPP

nn

Y−

===0

(1.8)

1.2.2 Humedad másica, absoluta o a saturación absoluta (Y), que es la relación entre la masa del vapor y la masa del gas contenido en la masa gaseosa.

V

V

G

Vm

G

V

PPP

MM

YMM

Y−

== (1.9)

en donde MV y MG son las masas moleculares del vapor y el gas. 1.2.3 Humedad relativa o saturación relativa. Es la relación entre la presión parcial del vapor y la presión de vapor a la misma temperatura. También se le representa con las siglas (HR).

= 0

V

Vm P

PY (1.10)

1.2.4 Humedad porcentual o saturación porcentual. Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que existirá si ésta estuviera saturada.

−−

=VT

VT

V

VP PP

PPPP

Y0

0 (1.11)

La humedad molar y la absoluta, se expresan en moles de vapor/moles de

gas y masa de vapor/masa de gas respectivamente. En el caso de la relativa y porcentual, ambas se expresan en por ciento. 2.0 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS GAS-VAPOR. 2.1 Introducción

En los procesos de humidificación la mezcla vapor-gas mas utilizada es la del aire como gas y el agua como vapor.

El aire es una mezcla gaseosa, cuya composición no cambia en una altura considerable. El aire está constituido básicamente por nitrógeno (N ) en una proporción del 75.51% y de oxigeno (O2 ) con un 23.01%, el 1.48% restante lo constituyen el argón (A), anhidrido carbónico (CO2 ), hidrógeno (H2 ), Neón (Ne), Helio (He), Kriptón (Kr) y Xenón (Xe). Además de estos gases permanentes, el aire

contiene cantidades variables de vapor de agua, debido a los procesos de evaporación y de anhidrido carbónico (CO2 ), debido básicamente a los procesos de combustión además de la generación de ozono. Estos gases provocan efectos que impactan el medio ambiente, ya que su exceso crea ambientes de alta temperatura y toxicidad.

Las propiedades de las mezclas vapor-gas o gases húmedos son estudiados por la psicometría que en su etimología griega ψυχροζ, (frío y metro) significa la medición del frío. Estas propiedades permiten explicar los diferentes procesos para lograr las condiciones de bienestar en el cuerpo humano y las condiciones de conservación en los procesos industriales.

Algunas de estas propiedades se pueden determinar experimentalmente, utilizando un psicrómetro o analíticamente, calculándola a través de ecuaciones, cuya representación gráfica se logra mediante la elaboración de un diagrama psicrométrico.

Los apéndices III, IV, V se refieren a las propiedades físicas del aire, agua y vapor de agua respectivamente referidas a la presión atmosférica normal. 2.2 Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo.

Las temperaturas de bulbo seco (Tbs) y bulbo húmedo (Tbh) de un gas húmedo se pueden determinar experimentalmente por medio de un psicrómetro que es un instrumento que contiene dos termómetros de mercurio idénticos, uno con el bulbo descubierto para medir la temperatura del aire y otro con el bulbo cubierto con una gasa humedecida.

El psicrómetro se hace girar o se le induce una corriente de aire, esto provoca un enfriamiento y la temperatura del termómetro cubierto desciende primero rápidamente y después más lentamente hasta alcanzar un valor estacionario. La lectura registrada en este punto es la temperatura de bulbo húmedo, la cual representa la temperatura de equilibrio los flujos de calor entre el aire y la gasa por calor sensible y las pérdidas de calor producidas por la evaporación del liquido en el gas. Estas pérdidas de calor provocan una disminución en la temperatura. La diferencia entre estas dos temperaturas dependerá del grado de saturación del aire. Entre más humedad contenga, la diferencia será menor, y en condiciones de saturación, la temperatura de bulbo seco será igual a la de bulbo húmedo. Con el conocimiento de estas dos temperaturas es posible calcular el valor de la humedad relativa. La figura 2.1 representa un psicrómetro.

Figura 2.1 Psicrómetro

En la terminología de los procesos de transferencia de calor, el calor sensible (QS) se refie

(2.1)

En donde ∆T es el incremento o decremento de la temperatura del cuerpo. El subínd

En cambio el calor latente es el que se aplica o elimina durante los procesos en los cua

re a la cantidad de calor que recibe o pierde un cuerpo, provocando un aumento o disminución en su temperatura. Este calor sensible depende de la masa (M) y del calor específico (CP) que es una propiedad de la materia que indica la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un grado referida a una masa específica de material; el calor sensible está representado por la relación:

QS TmCP∆=

ice (p) del calor especifico indica que esta propiedad esta referida a presión constante. Las unidades de calor son las calorías (cal), los julios (J) y las unidades térmicas inglesas (BTU).

les ocurre un cambio de fase de estado, como en una evaporación (liquido a vapor), condensación (vapor a liquido) solidificación (líquido-sólido), fusión (sólido-liquido), sublimación (sólido-vapor), etc. Este calor es específico para cada substancia varía muy poco con la temperatura y se llevan a cabo a presión constante. Al calor latente se le representa por una L o λ , y sus unidades son de calor por unidad de masa.

λmmLQL == (2.2)

En el bulbo húmedo del psicrómetro, se establecen dos flujos de calor, uno que entra,

En un proceso continuo, todo el calor transferido hacia la gasa se utiliza para vaporiz

Existe una analogía entre el flujo de calor perdido (QL ) y la masa transferida de humed

a temperatura húmeda o del termómetro húmedo se puede determinar a partir de las rela

que corresponde al calor sensible debido al contacto con el aire y otro latente hacia el exterior provocado por la evaporación del liquido presente en la gasa.

ar la masa del liquido.

ad (ML ). En la figura 2.2, TGH y TG representan temperaturas del gas húmedo y la superficie de la gasa respectivamente.

Lciones siguientes:

bhMGTVG

VT TTMK

PPbh

bh −=−λ

( )Ch∗ (2.3)

( )bhMGT

Y

C

MGbhT TTK

h

YYbh

−=−λ

(2.4)

en donde: , λbhTP∗Tbh , YTbh y TTbh son la presión de vapor, el calor latente de

vaporización, la humedad absoluta de saturación referidas a la temperatura húmeda y TTbh la propia temperatura húmeda o de bulbo húmedo.

Figura 2.2 Balance de energía y masa en la gasa. El punto sobre las cantidades

indican que son flujos. PV es la presión parcial del vapor en el gas, hc el coeficiente de convección

líquido-gas, KG , el coeficiente de transferencia de masa, tomando como potencial de difusión la presión de vapor y KY considerando el potencial de difusión, la humedad absoluta.

MV es el peso molecular del vapor T y Y la temperatura y la humedad absoluta de la masa gaseosa.

A esta relación se le conoce como la ecuación psicrométrica y al cociente hc/KY el coeficiente psicrométrico o relación de Lewis y se determina por la expresión:

56.0

=

r

C

Y

C

PS

cKh

(2.5)

2.3 Temperatura de punto de rocío (Tr)

Es la temperatura que alcanza una mezcla vapor-gas, cuando se enfría a presión constante, por debajo de la cual se forma la primera gota de vapor condensado persistiendo las condiciones de saturación. 2.4 Volumen especifico del gas húmedo o volumen húmedo (VH )

Que se define por el volumen ocupado por la mezcla que contiene una unidad másica de gas, y se calcula a partir de la ecuación del estado gaseoso ideal, en donde P es la presión, V el volumen R es una constante y T la temperatura y M la masa del gas.

MRTPV = (2.6)

En el caso del gas húmedo es necesario considerar las masas del gas y del vapor.

=PRTGV (2.6.1)

PRT

MY

MV

VG

+=

1 (2.6.2)

Dependiendo del valor de la constante R, se determinan las unidades de la

Temperatura y la presión.

En el apéndice A se incluyen algunos valores de la constante R, del estado gaseoso. 2.5 Calor especifico del gas húmedo o calor húmedo (CH )

El calor específico que corresponde a una mezcla vapor-gas, se define como el calor que hay que suministrar a una unidad másica de gas y al vapor que contiene, para elevar un grado de temperatura, manteniendo la presión constante de acuerdo a la relación siguiente:

YCCC PVPGH += (2.7)

2.6 Entalpía especifica o húmeda (HH )

Cuando un sistema cambia de un estado a otro puede perder o ganar energía bajo forma de calor (Q) y trabajo (W). Si en este cambio de estado, se incrementa el contenido energético del sistema (energía interna, ∆E) se tiene de acuerdo a la primera ley de la termodinámica:

WQE −=∆ (2.8)

A presión constante el trabajo desarrollado es igual a P∆V en donde ∆V es el

cambio en volumen, quedando la relación anterior igual a:

VPQE P ∆−=∆ (2.8.1) Q VPEP ∆+∆= (2.8.2) en donde QP es el calor absorbido a presión constante.

Se utiliza el símbolo H para representar E + PV, al que se denomina generalmente contenido calorífico del sistema, aunque se emplean los términos función de calor a presión constante y entalpía.

En un cambio de estado (1) al estado (2)

HHHQP ∆=−= 12 (2.9)

el incremento en el contenido calorífico de un sistema es igual al calor absorbido a presión constante:

VPEH ∆+∆=∆ (2.10)

En el caso de los gases húmedos la entalpía especifica es la suma del calor sensible de una masa de gas, y el calor latente de vaporización a la temperatura a la que se refieren las entalpías.

( ) YTTCH HH 00 λ+−= (2.11) 2.7 Temperatura de saturación adiabática

Es la temperatura alcanzada por una masa gaseosa cuando se pone en contacto

en un liquido en condiciones adiabáticas. El calor latente de evaporación debe ser suministrado por el calor sensible transferido desde el aire.

Esta temperatura se puede calcular con la expresión siguiente:

( ) ( SS

HS TT

CYY −=−

λ) (2.12)

en donde YS y Y representan las humedades de saturación a la temperatura de saturación adiabática y la especifica, TS la temperatura de saturación adiabática λS es el calor latente de vaporización del liquido a TS . La ecuación (2.12) resulta del balance entre las entalpías del aire entrante y saliente, tomando como base el cálculo de las entalpias, la temperatura TS . El término (- CH /λS ) es la pendiente de la línea de temperatura adiabática y (- hc/kYλTbh )es la línea de bulbo húmedo. Para el caso de la mezcla aire-agua, el valor de la temperatura húmeda y el de la saturación adiabática es el mismo y se puede utilizar de manera indistinta.

El proceso de saturación adiabática se describe con más detalle más adelante. 2.8 Ecuaciones Simplificadas

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, se tienen ecuaciones simplificadas para cada una de las propiedades: 2.8.1 Humedad absoluta

−

=

−

=

VT

V

VT

V

PPP

PPP

Y 62.02918

2.8.2 Volumen húmedo

PTYVH

082.01829

1

+= P en atmósfera

T en K

2.8.3 Calor húmedo

YCH 46.024.0 += 2.8.4 Entalpía específica (T = 0 0C)

( ) YYHH 2.59746.024.0 ++= 2.8.5 Temperatura húmeda

5.0≈TbhG

C

MKhυλ

Se puede entonces determinar Tbh de acuerdo a la ecuación psicrométrica.

( )bhMGVTbh TTPP −=− 5.0

2.8.6. El coeficiente hC/ky se denomina coeficiente psicrométrico y puede determinarse por la expresión:

( ) 56.0/ rCy

C PSckh

=

2.8.7 Temperatura de saturación adiabática.- Es la temperatura alcanzada por una

masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas. Se determina por medio de la expresión:

( )SS

S TTCYY −=−λ

3.0 DIAGRAMA PSICROMETRICO 3.1 Diagrama psicrométrico

El diagrama psicrométrico es la representación gráfica de las ecuaciones analíticas descritas en el capitulo 2. La figura (3.1) representa este diagrama para las mezclas aire y vapor de agua a la presión atmosférica normal. En este diagrama se representa la temperatura como abscisa y la humedad absoluta en ordenadas calculadas relativa del 100% o curva de saturación, en donde se obtiene la humedad del aire saturado en función de su temperatura. Las propiedades termodinámica del vapor de agua saturado se representan en el apéndice III, en donde la propiedades se localizan en función de la temperatura y en función de la presión. En este mismo apéndice se incluye un diagrama de Mollier para el vapor de agua.

Los puntos localizados a la izquierda de la curva de saturación representan mezclas de aire saturado con agua en estado liquido, lo que provoca bruma y son condiciones muy inestables. Cualquier punto localizado a la derecha de la curva de saturación, representa una mezcla bien definida de aire y vapor de agua. La figura 3.2 representa las diferentes zonas dentro del diagrama psicrométrico.

Fig. 3.2 Localización de las diferentes zonas en un diagrama

psicrométrico.

Sobre el diagrama psicrométrico se pueden trazar las líneas de temperatura constante o isotermas de bulbo seco que son paralelas al eje de la humedad absoluta como lo indica la figura 3.3.

Fig. 3.3 Representación de isotermas de bulbo seco y de saturación adiabática en

un diagrama psicrométrico.

Las líneas inclinadas con pendiente negativa corresponden a las isotermas de saturac

.1.2 Isolíneas de humedad relativa

Las curvas localizadas entre el eje de las abscisas y la curva de saturación corresp

Fig. 3.4 Representación de las isolíneas de humedad relativa.

.1.3 Líneas auxiliares

Además de las isolíneas anteriores existen gráficas auxiliares que permiten la determ

Como se puede observar en la mayoría de los diagramas psicrométricos su constru

.2 Manejo del diagrama psicrométrico

ara determinar un punto sobre este diagrama, es necesario conocer por lo menos

siguiente manera:

ión adiabática, que como se mencionó anteriormente coinciden con las de la temperatura húmeda para el caso aire-vapor de agua. Estas líneas están representadas en la figura 3.3. 3

onden a las isolíneas de humedad relativa cuyo valor disminuye a medida que se alejan de la curva de saturación. La figura 3.4 representa las líneas de humedad relativa.

3

inación de otras propiedades, tales como: el calor húmedo, volumen saturado y volumen seco, así como la entalpía de saturación. La localización de estas gráficas sobre el diagrama psicrométrico es muy variable.

cción está basada para una presión de 1 atm, sin embargo, puede emplearse para otras presiones, por medio de un factor de corrección, que consiste en multiplicar los valores obtenidos de las humedades relativas en el diagrama por la relación entre la presión de operación y la presión a que se ha construido el diagrama. 3

P dos de las cinco variables: Tbs , TR , Y, Tbh , y y HR. Si fijamos el punto (1) sobre

el diagrama de la figura 3.5 la determinación de sus propiedades se efectúa de la

es la temperatura de bulbo sec este punto que tiene la misma rdenada en Y hasta las condiciones de saturación, corresponde a la temperatura de cío (TR); la abscisa del punto de intersección de la línea con pendiente negativa que

pasa p

e humedad se pueden representar rocesos simples como calentamiento o enfriamiento a humedad y presión constante

variable, tal como lo muestra la figura 3.6 y 3.7. ambién se pueden trazar procesos simples de humidificación adiabática

represe

Figura 3.5. Determinación de propiedades de una mezcla aire-vapor de agua, en un diagrama psicrométrico.

La ordenada del punto (1) corresponde al la humedad absoluta (Y) y su abscisa, o (Tbs ) la abscisa de

oro

or el punto (1) con la curva de saturación, es la temperatura de saturación adiabática o temperatura de bulbo húmedo (Tbh ), a la cual le corresponde la ordenada YTbh . Prolongando la vertical que pasa por (1) hasta la curva de saturación, la ordenada del punto de intersección es la humedad de saturación del aire a la temperatura Tbs ; la humedad relativa del punto de cuestión se obtiene leyendo directamente sobre la isolínea correspondiente. 3.3 Representación de Procesos

El diagrama psicrométrico o carta dpo los mismos procesos a humedadT

ntado en la figura 3.8 y de mezclas de aires de la figura 3.9.

Figura 3.6 Calentamiento o en enfriamiento sensible

Figura 3.7 Variaciones latentes

Figura 3.8 Representación humidificación adiabática

Figura 3.9 Representación de mezclas de aire

En la figura 3.7 esta representado un proceso que se caracteriza por un aumento o disminución del contenido de humedad del aire, permaneciendo constante la temperatura de bulbo seco. 4.0 METODOS DE HUMIDIFICACION 4.1 Introducción

Existen diferentes métodos por medio de los cuales se puede humidificar el aire. En la mayoría de los casos, la masa de aire se pone en contacto sea con líquidos, sólidos húmedos o con masas de aire húmedo. La mayoría de los métodos son simples, a excepción de la humidificación adiabática la cual requiere de condiciones adiabáticas (sin intercambio de calor con el medio ambiente). 4.1 Mezclado de masas de gases húmedos.

Este método consiste en mezclar adiabaticamente masas de gases húmedos,

los cuales tienen humedades diferentes. Las condiciones finales de la masa gaseosa resultante se pueden evaluar en función del estado inicial de las corrientes gaseosas. En el caso de la mezcla de dos masas de gases húmedos (A y B) las condiciones son: YA , YB ; HA , HB ; TA , TB y MA , MB . Las condiciones finales de la mezcla están dadas por YC , HC , T cimiento de un balance de materia y energía aplicado tanto a toda LA masa y al vapor. 4.1.1 Balance de materia

(masa total, kgG+V) (4.1)

(masa vapor referida al vapor, KgG. /h) (4.2) 4.1.2 Balance de Humedad

(4.3)

(kgG/h) (kgB/kgG) =(kgv/h) 4.1.3. Balance de energía o entalpía

(4.4) Humedad

C y MC y las podemos calcular a partir del estable

CBA GGG =+

SCSBSA GGG =+

CSCBSBASA YGYGYG =+

CSCBSBASA HGHGHG =+

BA

BBAAC GG

YGYGY++

= (4.5)

EntalpíEntalpía

BBAA HGHG +

a

BBAA HGHG +

BAC GG

H+

=BA

C GGH

+= (4.6)

Temperatura

B

BBAA

GTGTG +

AC GT

+= (4.7)

condición de una masa gaseosa y el o. Estos dos puntos se unen por medio de esenta la condición final de la mezcla. La

posició

Figura 4.1 Representación de una mezcla de masas gaseosas.

Con el objeto d rio

que el equipo de enfriamiento este por debajo de este valor. Si el aire está a una

Las condiciones de aire húmedo resultante se pueden encontrar sobre el

diagrama psicrométrico, en la recta de unión de los dos puntos representativos de las masas mezcladas.

En la figura 4.1, el punto A representa lapunto B la de la otra masa gaseosa en contactuna lín a recta. El punto C sobre la línea repre

n del punto C, depende del porcentaje de cada masa gaseosa presente en la mezcla.

Mientras mayor sea A, más cerca estará C a B y más cercano estará de B si

ocurriese lo contrario.

e mantener una temperatura estable en el hábitat es necesa

temperatura superior, se requerirá más energía. Si el equipo de enfriamiento funcionara lamente con aire exterior, la potencia de refrigeración sería considerable para

enfriarlo hasta la temperatura de acondicionamiento.

La mezcla de masas gaseosas podría ser interesante desde el punto de vista conómico, ya que es posible mezclar el aire exterior con el aire de retorno. El aire

esta mezcla tendrá una temperatura más baja que el aire exterior, o energía en la máquina de enfriamiento.

Existen casos en los cuales no se puede utilizar el aire de retorno, ya que

iempre se requiere aire fresco. Este es el caso de algunas áreas en centros ospita

periodo determinado el aire de retorno, después es necesario nova

A A A Aciona una masa de vapor saturado MV con una entalpía HV . Al realizar un

balanc

so

eresultante deeconomizand

sh larios. Si en espacio acondicionado no hay contaminación y no se afecta el bienestar se

uede usar por unpre rlo. 4.2 Adición de un vapor en condiciones de saturación En este proceso a una masa de gas húmedo (G ) en las condiciones Y , H , T , se le adi

e de materia y energía, se obtienen las expresiones siguientes:

M

A

VAM GYY += (4.8)

(4.9)

en donde YM y HM son la humedad y entalpía de la mezcla resultante.

Como en el caso anterior, este proceso se puede representar en un diagrama psicrométrico y las condiciones de la mezcla resultante se obtienen sobre la recta de unión de los puntos representativos del vapor saturado y el gas húmedo. 4.3. Adición de un líquido que se evapora totalmente en la masa gaseosa.

La adición de un líquido provoca que la masa gaseosa disminuya su temperatura, ya que el aire cede su calor sensible al líquido para provocar su evaporación, por lo que se produce su enfriamiento. En el caso de la adición de vapor saturado existe un calentamiento de la masa gaseosa debido al calor sensible del vapor.

Es claro que el abatimiento de temperatura es mucho más rápido con el contacto con un líquido que con un vapor debido básicamente a la diferencia importante entre el calor latente de vaporización del líquido y el calor sensible del vapor.

En e inales son nálogas a las del caso anterior, solo se substituyen las condiciones del vapor saturado or las del líquido.

( )AMVAM YYHHH −+=

ste caso, las relaciones para el cálculo de las condiciones f

ap

A

LAM GMYY += (4.10)

( )AMCAM YYHHH −+= (4.11)

En este caso suceden dos procesos simultáneamente; la masa del aire G que pasa d

(4.12)

4.4 Adición de un líquido en cualquier condición, en donde sólo se evapora una parte.

Ae las condiciones YA1 , HA , a las condiciones YA2 , HA2 y la cantidad de líquido inicial ML1 se enfría de TL1 a TL2 . Si efectuaron un balance de masa.

( )A MMYYG −=− 2112 LLAA

Del balance de energía se obtiene:

A HMHMHH −−2112 LLAA MMYY −

=−

221112 LLLLA

en donde HA y HL son las entalpías de la masa gaseosa y del líquido respectivamente.

(4.14)

o de adición del líquido puede variar en función de las condiciones del líquido. En la figura 4.2 están representados tres procesos de humidificación: con adición de agua ca ía (C).

Figura 4.2 Procesos de adición de líquido

El proces

liente (A) con adición de agua fría (B) y con adición de agua muy fr

4.5 Hu

proceso en donde el sólido transfiere humedad al aire, secando el ólido y humidificando el aire. En este proceso de secado el sólido se introduce en un

secador a una temperatura Ts con una humedad Ys y se obtiene a una temperatura Ts2 con una humedad la cantidad de sólido que entra y sale del secador, si la masa de aire GA que entra al secador a TA1 con humedad YA1 sale a TA2 con una humedad YA2 se obtiene de la figura 4.3 el balance de masa siguiente:

Figura 4.3

) (4.16)

En donde HS2 y HS1 son la entalpia de entrada y salida del sólido (respecto a 0º) y definidad por:

(4.17)

En donde CS y CL son los calores específicos del sólido seco y del líquido que acompaña al sólido respectivamente, TS y YS la temperatura y humedad del sólido y H0 el calor integral de mezcla del sólido (referido a 0ºC).

Si el proceso no es adiabático es decir intercambia calor con el medio, el balance de energía es:

)

midificación por contacto de una masa gaseosa con un sólido húmedo.

Este es un s

1 1 Ys2, (estas humedades se refieren al sólido seco). Siendo MS

Diagrama de un secador

( ) ( )2112 SSSAAA YYMYYG −=− (4.15)

Si consideramos un proceso adiabático, el balance de energía es:

( ) ( 1221 SSSAAA HHMHHG −=−

( ) 0HTCYCH SLSSS ++=

( ) ( qHHMHHG SSSAAA −−=− 1221 (4.18) Siendo (q) la cantidad de calor intercambiada.

4.6 Humidificación de una masa gaseosa or medio de un líquido que se encuentra a la temperatura de rocío de la masa gaseosa correspondiente a las condiciones de

latente al humidificarse. La masa gaseosa pasará de la ondición A a C y después, fuera de contacto con el líquido se calentará de forma

sensible para llevarlo a las condiciones deseadas del punto B. Este proceso se encuentra representado sobre el diagrama psicrométrico de la figura 4.4.

Fig

4.7 Humidificación adiabá c de un mas gase sa en ontac

cial del líquido es igual a la temperatura inicial de bulbo húmedo, la mperatura del líquido no cambiará durante el contacto con la masa gaseosa. La

temperatura del líquido se mantendrá constante mientras que la temperatura del bulbo

p

humedad de diseño.

En este proceso se requiere llevar a la masa gaseosa en el punto B a las condiciones de diseño YB a partir de las condiciones iniciales del punto A, con YA de acuerdo al diagrama de la figura 4.4. Para lograr este proceso se requiere poner en contacto la masa gaseosa con un líquido que se encuentra a la temperatura correspondiente al punto C. Para poder mantener el líquido bajo estas condiciones es necesario suministrar una cantidad de calor equivalente a la que absorberá la masa gaseosa en forma de calorc

ura 4.4 Procesos de humidificación de un gas en contacto con un líquido

ti a a a o c to con un líquido.

Este método de humidificación es el más empleado a nivel industrial. Este proceso consiste en el contacto de una masa gaseosa con un líquido para alcanzar las condiciones de saturación adiabática. El líquido que entra al humidificador se encuentra a

temperatura de saturación adiabática. la

El líquido se circula constantemente y no recibe ni cede calor. Cuando la emperatura init

te

húmedo del gas se conserve. Además, como la temperatura del líquido está por debajo

En contenido total de calor no cambia, aunque sí los valores arciales del calor latente y del calor sensible.

Figura 4.6 Representación de un proceso de humidificación adiabática.

de la de bulbo seco, éste se enfría.

El calor latente requerido para la evaporación del agua, solo se puede obtener aprovechando el calor sensible que pierde el aire, de acuerdo a la disminución de la temperatura de bulbo seco. p

La humidificación del aire se realiza por medio de un rociador, en donde el agua se circula constantemente, de acuerdo al diagrama de la figura 4.5.

Figura 4.5 Humidificador adiabático

S

el aire en las condiciones (D).

to para a la parte inferior del humidificador a la temperatura de bulbo húmedo del aire. Para asegurar la recirculación

Como se observó en el capítulo 2, la relación entre la temperatura del aire y su humedad a lo largo del humidificador adiabático está dada por la ecuación (2.12).

i disponemos de una masa gaseosa en las condiciones de A y se desea llevarlo hasta las condiciones de D, de acuerdo a la figura 4.6. el proceso se realiza como sigue:

1) El aire se somete a un calentamiento fuera de contacto del agua (segmento AB), hasta la temperatura de saturación adiabática (T3) la cual corresponde a la temperatura de rocío d

2) El aire caliente se introduce en el humidificador adiabático, en donde alcanza las condiciones de saturación al ponerse en contacto con el líquido, el cual se encuentra a una temperatura igual a la de saturación del aire. Una porción del líquido se transfiere al aire, y el res

constante del líquido, éste se bombea hacia los rociadores, siempre a la temperatura húmeda.

( )SS

HS TTCYY −=−

λ (4.18)

3) El aire que sale por la parte alta del humidificador que tiene la humedad

deseada (Y2) en el punto D, se calienta fuera del contacto con el líquido (segmento C,D), hasta la temperatura final T2.

Sin embargo en la mayoría de los casos no se alcanza la saturación completa a la

salida del humidificador, pero sale a la humedad Y (punto E). La temperatura a la salida T4 a la TBH2 es más grande que la temperatura de rocío correspondiente al estado D. Para que el aire salga del h r en el mismo a una temperatura TS (punto F) un poco superior a T3 pero con una temperatura de bulbo húmedo igual que F.

Para desarrollar el proceso de E a D, sólo se le aplica el calor necesario, fuera del contacto del líquido, a la salida por la parte alta del humidificador.

Si la temperatura de líquido no corresponde a la de bulbo húmedo de la masa gaseosa, la relación entre la temperatura del aire y su humedad es este humidificado está dada por:

umidificador en el punto E, deberá entra

( )[ ]S

eSS TC

TTCYYT +

−+−=

(λ (4.19)

En donde λ, es el calor de vaporización del líquido a la temperatura de entrada en

el humidificador, TS la de saturación de la masa gaseosa y T0 la del líquido a la entrada. Si TS es cercana a Te, el valor del calor sensible c(TS –Te) es muy pequeño comparado con el calor latente y la ecuación (4.19) se simplifica y se convierte en la (4.20):

( ) ( )SS TTYY −=−λ

. (4.20) C

S

Las relaciones anteriores son aplicables para el secado de sólidos, bajo las

onsidesecadoisoentálpicoen un h mi

En

temperatur

La disminución de entalpía es:

5. MÉTODOS DE DEHU

.1 Intr

Los ichos, se un enfriamiento evaporativo, udién

y húmedas.

pueden fijar cantidades específicas de vapores, en la mayoría de los casos stos materiales reciben el nombre de desecantes.

Cualquier sistema de refrigeración puede producir una dehumidificación de la

asa gaseosa siempre y cuando ésta se enfríe por debajo de la temperatura de rocío, caracte

elación:

c raciones de una operación adiabática y que el material por secar entra y sale del r a la temperatura de saturación adiabática. Este proceso no es completamente

, aunque la desviación es pequeña. Si desarrollamos un balance de energía dificador adiabático: u

( ) 212 HYYS −+= (4.21)

donde, He y HS son las entalpías de entrada y salida y HL las del líquido a la a de entrada.

HHe

( ) LS HYY 12 −= (4.22) e HH −

MIDIFICACIÓN

5 oducción

procesos de dehumidificación no son procesos de enfriamiento propiamente considera que son exactamente opuestos ad

p dose ser una especie de “calentamiento condensante”. La disminución en el calor latente se intercambia con un aumento en el calor sensible. En los procesos de humidificación el calor latente contenido en la masa gaseosa decrece y el contenido de calor sensible aumenta. En un proceso ideal de eliminación de humedad la suma de los dos calores la entalpía, permanece invariable, siendo este un proceso adiabático, sin cambiar la energía total del sistema.

En el diseño arquitectónico debe de considerarse la humedad, ya que su exceso causa problemas en el confort humano. Si el medio ambiente está cercano a las ondiciones climáticas son las que imperan en las regiones cálidasc

El aire puede dehumidificarse pro medio de sistemas de enfriamiento mecánico o

por medio del uso de materiales sólidos o líquidos, que por mecanismos de adsorción y bsorción, a

e

mrística de la mezcla.

En cualquier proceso en donde se varíe el contenido de humedad en el aire

húmedo, la cantidad de líquido adicionado o eliminado, se puede evaluar con la r

( )21 AAAL YYGM −=

En donde ML es la cantidad de líquido por unidad de tiempo Kg/h o Kg/s, GA es la

masa d

presenta la temperatura media de la superficie del equipo e enfriamiento. Si toda la masa gaseosa se pusiera en contacto con toda la superficie

disponible en el enfriador n otras condiciones.

5.1 Mé

.1.1 Contacto indirecto.

Si se mantiene una superficie de preferencias metálica a una temperatura inferior a la de rocío de la masa gaseosa, ésta se enfriará paulatinamente hasta alcanzar las ondiciones de saturación, este proceso está en la figura 5.1, con el segmento AB. Si se rosigue el enfriamiento, el vapor se condensará sobre la superficie fría, quedando la asa gaseosa saturada.

Si se extrae continuamente el líquido, con el objeto de mantener seca la superficie, temperatura de superficie, la temperatura de enfriamiento siempre será la de rocío del

Fig. 5.1 Proceso de dehumidificación por contacto indirecto.

(5.1)

el aire húmedo en Kg/h o kg/s y (YA1 – YA2) es el incremento o decremento en humedad absoluta expresado en Kg/kgde aire seco.

En los sistemas de refrigeración mecánica, existe el concepto de la temperatura de rocío del aparato (Tra), la cual red

, se alcanzará la Tra, sin embargo, en la práctica, se alcanza

todos de dehumidificación

5

cpm

laaire.

icha parte en contacto efectivamente recorre el camino ABC, adquiere una temperatura promedio Tc. De B a C sa

o sufrió ninguna transformación y en realidad se tendrá como resultado una mezcla gaseos

Esto modifica el trayecto original ABC, y el proceso real es más parecido al peratura de la superficie permanezca constante. La

En la práctica, no toda la masa gaseosa se pone en contacto con la superficie, y d

tiene lugar la dehumidificación. Una parte de la mezcla gaseon

a en las condiciones de D, siendo el estado final del proceso. Como se mencionó el trayecto de B a C representa el enfriamiento y la condensación del vapor del líquido a lo largo de la curva de saturación.

En la práctica es difícil mantener la superficie seca, por lo tanto se debe considerar el contacto de la masa gaseosa con líquido. La temperatura del líquido alcanza una temperatura cercana a la superficie del agua condensada, existiendo simultáneamente un gradiente de humedad en la misma dirección.

trayecto AC, siempre y cuando la temcuación de la recta AC es: e

CACA YY

TTT −

=−−

CC YYT − (5.2)

Como la HC es menor que la correspondiente de la masa gaseosa, se establece un

flujo de calor de la masa gaseosa hacia la superficie y para mantener la temperatura onstante se necesita de uc

n enfriamiento.

La cantidad de calor cedido por la masa gaseosa es:

( )CHHchAq −

= (5.3)

Y la cantidad de calor que se transfiere desde la superficie fría de condensación

hasta el refrigerante a la temperatura TR.

(5.4)

Haciendo el balance:

( )RCR TTAVq −′=

AcVhA

HHTT

C

R

′=

−−

(5.5)

En donde las áreas de contacto A y A’ corresponden al contacto entre la masa

gaseosa y el líquido y entre el líquido y la superficie del condensador.

Como se puede apreciar la recta AC es oblicua si la temperatura de la superficie (TS) es menor que la de rocío de la masa gaseosa ya que si TS y TR son iguales, la recta sería una horizontal y no habrá condensación.

5.1.2 Dehumidificación por contacto directo con una masa de líquido frío.

Este proceso consiste en poner en contacto una masa gaseosa con un líquido a una te

sa gaseosa en las condiciones de A y el líquido está a la mperatura TE’ este líquido se calentará hasta TC y el aire alcanzará las condiciones del

punto D

Fig. 5.2 Proceso de dehumidificación por contacto directo.

Como en el caso anterior el aire no alcanza las condiciones de saturación en D sino que sale a una temperatura superior TB mientras que el líquido se obtiene a una temperatura TC sin lograr una condición de equilibrio.

La eficiencia (EF) de un dehumidificador de este tipo, se representa por:

mperatura inferior a la de rocío de la masa gaseosa, en donde el aire se enfría perdiendo calor sensible y calor latente, y el líquido aumenta su temperatura.

Las condiciones límites se alcanzan cuando la masa gaseosa se satura a la temperatura del agua. La figura 5.2 representa este proceso de dehumidificación.

Si se cuenta con una mate

.

Si no se considera el calor sensible del agua condensada, y se desarrolla un balance de energía:

(HG ) ( )ADCCA TTLH −=− (5.6)

100BA HHEF −=

DA HH − (5.7)

a.

Los desecantes sólidos en la mayoría de los casos son adsorbentes del tipo de la silica-g

acuosas de cloruro de litio, cloruro de calcio, ácido sulfúrico, etc.

En el caso de algunodiseña una rueda o una torre ,

n donde al girar para la corriente de aire, del cual adsorbe la humedad y posteriormente por una corriente de aire externo caliente, que seca el sólido regenerándose.

En el caso de los desecantes líquidos, este proceso consiste en rociar con una solución que contiene un desecante adsorbente de vapor del líquido, un serpentín refrigerante colocado en la corriente del aire a tratar, con lo cual se adsorbe la humedad. Parte de la solución se bombea continuamente hacia el regenerador en el que también por rociado sobre serpentín de calentamiento, cede humedad a una corriente de aire que lo transporte al exterior.

Existen los sistemas abiertos en donde se intercambia calor y se pierde humedad al ambiente para regenerar el desecante y poder reutilizarlo. 5.1.3.1. Ciclo de ventilación

La figura 5.3 representa un diagrama de un proceso de discos de rotación de desecantes sólidos y su representación en un diagrama picrométrico.

En este caso, el aire del cuarto se usa para regenerar la cama del desecante y el aire exterior se enfría. El aire que sale del cuarto (6) es enfriado evaporativamente (7) y se usa como el sumidero de frío para el aire de retorno seco al cuarto. Este aire de salida se calienta durante el intercambio térmico (8). Este posteriormente se calienta por medio de una fuente externa de energía (φ) para secar al desecante (9).

El des ire ambiente l cuarto (1) se seca con el desecante (2) y se enfría por el intercambio de calor (3) con el ire de salida del cuarto. Este aire ambiente secado y enfriado se enfría por enfriamiento

evapor

sible (FCS); este factor se explicará osteriormente.

Y su valor puede variar por el caso de la mezcla aire-agua entre 55 y 99%.

5.1.3 Dehumidificación por medio de substancias químicas

Este proceso de dehumidificación utiliza materiales líquidos y sólidos, llamados desecantes que tienen como función extraer el vapor del líquido de la masa gaseos

En el caso de líquidos es el proceso conocido como absorción y en el caso de los sólidos se llama adsorción, aunque el proceso de absorción utilizando sólidos.

el, carbón activado, zeolitas naturales y sintéticas, y en el caso de los líquidos de glicoles o soluciones

s sólidos con el objeto de tener un proceso continuo, se empacada o un encapsulado con material desecante sólido

e

ecante seco enfría y humidifica el aire (10). El suministro de aaa

ativo (4). Justo antes del proceso (5), el aire mezclado se introduce. Este proceso propuesto por Dunkle, mezcla aire del cuarto enfriado evaporativamente con el enfriado y secado con el objeto de controlar el factor de calor senp

F . 5.3 Secador de aire ig con el modo de funcionamiento de ventilación

usa aire fresco todo el

5.1.3.2 Ciclo de recirculación

Otro modo de funcionamiento es el de recirculación, el cual consiste de los mismos elementos que el anterior, excepto que el aire del cuarto es reacondicionado constantemente en un circuito cerrado y el aire exterior se usa para la regeneración del desecante. Este ciclo tiene la ventaja de procesar aire con una temperatura de sumidero más alta que en el proceso de ventilación aunque éste último iempo. t

Fig. 5.4 Ciclo de dehumidificación por recirculación.

.1.3.2. Ciclo Dunkle

5

El ciclo Dunkle, el cual está representado en la figura 5.5, combina las ventajas termodinámicas de los procesos de ventilación y recirculación. Este ciclo usa la ventaja de procesar aire del cuarto con una gran disponibilidad de enfriamiento y mantener la temperatura baja del sumidero del proceso de recirculación.

Figura 5.5 Ciclo Dunkle

6.0 OTROS PROCESOS DE HUMIDIFICACIÓN Y DEHUMIDIFICACIÓN 6.1 Procesos combinados de calor sensible y calor latente

Existen diferentes procesos en los cuales se combinan calentamiento y enfriamiento con procesos de humidificación y dehumidificación.

La figura 6.1 representa cuatro diferentes procesos combinados. En la figura se pueden observar los siguientes procesos:

a) Calentamiento sensible y humidificación b) Calentamiento sensible y dehumidificación c) Enfriamiento sensible y humidificación d) Enfriamiento sensible y dehumidificación

Figura 6.1 Procesos combinados

.1.1 Calentamiento con humidificación

El aire se puede calentar y humidificar simultáneamente, si se le hace pasar a través de un acondicionador, con un sistema que pulveriza el agua que se ha calentado en un intercambiador agua/vapor o simplemente mediante la inyección directa de vapor.

6

Este proceso se caracteriza por un aumento de la entalpía y de la humedad specífica del aire tratado, mientras que su temperatura final de bulbo seco puede ser enor, mayor o igual que la inicial.

Fig. 6.2 Procesos de calentamiento con humidificación.

Tres diferentes procesos. El proceso A, el agua es inferior en su temperatura a la de bulbo seco del aire a la entrada.

Los procesos B y C son transformaciones análogas en el caso que el agua pulverizada se encuentre respectivamente a una temperatura igual o mayor del bulbo seco.

.1.2 Calentamiento con dehumidificación

Cuando el aire se circula a través de un adsorbente sólido se dehumidifica y alienta simultáneamente. También como se mencionó anteriormente líquida

or liberado durante la adsorción, el proceso to adiabático.

em

6

cabsorbentes. Si no se considerara el cal

odría considerarse inverso al de enfriamienp

Figura 6.3 Proceso de calentamiento con dehumidificación.

6.1.3 Enfriamiento y humidificación

Este proceso se ha mencionado anteriormente y recibe el nombre de enfriamiento vaporativo. El agua se rocía en la corriente de aire, algo de agua evaporada incrementa l contenido de vapor de agua en el aire. El agua no evaporada se recircula

continu

Si la T del aire se mide a la entrada y salida de la unidad de acondicionamiento, se obs

Esto es debido a que la evaporación del agua requiere calor latente, el cual se

aliza a entalpía constante, ya que no se adiciona o se extrae calor de la mezcla gas-vapor.

ee

amente y además no se adiciona al proceso calor externo.

bserva que la temperatura de salida es más baja que la de la entrada sin una fuente

externa de enfriamiento. Esto indica que el calor sensible fue cedido por el aire.

obtiene del aire disminuyendo su temperatura. El proceso de enfriamiento evaporativo se re

El calor sensible decrece y el latente aumenta en la misma medida. El proceso en donde no hay un cambio en el contenido total de calor se llama adiabático.

n

aire sufre una serie de rocesos. La figura 6.5 representa el proceso de enfriamiento y dehumidificación.

uperficie ía, de B a C se lleva a cabo la dehumidificación. (Fig. 6.6) El resto del aire no se pone

en con

Figura 6.4 Enfriamiento con humidificación

6.1.4 Enfriamiento y dehumidificació

En la mayoría de los sistemas de acondicionamiento de aire, ocurre simultáneamente el enfriamiento y la dehumidificación. Esto se logra si el aire pasa por el enfriador, cuya superficie está a una temperatura inferior a la del punto de rocío. En este proceso la humedad y la temperatura disminuyen. No obstante elp

Si se supone que sólo una parte del aire se pone en contacto con la superficie fría, y que dicha parte, siguiendo el recorrido ABC, adquiere la temperatura TC de la sfr

tacto con la superficie fría y no sufre ninguna transformación. A la salida del enfriador se tiene un aire en las condiciones D, en donde se tiene el final del proceso.

Figura 6. 5 Proceso de enfriamiento y dehumidificación.

Figura 6.6 Proceso de enfriamiento y dehumidificación.

El aire desviado en aquella porción del aire que no se pone en contacto en la superficie fría y por lo tanto no sufre ningún cambio. Esto se puede representar por medio del Factor de Desvío (FD) que es la relación que existe entre la masa del aire desviado y la masa total del aire que atraviesa el enfriador.

CM

CI

TTTT

FD−−

= (6.1)

En donde: TI, TC y TM representan las temperaturas de impulsión o difusión del

aire, la del punto de rocío del aparato y la temperatura del aire mezclado y antes de entrar al enfriador. El factor de desvío depende de la superficie externa de intercambio, si la superficie disminuye el FD aumenta y al disminuir la velocidad disminuye, ya que el tiempo de contacto es mayor.

En los ciclos de climatización de aire, este se mezcla con el aire exterior y el de retorno. El aire mezclado M estará a una temperatura menor a la del exterior y algo mayor a la del retorno del cuarto. La figura 6.7 representa un sistema de acondicionamiento de aire.

Figura 6.7 Sistema de acondicionamiento de aire.

El aire de desvío a TM y el que se pone en contacto con el enfriador TD hace que el aire salga de este a un valor TI. Este aire se difunde hacia el cuarto a acondicionar donde elimina las distintas cargas internas sensibles y latentes, para mantenerla a T y Y estables. Esa masa adquiere las condiciones existentes en el local. Posteriormente una determinada cantidad de ese aire, será llevado hacia el equipo donde se mezcla con el aire exterior, produciendo el ciclo de climatización. La fig. 6.8 representa el ciclo de climatización.

El estad interiores del cal se representa por (L). El segmento (IL) representa la evolución del aire en el interior

o I representa el estado de aire impulsado y las condicioneslo

del local y se llama recta del factor de calor sensible (FCS) del local total, donde el calor total es la suma del calor sensible y el calor latente:

SQQ

TLS QQ=S

CS QF

+= (6.2)

El factor de calor sensible del cuarto (FCSC), es la relación ante el calor sensible del cuarto

Figura 6. 8 Ciclo de acondicionamiento de aire.

y el calor total del cuarto.

TC

SCCSC Q

QF = (6.3)

El factor de calor sensible total (FCST) es la relación entre el calor sensible total que

e elimina en el enfriador, y la suma del calor sensible también eliminados en el enfriador. s

LS

STCST QQ

QF

+= (

La pendiente de la recta (IL) nos da la relación entre las cargas de calor sens

latente del loca

6.4)

ible y l. Entonces, si el flujo de aire difundido es suficiente para compensar estas

argas, se mantendrán las condiciones de humedad relativa y temperatura fijadas para el local, sc

iempre que las condiciones de (I) correspondan a un punto sobre esta recta.

El paro del aire a través del enfriador produce variaciones en la temperatura y/o humedad absoluta. Estas variaciones dependen de las cargas totales de calor sensible y

tal que el equipo acondicionador debe desarrollar. Veamos ahora el proceso (MI) y se observa un análisis similar al de FSCL, en donde éste ocurre en condiciones totalmente diferentes. De M a I aire e enf a y de umid ca, m ntras ue de I a L calienta y humidifica. Se observa que para trazar tanto la recta FCSL y FCST no es

ecesario conocer las condiciones del aire que se difunde, ya que para trazar la recta FCSL puede realizar conociendo su valor y las condiciones interiores del local, y para trazar

la del F

En el diagrama psicométrico, la escala FCS está a la derecha de la escala.

Si necesitamos trazar la recta FCSL

1. Situar el punto (L) en el diagrama. 2. Localizar el punto de referencia, el que se obtiene con HR=50% y una recta

paralela al eje de las abscisas hasta el valor de FCS =1. 3. Desde ese punto, unir con una recta el valor de FCSC, leído en la escala FCS. 4. La recta del FCSL considerado, será paralela a la recta anteriormente trazada y

pasará por L. De forma similar se puede trazar la recta FCST

Figura 6. 9 Cálculo gráfico de las pendientes de FCSL y FCST.

to

el s rí h ifi ie q el aire se

nse

CST se necesitará conocer su valor y las condiciones del aire mezclado.

BIBLIOGRAFÍA 1. Robert E. Treybal, Mass Transfer Operations, Part two 7. Humidification operations,

2ª. Edicion, McGraw-Hill, 1955. 2. Perry, Chemical Engineer´s Handbook, 6 th. Ed. 3. J. Ocón y G. Tojo B. Problemas de Ingeniería Química, Tomo I, Cap. 4.

Humidificación, 1968. 4. A. Valiente, Cap. 2, Operaciones aire –agua, Métodos de Producción de Frío,

Programa Universitario de Alimentos, UNAM, México, 1993.