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VAPOR DE AGUA
El aire normal es la mezcla de aire seco más vapor de agua (humedad).
Estados del vapor:
- Vapor Saturado: Es aquel que a una presión determinada le corresponde una temperatura, no admitiendo más evaporación. Los vapores saturados pueden ser secos y húmedos, según tengan, o no, líquido mezclado con el vapor.
- Vapor recalentado: Aquel que se encuentra a más temperatura que la correspondiente a su saturación, admitiendo más evaporación. También se llama vapor no saturado.
Propiedades del vapor del agua:
- El aire atmosferico tiene una cierta cantidad de vapor de agua, normalmente en estado de vapor sobrecalentado, a baja presión y baja temperatura.
Calor específico del vapor de agua
- Basándose en datos experimentales y en el campo del aire acondicionado, se ha adoptado como valor del calor específico del vapor del agua:
Cpv = 0,46 Kc/Kg ºC
Ley de Dalton
La presión de una mezcla de gases, que no reaccionan químicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada uno de ellos si solo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar la temperatura.
Ley de Dalton (Ley de las presiones parciales)
Cada gas o vapor en la mezcla ejerce una presión parcial individual que es igual a la presión que ejercería si él solo ocupase todo el espacio.
La presión total de la mezcla es igual a la suma de las presiones ejercidas por cada uno de los gases o vapores en particular.
El aire obedece a dicha ley, ya que es una mezcla de gases y vapores.
La presión barométrica total es la suma de todas las presiones parciales ejercidas por los gases secos y por el vapor de agua.
Por lo tanto:
Patmosférica = Paire seco + Pvapor agua
Humedad específica
La humedad específica es la cantidad de vapor de agua contenida en 1 kg de aire seco.
Aire saturado
- Con esta expresión se quiere decir que el vapor de agua está saturado. Es decir que la presión parcial en la mezcla, es igual a la presión de saturación correspondiente a la temperatura a la que se encuentra la mezcla.
Si a partir de este punto se aumenta la proporción de vapor de agua, se llegará a la condensación o formación de niebla.
Si por el contrario el aire está sobrecalentado, se podrá añadir más hasta llegar a la saturación.
Punto de rocio
Si una mezcla de aire y vapor de agua es enfriada a presión constante, la temperatura a la que tendríamos vapor saturado es llamado punto de rocio. Dicha temperatura es evidentemente correspondiente a la presión parcial del vapor de agua de la mezcla.
Temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco
La temperatura de bulbo húmedo es la que se determina con un termómetro que tiene el bulbo cubierto con una gasa empapada de agua.
Haciendo pasar el aire a una velocidad suficientemente elevada (siempre que el aire no esté saturado) se nota un descenso de la temperatura respecto a la indicada en un termómetro normal (de bulbo seco) y que es producida por la evaporación del agua de la gasa.
Humedad en el aire:
El aire totalmente seco no existe pues siempre contiene vapor de agua.
El vapor del agua proviene de la evaporación parcial de las grandes masas de agua (mares, ríos, lagos, etc) su conocimiento es importante, ya que las variaciones de vapor de agua afectan sensiblemente al confort de las personas, o a las condiciones de los procesos industriales y rendimiento de equipos de refrigeración.
Humedad relativa y humedad absoluta
La humedad del aire se puede indicar en forma absoluta o relativa.
Humedad absoluta (Ha):
Es la cantidad de vapor de agua contenida en una unidad de volumen de aire. Se expresa en gr/m3
Ha = mv / V
mv = masa de vapor de agua (gr)
V = Volumen del aire (m3)
Humedad relativa (Hr):
Es la relación entre la cantidad de vapor de agua que tiene una determinada masa de aire y la que tendría si estuviese saturado de humedad a la misma temperatura.
Hr = mv / mvs
mv = masa de vapor que contiene el aire
mvs = masa de vapor que contendría si estuviera saturado
Psicómetros
Están formados por dos termómetros, uno de bulbo seco y otro de bulbo húmedo.
El termómetro húmedo se encuentra rodeado por una gasa humedecida permanentemente, al estar parte de la misma sumergida en agua.
La determinación de la humedad relativa del aire se realiza de la siguiente manera.
La gasa que rodea al termómetro húmedo, al evaporar parte del agua que contiene, provoca un descenso de temperatura en el termómetro, ya que para evaporarse un líquido necesita absorber calor, calor que recoge del que tiene el propio bulbo, haciendo que este se enfríe.
Una vez conocidas las temperaturas TS (termómetro seco) y TH (termómetro húmedo) se puede determinar la humedad relativa con el diagrama psicométrico.
Diagrama psicométrico
Existen varias formas de relacionar la temperatura con la humedad, entre ellas tenemos el Diagrama Psicométrico, con el cual podemos ver la humedad relativa, cantidad de agua, etc.
La escala horizontal está constituida por los valores de la temperatura que encontramos en un termómetro cualquiera.
Las líneas verticales corresponden a la temperatura de bulbo seco. Para nuestro ejemplo, empezaremos marcando la coordenada correspondiente a 25ªC de temperatura de bulbo seco y 70%HR de humedad relativa.
Si este punto lo prolongamos a la derecha, encontraremos el contenido de agua, que será de 14,05 gr/kg. Estos 14,05gr/kg estarán en cualquier punto de la línea horizontal.
El diagrama también nos indica que la temperatura de bulbo húmedo en este punto es de 21,06ºC.
Supongamos que este aire es enfriado a 20ºC (solo disminuye la temperatura), la cantidad de agua sigue la misma, luego ahora estará el aire en el punto 20ºC y 14,05 gr/kg. La humedad relativa nos ha subido hasta el 96%HR y la temperatura de bulbo húmedo también ha subido hasta 19,56ºC.
Si seguimos enfriando el aire para dejarlo a 14ºC, seguiremos disminuyendo solo la temperatura, pero la cantidad de agua es la misma (14,05gr/kg), pero observamos que a la temperatura de 19,3ºC hemos llegado al final del gráfico de la línea del 100% de HR. Lo que indica que en ese punto se encuentra el aire con la máxima humedad que admite en esas condiciones y si lo seguimos enfriando, el vapor de agua que contiene empezará a condensarse, ya que el aire a menor temperatura no puede contener tanta cantidad de humedad.
Es por esto que a la temperatura de 14ºC tendremos una humedad del 100%HR y una cantidad de agua de 9,96gr/kg
La diferencia de la cantidad de agua, se ha condensado: 14,05 – 9,96 = 4,06 gr de agua condensada.
El aire queda saturado de humedad (100%HR) pero con menos gramos de agua por kilo de aire.
Con el gráfico podemos determinar la humedad relativa sin necesidad de hacer cálculos.
El gráfico dispone de unas curvas que se parecen a la línea de saturación y que corresponden a cada tanto por ciento de humedad relativa.
De esta forma podemos, conocida la humedad relativa, conocer los gramos de agua o viceversa.
Otro ejemplo:
Si partimos del mismo punto inicial, 25ºC y 70%HR y donde tenemos una cantidad de humedad de 14,05gr/kg, y subimos la temperatura de este aire hasta 35ºC, tendremos que la cantidad de humedad no varía (14,05gr/kg) y la humedad relativa nos baja hasta 38,4%HR.
De estas pruebas deducimos:
- Al enfriar el aire, aumenta el % de HR.
- Al calentar el aire disminuye el % de HR.
Ahora vamos a incluir en el ábaco, la temperatura de bulbo húmedo.
Supongamos que tenemos 1 kg de aire a una temperatura de Bulbo Seco de 24ºC y 8,5 gr de agua. Si pudiéramos saturar completamente el aire, aumentando los gramos de vapor de agua, su temperatura disminuirá, pues las gotas de agua, para vaporizarse, necesitan calor y lo recogen del mismo aire, haciéndolo descender de temperatura.
Imaginemos que su temperatura hubiera descendido hasta aproximadamente 16,4ºC y a esa temperatura, el aire saturado contendría 11,6 gr de agua.
A la temperatura del aire saturado se le denomina TBH en este caso la TBS es 24ºC, TBH 16,4 y el contenido de agua 8,5gr.
Las líneas del BH aparecen en forma diagonal.
Otra propiedad a tener en cuenta es el volumen específico, que representa el volumen que ocupa la mezcla de aire y vapor de agua a una determinada temperatura en metros cúbicos por kilo.
Por ejemplo, un kilogramo de aire a 24ºC (BS) ocupa aproximadamente 0,84 m3 a la presión atmosférica.
Si este mismo aire se calienta a 35ºC, ocupará un mayor volumen, o sea 0,87 m3.
Pero si se enfría a 13ºC, este kilo de aire ocuparía solo 0,81 m3
Las líneas de los volúmenes específicos aparecen en el gráfico como líneas oblicuas.
Otra propiedad muy útil es la llamada entalpía o contenido total del calor en la mezcla de aire-humedad.
El uso de la entalpia permite determinar el calor añadido o quitado al aire en cualquier proceso.
Las líneas de entalpía aparecen casi sobrepuestas a las líneas de BH.
Por ejemplo un aire a 25ºC de BS y 15ºC de BH y con un contenido de agua de 6,5 gramos, en ese punto el aire tendrá la entalpia de 47,74 kj/kilo de aire (13,26 w/kg).
Calculo de la potencia frigorifica de un evaporador midiendo entalpias
Si tenemos un evaporador donde sabemos el caudal de aire, si medimos la entalpia de entrada de aire y la entalpia de salida, podemos aplicar la siguiente formula:
P = (Ee – Es) x Q X 1,2
Donde tenemos:
- P – Potencia frigorífica en cal/h
- Ee – Entalpia de entrada del aire al evaporador en cal/Kg
- Es – Entalpia de salida del aire del evaporador en cal/Kg
- Q – Caudal del aire del evaporador en m3/h
- 1,2 – Valor constante del peso específico del aire