Normalmente al hablar de humidificación se hace
referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua; en lo
que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas
constituidas por un gas y un vapor las ecuaciones que indicaremos
a continuación.
Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con
las leyes de los gases ideales, la presión total ejercida
por la mezcla será igual a la suma de la presión
parcial del gas y de la presión parcial del vapor; o
sea:
Es decir, la fracción molar es igual a la
composición en volumen.
A continuación definiremos los conceptos
involucrados en la operación de humidificación,
así como también se presentaran ejemplos
prácticos por cada concepto según
corresponda.
-
Humedad molar o saturación
molar
Es la relación entre los números de moles
de vapor y de gas contenidos en una determinada masa
gaseosa.
-
Humedad absoluta o saturación
absoluta
Es la relación entre el peso de vapor y el peso
de gas contenido en una masa gaseosa
Siendo Mv y Mg las masas moleculares del
vapor y el gas.
Para el caso de la mezcla aire – agua, el
contenido en humedad se define como la masa de vapor de agua por
unidad de masa de aire seco. Las unidades en que se expresan el
contenido de humedad son kg de agua/kg aire seco. Es así
que tomando para el aire un peso molecular medio igual a 29,
tendremos:
En una mezcla de vapor de tolueno y nitrógeno a
80º C y 740 mm de Hg, la presión parcial del tolueno
es 150 mm de Hg. Calcúlese la concentración de
tolueno:
-
a. en fracción molar
-
b. en saturación molar
-
c. en saturación absoluta
Peso molecular del tolueno = 92
Peso molecular del nitrógeno = 28
Solución:
-
Humedad relativa o saturación
relativa
La humedad relativa (f), es un
término utilizado para expresar la cantidad de humedad en
una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad
de humedad que el aire tendría, estando totalmente
saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad
relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%, 30%,
etc.
Es el cociente entre la presión parcial del vapor
y la tensión de vapor a la misma temperatura.
-
Humedad porcentual o saturación
porcentual
La humedad porcentual, es un término que algunas
veces se confunde con la humedad relativa. La humedad porcentual,
es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el
peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de
aire seco a la temperatura del bulbo seco.
Es la relación entre la humedad existente en la
masa gaseosa y la que existiría si estuviera
saturada.
Una mezcla aire – vapor de agua contiene el 24 %
en volumen de vapor de agua, a 70º C y 750 mmHg.
Calcúlese la humedad relativa y la humedad
porcentual.
Solución: La presión parcial del
vapor de agua será:
Pv = 0,24 x 750 = 180 mmHg
La tensión de vapor a 70º C (dato de tablas)
es 233, 7 mmHg.
La humedad relativa será:
El punto de rocío se define como: la temperatura
debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a
condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La
humedad relativa de una muestra de aire, puede determinarse por
su punto de rocío.
Es la temperatura que alcanza la masa de gas
húmedo en la saturación por enfriamiento a
presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si
se continua enfriando la mezcla se ira condensando el vapor,
persistiendo las condiciones de saturación.
Tabla Nº 02. Temperatura de superficie a las que
habrá condensación
-
Volumen especifico del gas
húmedo
Es el volumen ocupado por la mezcla que
contiene 1 kg de gas, y viene dado por
-
Calor especifico del gas
húmedo
Es el calor que hay que suministrar a 1 kg de gas y al
vapor que contiene para elevar 1º C su temperatura,
manteniendo constante la presión.
Es la suma del calor sensible de 1 kg de
gas, y el calor latente de vaporización del vapor que
contiene a la temperatura a la que se refieran las
entalpías.
La presión parcial del vapor de agua en una masa
de aire húmedo a 30º C y 740 mmHg es 14 mmHg.
Calcúlese:
-
a. El punto de rocío.
-
b. La humedad absoluta.
-
c. El calor especifico.
-
d. El volumen especifico.
-
e. La entalpía especifica.
Solución: a. En las tablas
de vapor de agua encontramos que la tensión de vapor de
agua es de 14 mmHg a 16, 4º C; por tanto, al enfriar la masa
de aire húmedo en las condiciones del problema hasta
16,4º C, se alcanzan las condiciones de saturación, y
será esta su temperatura de rocío.
-
Temperatura húmeda o temperatura del
termómetro húmedo
Es la temperatura estacionaria que alcanza una
pequeña masa de líquido sumergida, en condiciones
adiabáticas, en una corriente de aire, figura 8.1. La
temperatura de termómetro húmedo se determina a
partir del siguiente ensayo. Se recubre el bulbo de un
termómetro con un algodón empapado con el
líquido del vapor presente en el gas, a
continuación se hace pasar a su alrededor una corriente de
gas no saturado a alta velocidad. Parte del líquido se
evapora, por lo que va descendiendo la temperatura del
líquido, que al ser inferior a la del gas, tiene lugar una
transmisión de calor desde el gas al
líquido.
En el equilibrio, la transmisión de calor desde
el gas, es igual al calor necesario para vaporizar el
líquido en contacto con el bulbo. La temperatura que marca
el termómetro es la temperatura húmeda. La
velocidad con que se alcanza este punto depende de la temperatura
inicial y de la velocidad de flujo del gas sobre la superficie
líquida. La temperatura y humedad del gas
prácticamente no se altera.
Figura Nº 1. Fenómeno del
termómetro de bulbo húmedo
Es la temperatura límite de enfriamiento
alcanzada por una pequeña masa de líquido en
contacto con una masa mucho mayor de gas
húmedo.
Puede determinarse a partir de una de las relaciones
siguientes:
Sus valores para mezclas de aire con diferentes vapores
son:
Tabla Nº 03. Valores para mezclas de aire con
diferentes vapores
Agua…………………...
Metanol………………..
Etanol………………….
Propanol……………….
Butanol………………... |
0,222
0,293
0,345
0,373
0,412
|
Sulfuro de
carbono………………
Benceno………………………….
Acetato de
etilo………………….
Tolueno………………………….
Clorobenceno……………………. |
0,359
0,400
0,412
0,415
0,453
|
Fuente: Ocon y Tojo, (1980).
-
Temperatura de saturación
adiabática
En el sistema anterior ni la humedad ni la temperatura
del gas cambian apreciablemente. Sin embargo, si el gas pasa
sobre el líquido con una velocidad tal que el tiempo de
contacto es suficiente para que se establezca el equilibrio, el
gas se satura y alcanzan la misma temperatura, la cual se conoce
como temperatura de saturación adiabática. En este
sistema, por estar aislado, el calor sensible que pierde el gas
es igual al calor latente del líquido
evaporado.
Las condiciones anteriormente descritas se alcanzan en
una columna de humidificación, térmicamente aislada
de altura infinita; a través del cual un gas de
temperatura y humedad iniciales determinadas, fluye en
contracorriente con el líquido. La diferencia de
temperatura y humedad son máximas en el fondo y
mínimas en la cima de la columna; la velocidad de
transferencia de calor y de materia disminuye progresivamente
desde el fondo hasta la cima de la torre.
En la figura Nº 2, se ilustra el proceso de
saturación adiabática a través de dos
esquemas diferentes pero con el mismo significado. El calor de
vaporización del líquido procede del calor sensible
del gas, la temperatura del gas desciende desde ? a ?s y la
humedad crece de H a Hs; como queda reflejado en la
siguiente ecuación (s es cte. para pequeñas
variaciones de H).
(?-?s)s=(Hs-H)? ó
(H-Hs)=-(s/?)(?-?s)
La ecuación muestra una relación lineal
entre la humedad y la temperatura para todas las mezclas de gas y
vapor que tengan la misma temperatura de saturación
adiabática. Estas curvas para gases con una determinada
temperatura de saturación adiabática se conocen
como línea de enfriamiento
adiábatico.
Figura Nº 2. Temperatura de
saturación adiabática. A: cámara de
pulverización; B: bomba de circulación; C:
pulverizadores. (Abajo).
Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando
se pone en contacto con un líquido en condiciones
adiabáticas. Se denomina por medio de la
expresión:
Para el caso aire – vapor de agua de la
temperatura húmeda y el de la temperatura de
saturación adiabática prácticamente
coinciden, y nosotros tomaremos indistintamente una u
otra.
Las tensiones de vapor del etanol a
diversas temperaturas son las siguientes:
Tabla Nº 04. Valores de
tensión de vapor del etanol a diversas
temperaturas.
T, º C
|
P, mmHg
|
T, º C
|
P, mmHg
|
0
5
10
15
20
25
|
12,2
17,3
23,6
32,2
43,9
59,0
|
30
35
40
45
50
55
|
78,8
103,7
135,3
174,0
222,2
280,6
|
Fuente: Ocon y Tojo, (1980).
Calcúlese:
-
a. Las humedades de
saturación a 10º C, 20º C, 25º C,
30º C y 40º C para la presión total de 1
atm.
-
b. Las humedades absolutas para
las condiciones de a si la humedad relativa es de
30%.
-
c. La temperatura humedad a
50º C si la humedad relativa es del 30 %.
-
d. La temperatura de
saturación adiabática en las condiciones de c,
tomando para el calor especifico del etanol, como vapor, el
valor de 0,345 kcal/kg.º C.
Solución:
Los valores calculados para las distintas
temperaturas son:
T, º C
|
10
|
20
|
25
|
30
|
40
|
50
|
Y, kg etanol/kg aire
|
0,0508
|
0,0972
|
0,1335
|
0,1834
|
0,3436
|
0,6553
|
Y los resultados calculados son:
T, º C
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
Y, kg etanol/kg aire
|
0,0149
|
0,0280
|
0,0509
|
0,0895
|
0,1526
|
Hemos de resolver esta ecuación por
tanteo, teniendo en cuenta que Yw es la humedad de
saturación a la temperatura tw.
1. er tanteo: temperatura supuesta
tw = 25º C. Para esta temperatura el valor de ? w
determinado en la grafica (tabla A-12, tomado de Ocon y Tojo,
1980) es 238 kcal/kg, y el valor calculado para Yw es:
A esta humedad le corresponde la
temperatura tw de 30,3º C (por extrapolación de los
datos del apartado a).
Diagrama
psicrométrico o diagrama de humedad
El diagrama psicrométrico permite la
obtención mediante lectura directa de la mayoría de
las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua que son
necesarias en los cálculos a realizar en la
operación de humidificación, para una
presión determinada.
En la figura Nº 3, se muestra una carta
psicrométrica básica. Está hecha con datos
basados a la presión atmosférica normal de 101.325
kPa, y las unidades son las del Sistema Internacional, S.I. Las
temperaturas están en grados centígrados; el
volumen en m³/kg; la humedad relativa en porcentajes; el
contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y la
entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire
seco. Un kJ/kg = 0.239 kcal/kg = 0.430 btu/lb.
En una carta psicrométrica se encuentran todas
las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia
son las siguientes:
-
1. Temperatura de bulbo seco
(bs).
-
2. Temperatura de bulbo
húmedo (bh).
-
3. Temperatura de punto de
rocío (pr)
-
4. Humedad relativa
(hr).
-
5. Humedad absoluta
(ha).
-
6. Entalpía
(h).
-
7. Volumen
específico.
Conociendo dos de cualquiera de estas
propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de
la carta.
A continuación se muestra la carta
psicrométrica para valores de temperaturas normales y una
presión de 1 atm. Dejando en claro que existen cartas
psicrométricas de mayor amplitud de lectura.
Figura Nº 3. Carta
psicrométrica a temperaturas normales y presión
barométrica de 101.325 kPa (al nivel del mar). Las
unidades están en el sistema internacional
(SI).
-
Temperatura de Bulbo Seco.- En primer
término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya
sabemos, es la temperatura medida con un termómetro
ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte
baja de la carta, según se muestra en la figura
Nº 4.
Las líneas que se extienden verticalmente, desde
la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman
líneas de temperatura de bulbo seco constantes, o
simplemente "líneas de bulbo seco". Son constantes porque
cualquier punto a lo largo de una de estas líneas,
corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la
escala de la parte baja. Por ejemplo, en la línea de
40º C, cualquier punto a lo largo de la misma, corresponde a
la temperatura de bulbo seco de 40º C.
Figura Nº 4. Líneas de
temperatura de bulbo seco º C.
-
Temperatura de Bulbo Húmedo.- Es la
segunda propiedad del aire de nuestra carta
psicrométrica. Corresponde a la temperatura medida con
un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se
explicó en la sección anterior, es la
temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la
mecha, que cubre el bulbo de un termómetro
ordinario.
La escala de temperaturas de bulbo húmedo, es la
que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva
de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura
Nº 5. Las líneas de temperatura de bulbo
húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo,
corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia
abajo, en un ángulo de aproximadamente 30o de la
horizontal. También se les dice constantes, porque todos
los puntos a lo largo de una de estas líneas, están
a la misma temperatura de bulbo húmedo.
Figura Nº 5. Líneas de
temperatura de bulbo húmedo º C.
-
Temperatura de Punto de Rocío.- Es
otra propiedad de aire incluida en una carta
psicrométrica. Esta es la temperatura a la cual se
condensará la humedad sobre una superficie. La escala
para las temperaturas de punto de rocío es
idéntica que la escala para las temperaturas de bulbo
húmedo; es decir, es la misma escala para ambas
propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura
de punto de rocío, corren horizontalmente de izquierda
a derecha, como se ilustra en la figura 13.14, no en forma
diagonal como las de bulbo húmedo (ver figura Nº
6).
Cualquier punto sobre una línea de punto de
rocío constante, corresponde a la temperatura de punto de
rocío sobre la escala, en la línea curva de la
carta.
Figura Nº 6. Líneas de
temperatura de punto de rocío º C.
-
Humedad Relativa.- En una carta
psicrométrica completa, las líneas de humedad
relativa constante, son las líneas curvas que se
extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan
siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada
línea.
Como ya hicimos notar previamente, la temperatura de
bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío,
comparten la misma escala en la línea curva a la izquierda
de la carta. Puesto que la única condición donde la
temperatura de bulbo húmedo y el punto de rocío,
son la misma, es en condiciones de saturación; esta
línea curva exterior, representa una condición de
saturación o del 100% de humedad relativa. Por lo tanto,
la línea de 100% de hr, es la misma que la escala
de temperaturas de bulbo húmedo y de punto de
rocío.
Las líneas de hr constante, disminuyen
en valor al alejarse de la línea de saturación
hacia abajo y hacia la derecha, como se ilustra en la figura
Nº 7.
Figura Nº 7. Líneas de
humedad relativa %.
-
Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el
peso real de vapor de agua en el aire. También se le
conoce como humedad específica. La escala de la
humedad absoluta, es la escala vertical (ordenada) que se
encuentra al lado derecho de la carta psicrométrica,
como se indica en la figura Nº 8.
Los valores de esta propiedad se expresan, como ya
sabemos, en gramos de humedad por kilogramo de aire seco (g/kg),
en el sistema internacional, y en granos por libra (gr/lb), en el
sistema inglés.
Las líneas de humedad absoluta, corren
horizontalmente de derecha a izquierda, y son paralelas a las
líneas de punto de rocío y coinciden con
éstas. Así pues, podemos ver que la cantidad de
humedad en el aire, depende del punto de rocío del
aire.
A continuación, veremos algunos ejemplos
sencillos del uso de la carta psicrométrica, con las cinco
propiedades físicas descritas hasta este punto. Luego,
veremos las demás propiedades que faltan por estudiar.
Como se mencionó anteriormente, conociendo dos de estas
propiedades del aire, se pueden determinar las demás con
el uso de la carta psicrométrica.
Figura Nº 8. Líneas de
humedad absoluta en gramos/kg.
Supongamos que con un psicrómetro se tomaron las
lecturas de las temperaturas de bulbo seco y de bulbo
húmedo, siendo éstas de 24oC y de 17oC,
respectivamente. ¿Cuál será la humedad
relativa?
Refiriéndonos a la carta psicrométrica de
la figura Nº 9, encontramos la temperatura de bulbo seco
(24oC) en la escala inferior, y la temperatura de bulbo
húmedo (17oC) en la escala curva del lado izquierdo de la
carta. Extendiendo estas dos líneas, se intersectan en el
punto "A". A partir de este punto, se puede determinar toda la
demás información. La humedad relativa es de
50%.
En esa misma muestra de aire, ¿cuál
será el punto de rocío? Partiendo del punto "A" y
desplazándonos hacia la izquierda en forma horizontal, la
línea corta a la escala de temperatura de punto de
rocío en 12.6oC.
¿Cuál será la humedad absoluta?
Partiendo nuevamente del punto "A", en forma horizontal, pero
hacia la derecha de la carta, la línea intersecta en la
escala de humedad absoluta en un valor de 9.35 g/kg de aire
seco.
Figura Nº 9. Ejemplo del uso de la
carta psicrométrica.
A una muestra de aire se le midió la humedad
relativa, utilizando un higrómetro y ésta es de
60%. Si la temperatura de bulbo seco es de 27º C,
¿cuál será el punto de
rocío?
Encontramos el punto donde la temperatura de 27º C
de bulbo seco, cruza con la línea de 60% de hr,
en la figura Nº 9. A este punto lo llamamos "B". Si la
muestra de aire en estas condiciones fuera enfriada, sin cambiar
su contenido de humedad, lo cual está representado en la
carta psicrométrica como una línea horizontal, la
línea del punto de rocío seria intersectada
aproximadamente en 18.8º C.
Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo
seco es de 32º C, y el contenido de humedad (presión
del vapor de agua) es de 14 g/kg de aire seco.
Primero, se encuentra la línea vertical que
representa la temperatura de bulbo seco constante de 32º C.
Subiendo a lo largo de esta línea, hasta cruzar la
línea horizontal que representa 14 g de humedad por kg de
aire seco. A la intersección le llamamos punto "C", (ver
figura Nº 9). Este punto cae entre las líneas de 40%
y 50% de humedad relativa. La respuesta sería una humedad
relativa de 47%.
-
Entalpía.- Las líneas de
entalpía constantes en una carta psicrométrica,
son las que se muestran en la figura Nº 10.
Debe notarse que estas líneas, son meramente
extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto
que el calor total del aire, depende de la temperatura de bulbo
húmedo. La escala del lado izquierdo lejana a la
línea curva, da el calor total del aire en kJ/kg
(kilojoules por kilogramo) de aire seco, en el sistema
internacional o en btu/lb de aire seco, en el sistema
inglés. Esta escala aumenta de -6 kJ/kg a la temperatura
de -10oC de bulbo húmedo, hasta aproximadamente 115 kJ/kg
a 33oC de bulbo húmedo.
Figura Nº 10. Líneas de
entalpía en kJ/kg de aire seco.
-
Volumen Específico.- En la figura
Nº 11, se muestran las líneas del volumen
específico constante en una carta
psicrométrica. Estas líneas están en un
ángulo aproximado de 60o con la horizontal, y van
aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general,
el espacio entre cada línea, representa un cambio de
volumen específico de 0.05 m³/kg. Cualquier punto
que caiga entre dos de estas líneas, naturalmente debe
ser un valor estimado. Si se desea saber la densidad del aire
a cualquier condición, como ya sabemos, se debe
dividir uno entre el volumen específico, puesto que la
densidad es la inversa del volumen específico y
viceversa. Debido a que la mayoría de los
cálculos en trabajos de aire acondicionado, se basan
en el peso del aire en lugar del volumen de aire, se
recomienda el uso del volumen específico (m³/kg
de aire) en vez de la densidad (kg/m³ de
aire).
Ahora, echemos un vistazo a la carta
psicrométrica de la figura Nº 3. Su
constitución consiste de la sobreimposición de las
siete propiedades descritas, ocupando la misma posición
relativa sobre la carta. En la descripción de cada una de
las siete propiedades, se definió la línea
constante como una línea que puede contener un
número infinito de puntos, cada uno a la misma
condición; esto es, si fuésemos a trazar una sola
condición del aire, tal como la temperatura del bulbo seco
sobre la carta psicrométrica, ésta podría
caer en cualquier punto sobre la línea constante,
correspondiente a esa temperatura de bulbo seco.
Figura Nº 11. Líneas de
volumen específico en m3/kg de aire seco.
Pero ahora, en la carta psicrométrica compuesta,
tenemos un número de líneas que se cruzan una con
otra; así que si trazamos un punto sobre una línea
de bulbo seco constante, este punto también
corresponderá a diferentes valores sobre las líneas
constantes para la temperatura de bulbo húmedo, punto de
rocío, humedad relativa, volumen específico,
humedad específica y entalpía.
Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas
constantes se cruzaran en un punto común sobre la carta,
podremos trazar ese punto exactamente, si conocemos dos de
cualquiera de esas propiedades del aire. A partir de este punto,
podemos entonces movernos a lo largo de las respectivas
líneas constantes para las otras propiedades del aire, y
podemos leer el valor en sus escalas respectivas, sin tener que
recurrir al problema de calcularlos, con las tablas
psicrométricas. Aunque este método no es tan
preciso como el método de las tablas, es mucho más
rápido, y el grado de precisión es suficientemente
cercano para fines prácticos.
Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de
bulbo seco (35º C) y bulbo húmedo (22º C),
¿cuáles serán las demás
propiedades?
Primero, trazamos un punto donde estas dos líneas
se cruzan, como se muestra en la figura Nº 12, y lo marcamos
como punto "A". Este es el único punto en la carta donde
existen estas dos condiciones (35º C bs y 22º
C bh). Las demás condiciones pueden encontrarse
fácilmente, simplemente nos desplazamos a lo largo de la
línea constante correspondiente, leyendo el valor en esa
escala.
El orden no es importante, y puede comenzarse por
cualquier propiedad. Por ejemplo, la temperatura de punto de
rocío. Para determinarla, partimos del punto "A",
horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y donde cruza la
escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la
temperatura de punto de rocío, ya que es la misma escala,
puesto que en esa línea curva el aire está en su
condición de saturación. La temperatura de punto de
rocío para este ejemplo es de 15.8º C (punto
"B").
El contenido de humedad se determina sobre la escala del
lado derecho de la carta; por lo que, partiendo del punto "A",
nos desplazamos horizontalmente hacia la derecha, y cruzamos la
escala en aproximadamente 11.3 g/kg de aire seco (punto
"C").
La humedad relativa se determina por la posición
del punto "A", con respecto a las líneas de humedad
relativa de la carta. Examinando de cerca este punto, vemos que
está aproximadamente a una quinta parte de la distancia
entre las líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que
podemos estimar que la hr es de 32%.
La ubicación del punto "A", con respecto a las
líneas constantes del volumen específico, indica
que cae aproximadamente a 4/5 partes de la distancia entre la
línea de 0.85 y 0.90 m³/kg de aire seco, (4 ÷
5 = 0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m³/kg entre una
línea y otra, podemos estimar que el volumen
específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, o sea 0.89 m3/kg de
aire seco, 0.85 + (0.80 x 0.05) = 0.89. La densidad sería
lo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 =
1.12 kg/m3.
Extendiendo la línea constante de bulbo
húmedo, de 22º C directo hacia arriba y a la
izquierda, hasta cortar la escala de calor total o
entalpía (punto "D"), podemos leer que la entalpía
del aire es de 64.6 kJ/kg de aire seco. Para convertir kilojoules
por kilogramo a kilocalorías por kilogramo, dividimos los
kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44 kcal/kg).
Para convertir los kJ/kg a btu/lb, se dividen los kJ/kg entre
2.326 (64.6 kJ/kg ÷ 2.326 = 27.77 btu/lb).
Figura Nº 12. Ejemplo del uso de la
carta psicrométrica para encontrar las propiedades del
aire.
Métodos de
determinación de humedad
Un volumen conocido de gas se hace pasar sobre un
absorbente y se mide el aumento de peso de éste. Como
absorbentes se puede utilizar pentóxido de fósforo
(P2O5) disperso sobre piedra pómez; también se
puede utilizar ácido sulfúrico
concentrado.
-
Determinación de la temperatura
húmeda
Permite obtener la humedad de un gas en
función de la temperatura, temperatura húmeda y
diferentes propiedades de gas y del vapor.
-
Mediante el diagrama psicométrico
entrando con la temperatura del gas y la temperatura
húmeda.
-
Determinación del punto de
rocío
Mediante el enfriando de una superficie altamente
pulimentada en contacto con el gas y observando la temperatura
más alta para la cual se produce
condensación.
-
Higrómetro de cabello o
fibra
La longitud de un cabello o fibra se modifica por la
humedad de la atmósfera próxima. El aparato
necesita un calibrado frecuente debido a que el cero tiende a
desplazarse.
-
Medida de la conductividad de una
fibra
Una fibra se impregna con un electrolito, cloruro de
litio, su resistencia eléctrica está en
función de su contenido de humedad, que a su vez depende
de la humedad atmosférica en la que se encuentre. El
sistema va acompañado de dos electrodos que mide la
intensidad de corriente que circula, para un voltaje constante
aplicado; con ello se obtienen lecturas directas de humedad
relativa
Métodos
para incrementar o disminuir la humedad de una masa de
aire
-
Incremento de la humedad,
humidificación
-
Adición de vapor directamente en la cantidad
requerida; tiene lugar un ligero aumento de la temperatura
del gas-vapor, presente el inconveniente que las posibles
impurezas del vapor pasan al gas.
-
Pulverización de agua en el gas para que por
evaporación completa, aumente la humedad en la
cantidad deseada.
-
Mezcla de gases de distinta humedad.
-
El gas se pone en contacto con el agua de tal forma
que solo se evapore parte del líquido (el
método más frecuente). Para conseguir una
elevada velocidad de humidificación se procura que el
área de contacto entre el aire y el agua sea lo
más grande posible. Esto se consigue mediante una
lluvia fina o una columna de relleno, se produce
evaporación si la temperatura del agua es superior al
punto de rocío del aire, figura Nº 13.
-
Disminución de la humedad,
deshumidificación
-
Puesta en contacto de aire húmedo con una
superficie fría (líquido o sólido) a una
temperatura inferior al punto de rocío del
gas.
-
Compresión del aire y enfriamiento hasta su
temperatura inicial y posterior retirada del agua condensada.
Durante la compresión aumenta la presión
parcial del vapor y alcanza más fácilmente las
condiciones de saturación.
Enfriamiento de
agua: torres de enfriamiento
En los diferentes procesos de producción hay
puntos en los que es necesario eliminar calor, siendo el agua el
fluido utilizado en la mayoría de los casos. El consumo
progresivo de agua, el precio creciente y la escasez, en algunos
casos, aconsejan emplear circuitos cerrados de
refrigeración. La reutilización del agua obliga a
que ésta sea enfriada, para lo cual se usan torres de
enfriamiento, empleando como refrigerante el aire.
La torre de enfriamiento es una instalación en la
que se pone en contacto el agua a enfriar con el aire en
contracorriente. El aire no saturado en contacto con el agua
tiende a aumentar su humedad; el agua al evaporarse toma el calor
latente de vaporización de ella misma y por consiguiente
se enfría.
Una torre de refrigeración es un intercambiador
de calor de tipo evaporativo y contacto directo. Se produce paso
de calor de un fluido a otro; el enfriamiento (un 90%) es debido
al intercambio de masa entre los dos fluidos por
evaporación de parte del agua. El agua entra por la parte
superior de la torre. En su interior hay un relleno (tablillas de
madera, plástico, fibra, cemento) que mejora el contacto y
favorece el intercambio de masa y calor. Otros componentes
importantes de una torre de enfriamiento son:
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Sistema de distribución del agua, para
repartir uniformemente el agua caliente sobre el relleno. Se
emplean tuberías con toberas de presión para
pulverizar el agua.
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Separador de gotas, situado encima de la entrada de
agua y antes de que la corriente de aire abandone la torre.
Evitan el arrastre de gotas de agua fuera de la
torre.
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Balsas para la recogida del agua
fría.
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En las torres de tiro forzado, ventilador o
extractor (torres grandes).
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Todo soportado sobre estructuras construidas de
hormigón armado, ladrillos,
poliéster.
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Tipos de torre de
enfriamiento
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Torre de enfriamiento de tiro natural.-
Las torres pueden ser de tiro natural, figura Nº 13, el
aire circula por el efecto chimenea producido por la
presencia en la torre de aire y vapor con una temperatura
más alta y que por tanto es menos densa que el aire
atmosférico y es capaz de ascender. Alcanzan alturas
entre 100 y 140 m. El 10 o 12 % de la altura lo ocupa el
relleno, la parte superior está vacía y sirve
para aumentar el tiro.
Figura Nº 13. Torre de enfriamiento
de tiro natural.
Figura Nº 14. Torre de enfriamiento
de tiro natural.
Figura Nº 15. Torre de enfriamiento
a contraflujo de tiro inducido.
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Descripción del funcionamiento de la torre
de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido
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Enfriador evaporativo semiencerrado.
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El aire entra en la torre por la parte
inferior y sale por la superior.
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El agua caliente (proceso) se bombea hacia la
parte superior y se rocía sobre la corriente de
aire.
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Una pequeña masa de agua se evapora y se
enfría el agua restante.
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La temperatura y contenido de humedad del aire
aumentan durante el proceso.
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El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre
y se envía a proceso.
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El agua de reemplazo debe añadirse
para sustituir el agua perdida por evaporación y por
el arrastre de agua.
Mecanismos de
interacción del gas y del líquido
En las figuras 16, 17, 18 y 19 se representan las
distintas medidas en dirección perpendicular a la
interfase en abscisas y las temperaturas y humedades en
ordenadas. ?x es la temperatura global del líquido; ?i es
la temperatura de la interfase; ?y es la temperatura global del
gas; Hi es la humedad en la interfase; H es la humedad global del
gas.
El trazo discontinuo representa difusión de vapor
a través de la fase gaseosa; el trazo continuo indica
flujos de calor latente y sensible a través de las fases
líquida y gaseosa.
La figura Nº 16, corresponde a un proceso de
humidificación, el flujo de calor latente de
vaporización desde el líquido hacia el gas es igual
al flujo de calor sensible desde el gas hacia el líquido.
La temperatura del gas ha de ser mayor que la temperatura en la
interfase; la humedad es mayor en la interfase.
Figura Nº 16. Condiciones de
humidificación adiabática.
En la figura Nº 17, se representan las
condiciones de deshumidificación, en este caso la humedad
es mayor en el gas que en la interfase, y por tanto, el vapor
difunde hacia la interfase. Hi y ?i representan un gas saturado y
?y tiene que ser mayor que ?i. Lo que indica que para retirar
vapor de un gas no saturado hay que ponerlo en contacto directo
con un líquido suficientemente frío.
Figura Nº 17. Condiciones de
deshumidificación.
En una torre de enfriamiento en contracorriente las
condiciones dependen de que la temperatura del gas sea superior o
inferior a la temperatura de la interfase. En la parte superior
de la columna la temperatura del gas es inferior a la de la
interfase; los fenómenos que tienen lugar se muestran el
la figura Nº 18.
El líquido se enfría por
evaporación y por transmisión de calor sensible
desde la interfase hasta el gas; la bajada de temperatura a
través del líquido tiene que ser suficiente para
producir una velocidad de transmisión de calor que asegure
los dos flujos de calor.
Figura Nº 18. Condiciones en la
parte superior de una torre de enfriamiento.
En la parte inferior de una torre de enfriamiento la
temperatura del gas es superior a la temperatura de la interfase,
figura Nº 19. El líquido se enfría, la
interfase tiene que estar más fría que la masa
global de líquido, de forma que el gradiente de
temperatura a través del líquido es hacia la
interfase. Existe un flujo de calor sensible desde la masa global
del gas hacia la interfase. El flujo de vapor hacia fuera de la
interfase transporta, como calor latente, todo el calor sensible
suministrado a la interfase desde ambos lados.
Figura Nº 18. Condiciones en la
parte inferior de una torre de enfriamiento.
, que representa la variación de la temperatura con la presión en un proceso de Loule-Thomson, se denomina “coeficiente de Joule-Thomson” y se lo simboliza con la letra μ. Como en la ecuación anterior 
es igual a CP, nos queda finalmente:
(36)
(37)
y 
es generalmente negativo y su valor aproximadamente independiente de la presión.
a temperaturas ordinarias, es negativo a presiones bajas (excepto el hidrógeno y el helio) y positivo a presiones elevadas.
se mantiene aproximadamente constante (negativo), pero el valor de 
disminuye en valor absoluto y a cierta presión se hace positivo, y aumenta en valor absoluto.
