Industrias
II
Secado
Aire Húmedo
Jefe de Trabajos Prácticos: Ing. Kimmich, Ricardo Conrado
Facultad de Ingeniería
UNLZ
Secado
– Aire húmedo
Definición:
Aire y vapor de Agua
Humedad absoluta y relativa
Temperaturas B. S. Y B. H. - Punto de rocío.
Diagrama Psicrométrico:
Su construcción.
Evoluciones en el diagrama
Psicrométrico:
1. Intercambio de calor sensible entre aire y
agua.
2. Calefacción
3. Calefacción y humidificación.
4. Refrigeración
5. Refrigeración y Deshumidificación.
6. Precalentamiento y Humidificación
7. Deshumidificación Química
8. Mezclas de aire húmedo.
El
Aire y sus propiedades
El aire
atmosférico está constituido por una mezcla de gases, de los cuales en mayor
proporción se encuentran el nitrógeno, el oxigeno y el vapor de agua.
Para los
fines de este estudio, interesa fundamentalmente considerar al aire húmedo como
una mezcla de dos gases solamente, el gas aire
y el gas comúnmente llamado vapor de
agua o sea agua al estado gaseoso.
Esta mezcla ofrece la particularidad de que sí bien ambos gases son
perfectamente miscibles la cantidad de vapor de agua que puede estar
incorporada al aire es limitada.
Cuando el
aire contiene la máxima cantidad de vapor de agua para una temperatura
determinada, se dice que el aire está saturado.
En ese estado, cualquier vapor adicional de vapor de agua que se agregue
precipitará en estado líquido.
Se llama humedad absoluta del aire a la cantidad
en peso de agua que contiene la unidad en peso del aire y se mide generalmente
en gramos de agua por kilogramo de aire
seco.
A su vez,
la Humedad relativa del aire es una
relación entre la cantidad en peso, de vapor de agua que contiene el aire a una
determinada temperatura y la que es capaz de contener, si estuviera saturado a
esa misma temperatura. Su valor, medido en porcentaje, varía del 0%, al 100%
que corresponde al estado de saturación.
A su vez
debemos definir dos tipos de temperatura para el aire. Para ello se
recurre a un pequeño aparato llamado
psicrómetro que contiene dos termómetros comunes.
El bulbo de
uno de ellos está envuelto en un paño embebido en agua. Al agitar el conjunto
en la corriente de aire se observa que mientras la columna mercurial del
termómetro mojado comienza a descender, la indicación de temperatura del
termómetro descubierto permanece constante.
Figura Nº 1
Llega un
momento en que se detiene la marca del termómetro húmedo y en ese instante la
lectura del mismo indica un valor menor
que el inicial.
Esta
lectura registra la Temperatura de Bulbo
Húmedo del aire, y nos revela la temperatura de aire atmosférico en el
estado de saturación.
La marca
que permaneció constante, mide la Temperatura
de bulbo Seco, del aire, que es la temperatura que conocemos y aplicamos
comúnmente.
Definimos
ahora la Temperatura de Rocío o "Punto de Rocío" del aire.
Si tomarnos
una masa de aire húmedo a una determinada temperatura y por medio de un
elemento refrigerador (una serpentina recorrida por agua fría, por ejemplo) la
enfriamos, llegará un momento en que de la masa de aire comenzarán a
desprenderse pequeñas cantidades de agua al estado liquido.
La
temperatura correspondiente a este estado de precipitación, es la llamada Temperatura de rocío del aire y como a
esa temperatura se ha producido una condensación, es evidente que el aire en
esta condición se encuentra saturado.
Debe
destacarse que en el estado de saturación, coinciden las temperaturas de bulbo
seco, húmedo y de rocío.
Calor Sensible: es el calor empleado para variar la
temperatura de una sustancia cuando se le agrega o extrae calor.
Calor Latente: es el
calor que sin variar la temperatura, es necesario agregar o sacar a una
sustancia para el cambio de su estado físico
Calor total: es la suma del calor sensible y del latente de
una sustancia, entre un punto de referencia y el estado considerado.
Diagrama Psicrométrico
Si en un
diagrama cartesiano ubicamos en abscisas las temperaturas de bulbo seco del
aire, en ordenadas la humedad absoluta y determinamos la temperatura de rocío
que corresponde a cada valor de la humedad absoluta, podemos trazar una curva
de saturación para los distintos estados del aire.
Dividiendo
luego cada isoterma (recta de temperatura constante) en diez partes iguales por
debajo de la curva de saturación y uniendo los puntos correspondientes,
obtenemos las curvas de humedad relativa constante que, como sabemos, se
expresa generalmente en porcentaje. Así asignamos a la de saturación el valor
100% de humedad relativa y como hemos trazado diez curvas tendremos valores
decrecientes del 90% - 80%, etc.
Sobre la
base de las lecturas de un psicrómetro o aplicando fórmulas matemáticas
deducidas de un balance energético de la masa de aire, podemos trazar sobre el
diagrama las temperaturas de bulbo húmedo de aire para distintos estados, que
resultan líneas rectas paralelas e inclinadas cuyos valores en la curva de
saturación coinciden con los de temperatura de bulbo seco de igual valor, como
ya se dijo.
El diagrama
resultante se denomina PSICROMÉTRICO ver Figura 2.
Es
necesario aclarar que este diagrama varía con la presión atmosférica reinante,
siendo común la utilización del mismo para una presión normal de 760 mm. de
mercurio.
Figura Nº 2
El diagrama
psicrométrico es una herramienta de incalculable valor para el estudio de una
serie de problemas que se presentan en aire acondicionado. Su utilización
permite vislumbrar en forma rápida y sin error apreciable todas las evoluciones
que puede sufrir una masa de aire al ser calentado, enfriado, humidificado,
etc.
También
proporciona valores de su temperatura y humedad, permite analizar problemas de
mezclas de masas de aire en distintos estados, fija el valor total o entalpía
del aire en una determinada condición y permite interpretar su evolución al
atravesar una serpentina de refrigeración, al ser inyectado en un local, al
mezclárselo con agua o ponérselo en contacto con sustancias higroscópicas, etc.
Su
conocimiento exhaustivo es condición fundamental para todos aquellos que
incursionan en el campo del aire acondicionado y es nuestro propósito detallar
en este trabajo, en forma somera, sus principales aplicaciones.
Antes de comentar cada caso en particular es necesario
destacar que en el diagrama psicrométrico de uso práctico, como podrá
observarse en la figura 2, que muestra una carta confeccionada por Fedders/bgh,
se ha volcado también los calores totales en Calorías/hora de la masa unitaria de
aire.
Ello se ha
hecho sobre una escala dispuesta paralelamente a la curva de saturación, para
mejor disposición del dibujo y además porque los valores de Calor total o
entalpía del fluido pueden obtenerse como prolongación de las líneas de
temperatura de bulbo húmedo constante ya que puede demostrarse, que una
evolución del aire a bulbo húmedo
constante es también, una evolución isoentálpica (entalpía constante).
Esto se
verá mejor al explicarse el proceso de humidificación del aire.
En la línea
de abscisas se ha diagramado también, sobre una escala los valores de Calor
Sensible del aire o sea el calor que la masa de aire contiene debido
exclusivamente a su temperatura.
Se ha
fijado también en la escala de ordenadas el Calor Latente del aire, en función
de la masa de vapor de agua que contiene (por ello se lo ha hecho coincidir con
la escala de humedad absolutas). En este
caso se lo ha llamado Calor total de agua queriendo significar con ello que
los cambios en el Calor Latente del
aire dependen exclusivamente de las variaciones de la masa de vapor de agua
contenida en dicho aire.
Por último
se observan superpuestas en el diagrama unas líneas inclinadas que indican los
valores del volumen especifico del aire en m3/Kg. para diferentes
estados de temperatura y humedad.
Evolución del aire en
el diagrama psicrométrico
El aire puede ser sometido a cuatro
procesos básicos que modifican su estado físico. Ellos son: calentamiento,
enfriamiento, humidificación y deshumidificación.
Los dos primeros modifican su
temperatura, los otros dos varían el contenido de vapor de agua presente en el
aire.
Claro está que de acuerdo al método
elegido para modificar la temperatura, se producirá o no al mismo tiempo una
variación en la humedad absoluta y viceversa.
En la
figura 3 se han esquematizado todos los procesos posibles que pueden ser
analizados en la carta psicrométrica, indicando el sentido de la evolución a
partir de un estado inicial representado por el punto 0.
Una masa de
aire en determinadas condiciones de estado físico puede representarse en el
diagrama psicrométrico por medio de un punto.
Para ello
basta definir dos parámetros de ese estado físico. Generalmente se utiliza la
temperatura de bulbo seco y la de bulbo húmedo.
Figura Nº 3
Podemos
observar en la figura 4 que el punto A indica el estado de una masa de aire que
tiene una temperatura de bulbo seco de 25 ºC y una temperatura de bulbo húmedo
de 19 ºC.
Si esta
masa es tratada va pasando por distintos estados de temperatura y humedad que
puede representarse en el gráfico por medio de una línea en la cual cada punto
indica un estado intermedio. El extremo de una línea indica el estado físico
final a que ha llegado esta masa de aire al termino de su tratamiento.
Así, en la
figura 4 se ha indicado una evolución en la que el aire pasa del estado inicial
A al final B en el que ahora sus temperaturas de bulbo seco y húmedo son 16 ºC
y 15 ºC respectivamente. Es decir se ha producido un enfriamiento de la masa de
aire. Al mismo tiempo debe observarse que ha disminuido ligeramente la humedad
absoluta y ha aumentado su humedad relativa alcanzando el valor del 90%.
Este
proceso, que pudo haber tenido lugar al atravesar el aire un serpentín de
refrigeración, produjo el enfriamiento del mismo y su deshumidificación.
De igual
manera puede representarse cualquier evolución en el diagrama.
Figura Nº 4
Calentamiento
Cuando una masa de aire al estado A
(por ejemplo 0 ºC B. S. y 90 % H. R.) es calentada por medio de una serpentina
de caños de hierro dentro de la cual circula vapor, se produce un aumento del
calor sensible con la consiguiente elevación de temperatura. Dado que el calentamiento es indirecto o sea no
existe incorporación o disminución de vapor de agua en el aire, la evolución se
produce sobre una línea de humedad
absoluta constante, llegando a calentarse el aire hasta las condiciones
fijadas en el punto B (20ºC B. S. y 30 % H. R.)
Figura Nº 5
Enfriamiento
Si hacemos pasar la masa de aire a
través de una serpentina por la cual circula, por ejemplo, agua fría y la
temperatura de agua es igual o superior
a la del punto de rocío del aire, tendremos una evolución como la A-B de sentido
inverso a la anterior. Aquí ha disminuido la temperatura del aire, sin que
tenga lugar una condensación del vapor de agua.
Por lo tanto sólo hemos quitado
calor sensible al aire y nuevamente la evolución se traza sobre una recta para
lela al eje de las abscisas pues no ha habido variación en al humedad absoluta
del aire.
Figura Nº 6
Nótese que
en ambos casos descriptos, si bien la humedad absoluta del aire ha permanecido
constante no ha sucedido lo mismo con su humedad relativa.
Puede
apreciarse en los diagramas que en el caso del calentamiento, ha disminuido la
H. R. del aire. Este fenómeno tiene mucha importancia en las instalaciones de
aire acondicionado realizadas en zonas muy secas, pues para evitar la humedad
relativa baja proveniente del clima y agravadas por la Calefacción en la época
invernal se hace necesario acompañar el calentamiento con una adecuada
humidificación del aire.
En el caso
del enfriamiento, la humedad relativa del aire ha aumentado y si la serpentina
tiene la suficiente capacidad de refrigeración, el aire puede llegar a salir
saturado de la misma, es decir, con un 100% de H. R.
En este
punto conviene especificar que cuando se habla de humidificación o
deshumidificación de aire, ambos conceptos se refieren a los cambios en la
humedad absoluta del aire o sea al contenido de vapor de agua en su masa,
variando la humedad relativa de acuerdo al proceso.
Puede
deducirse del estudio de las evoluciones en el diagrama psicrométrico que en
algunos casos puede deshumidificar, el aire aumentando al mismo tiempo su
humedad relativa y viceversa.
Calentamiento
y Humidificación
Ya vimos
que el calentamiento indirecto solamente provoca un aumento de calor sensible
en el aire con la consiguiente elevación de temperatura.
En el caso
de querer calentar aire y aumentar al mismo tiempo su humedad absoluta
(humidificación) se puede recurrir entre otros a un equipo “lavador de aire”
que consiste en una batería de toberas que rocían agua sobre el aire que las
atraviesa.
El agua
debe ser calentado en forma permanente por una fuente externa (por ejemplo
resistencia eléctrica sumergida en una batea), a fin de suministrar el calor
necesario para entregar calor sensible al aire y elevar su temperatura. Al
mismo tiempo, la masa de aire incrementará su humedad absoluta debido a la
incorporación de una cantidad de agua que, al evaporarse y mezclarse con el
aire, incorporado al sistema una cantidad de calor latente de vaporización que
puede registrarse en el diagrama midiendo sobre la escala correspondiente de la
derecha la diferencia de Calor total del Agua entre los estados inicial y
final.
Figura Nº 7
Como puede
verse en la figura 7 el punto A representa el estado inicial del aire al
ingresar al aparato lavador. El punto B indica las condiciones de salida del
aire de dicho aparato.
Se puede
apreciar entonces que se ha producido un aumento de temperatura (de 26ºC a
30ºC) con el consiguiente incremento de Calor sensible que en este caso resulta
de 1 Caloría por kg. de aire seco (A: 6,3 Cal/Kg. en B: 7,3 Cal/Kg.).
Simultáneamente
aumentó la humedad absoluta del aire, de 10,5 gramos de agua por Kg. de aire
seco a 22 gr./Kg. A este aumento correspondió un incremento de Calor latente
del sistema que fue de 7 Calorías por Kg. de aire seco ( 6,3 Cal/Kg., en A a
13,4 Cal/Kg. en B).
Con este
proceso hemos entonces calentado el aire y al mismo tiempo lo hemos
humidificado.
El Punto C
representa la temperatura del agua, en este caso 35ºC, que deja el lavador.
Este punto puede representarse sin
error sobre la curva de saturación del aire teniendo en cuenta que si el
intercambio calórico hubiese sido perfecto, el aire saldría del rociador
completamente saturado y con la misma temperatura del agua.
La
aproximación del punto B al C depende de la eficiencia del equipo lavador que a
su vez es consecuencia de sus características constructivas.
Debe
agregarse por último que otro procedimiento común para provocar el
calentamiento y humidificación de una masa de aire, consiste en incorporarle
una cantidad adecuada de vapor que puede ser generado en una caldera o
provocado por otra fuente térmica (resistencia eléctrica).
Enfriamiento
y Deshumidificación
Este
proceso es típico en instalaciones de aire acondicionado en las que se utilizan
serpentinas de expansión directa para enfriar el aire e inyectarlo luego frío y
deshumidificado a los ambientes climatizados.
Se puede diagramar la evolución del aire según se indica en
la figura 8. La condición inicial es la representada por el punto A en que el aire
ingresa en el equipo acondicionador y se pone en contacto con la serpentina de
evaporación. La temperatura de bulbo seco del aire es de 28ºC y su humedad
relativa es del 60%.
Como el
refrigerante que circula por la serpentina está evaporándose a una temperatura
menor que la del "punto de rocío" del aire, es indudable que además
de producirse un enfriamiento, la masa de aire se deshumidifica o sea
disminuirá su humedad absoluta.
En efecto,
la baja temperatura de la superficie externa de la serpentina producirá una
sensible disminución de la temperatura
del aire y al mismo tiempo provocará una condensación de parte del vapor de
agua que contenía. El agua, al estado líquido, se separará de la masa de aire y
chorreando por la serpentina se recogerá en la bandeja de condensado que forma
parte del equipo acondicionador.
Figura Nº 8
Considerando
los valores indicados en el diagrama tenemos que la temperatura del aire
disminuyo en 11ºC; (de 28ºC a 17ºC). El calor sensible quitado al aire puede
leerse en la escala de abscisas y es del orden de 2,6 Cal/Kg.
Simultáneamente
disminuyó la humedad absoluta del aire en 3 gramos por Kg. de aire seco y por
ende se produjo también una disminución del Calor latente del sistema que llegó
a ser de 2 Cal/Kg. Este calor latente se desprendió de la masa de agua para
permitir su condensación y como en el caso del Calor sensible, fue absorbido
por el gas refrigerante de la serpentina.
La
evolución sufrida por el aire al pasar del estado inicial A al estado final B
se puede graficar en el diagrama psicrométrico uniendo mediante una recta los
puntos representativos del estado inicial y final del aire.
El proceso
de enfriamiento y deshumidificación es el inverso del que se detalló en el apartado
anterior y como en éste, el estado final del aire representado por el punto B,
depende, entre otros factores, de las características de la unidad evaporadora
y también de la velocidad de pasaje del aire a través de ella.
Si la
eficiencia del intercambio hubiese sido perfecta, el aire abandonaría la
serpentina en estado de saturación. En nuestro ejemplo la condición de salida
tendría que estar representada por el punto C (fig.8).
Para los
cálculos comunes de acondicionamiento del aire, puede suponerse que la humedad
relativa en el estado final es del orden del 90-92%
Precalentamiento
y Humidificación
Se puede
lograr empleando diferentes medios. Uno de ellos consiste en calentar el aire
(manteniendo su humedad absoluta constante) y luego, hacerlo pasar a través de
un lavador con agua recirculada.
Este caso es el que muestra la fig. 9 y se ve que de A a B
el aire fue calentado haciéndolo pasar por una serpentina de vapor o agua
caliente, a través de placas intercambiadoras de calor (gases de combustión -
aire) o utilizando baterías de resistencias eléctricas, y luego se lo ha
humidificado empleando para ello toberas pulverizadoras de agua (transformación
B-C).
La
transformación A-B es a humedad absoluta constante.
La
transformación B-C es a entalpía constante (en la práctica a temperatura de
bulbo húmedo constante).
Figura Nº 9
Otros de
los medios empleados consisten en utilizar una resistencia eléctrica sumergida
en una bandeja y lo que es menos frecuente inyectando en la corriente de aire,
vapor o agua caliente. Este camino es el que puede emplearse en todas aquellas
instalaciones en donde existe disponibilidad de vapor o agua caliente.
La figura
10 muestra la evolución del aire entre el estado inicial y final en caso de
utilizarse este último procedimiento.
Figura Nº 10
Deshumidificación Química
Se utilizan sustancias que absorben
humedad. El calor latente que proviene de la condensación del agua se convierte
en calor sensible, aumentando la temperatura del aire.
La evolución es a temperatura de
bulbo húmedo constante.
Figura Nº 11
Mezcla
de dos cantidades de Aire Húmedo
En los sistemas de
acondicionamiento, generalmente se mezclan dos masas de aire húmedo.
Una de ellas es aire húmedo recirculado o de retorno proveniente del aire que fue
inyectado al ambiente y la otra aire exterior.
Puede recircularse todo el aire o
emplear totalmente aire exterior. Lo habitual es recircular el 75 al 80% del
aire inyectado y simultáneamente introducir entre el 25 y 20% de aire exterior,
valor éste que debe concordar fundamentalmente con las normas de ventilación
requeridas según el destino y ocupación del ambiente acondicionado.
Figura Nº 12
El aire
exterior, representado en la figura 12 por el punto A, se mezcla con el aire de
la habitación o local, representado por el punto B, la condición de la mezcla
resultante se encontrará en algún lugar de la línea recta que une estos dos
puntos.
Si la cantidad
de aire exterior es igual a la cantidad de aire recirculado, el punto
representativo de la mezcla estará en el centro de la línea y equidistante de A
y B.
Si la mayor
parte de la mezcla es de aire recirculado (punto B), la condición representativa
de la misma estará en un punto situado más cerca de B que de A.
Ejemplo: Supongamos que para un caudal total CM=
50 m3/min, la cantidad de aire exterior tomado es CA= 10
m3/min, resulta entonces que el aire recirculado será CB=
40 m3/min.
Expresado
en porcentaje será:
%
AE = 20% (aire exterior)
%
AR = 80% (aire recirculado)
Si lo
expresamos gráficamente, el punto representativo de la mezcla estará sobre la línea A-B y a una
distancia:
MB
= 0,2 x AB (distancia entre M y B)
MA
= 0,8 x AB (distancia entre M y A)
Los
parámetros característicos que definen la condición del punto M, por ejemplo
temperatura seca, humedad absoluta y entalpía pueden calcularse analíticamente
haciendo intervenir los porcentajes ya vistos.
Ejemplo: Supongamos las siguientes condiciones:
|
TBSA = 35ºC |
XA = 14 gr/kg |
|
TBSB = 25ºC |
XB = 10 gr/kg |
|
TBSM
= %Ax TBSA + %B x TBSB |
XM
= % A x XA + % B x XB |
|
TBSM = 0,2 x 35ºC + 0,8
x 25ºC |
XM = 0,2 X 14 gr/kg
+0,8 x 10 gr/kg |
|
TBSM
= 27ºC |
XM
= 10,8 gr/kg |
Donde A = aire exterior B = aire recirculado M = aire de mezcla