Carta Psicométrica

Las propiedades de mezclado de aire como el vapor de agua pueden ser presentadas de forma gráfica a través de las cartas psicométricas. Las cartas psicométricas son muy usadas en las aplicaciones de acondicionamiento de aire. Debe recordar que son necesarias tres propiedades termodinámicas independientes para describir el estado de una mezcla binaria (ex. presión, temperatura e composición de la mezcla).

Para comprender el uso de este tipo de carta, es necesario entender el significado de Psicrometría, que se define como la medición del contenido de humedad del aire. Ampliando esta definición a términos más técnicos, psicrometría es la ciencia que involucra las propiedades termo-dinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano.

La carta psicométrica es un diagrama de doble entrada, en el que se relacionan múltiples parámetros referentes a una mezcla de aire húmedo: temperatura, humedad relativa, humedad absoluta, punto de rocío, entalpía específica o calor total, calor sensible, calor latente y volumen específico del aire.

Así:

% Humedad Relativa

La humedad relativa (hr), 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 porciento, tal como 50%, 75%, 30%, etc.

%Hr = (PvH2O/PvH2O)* 100Donde:

PvH2O: Presión de vapor del agua en aire.

PvH2O*: Presión de vapor del agua líquida, se obtiene de

tablas.

Cuando PvH2O

= PvH2O* el aire está saturado de humedad, es decir, el aire es 100% húmedo.En las siguientes gráficas se muestra la humedad relativa a diferentes temperaturas en grados Celsius y Fahrenheit:

Relación entre Humedad relativa y específica del Aire

Como ya se ha mencionado, la humedad representa la cantidad de vapor de agua existente en el aire. Puede ser expresada en valores absolutos, específicos o relativos dependiendo el caso.Si sabemos la humedad relativa del aire y la densidad de vapor de agua, además de la densidad del aire, la humedad específica puede ser expresada en la formula a continuación descrita:

x = 0.622 φ ρws / (ρ - ρws) 100%

Donde:

x = es la humedad específica de la mezcla de vapor de aire (kg/kg)

φ = humedad relativa (%)

ρws = densidad de vapor de agua (kg/m3)

ρ = densidad del aire húmedo (kg/m3)

Humedad Absoluta

El término "humedad absoluta" (ha), se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen. Esta unidad de volumen, generalmente es un espacio de un metro cúbico (o un pie cúbico). En este espacio, normalmente hay aire también, aunque no necesariamente.

y = WH2O / W Aire Seco

Donde

W: peso

Los valores del diagrama no son constantes, varían según la altura sobre el nivel del mar. En bibliografía es usual encontrarlo referido a «la altura» del nivel del mar. La mayoría de cartas psicométricas tienen dos decimales, pero se puede encontrar hasta con cuatro decimales para una mayor precisión

ASHRAE desarrolló 7 cartas que toman en cuenta la variación de las características del aire en función de la temperatura y la altura como sigue2:

Las cartas # 1, 2, 3,4 están elaboradas para las características del aire húmedo al nivel del mar.

La carta #5 es para 750 m de altura (92.66 kPa).

La carta #6 es para 1500 m de altura (84.54 kPa).

La carta #7 es para 2250 m de altura (77.04 kPa).

La carta #1 es la más utilizada con un rango de temperatura de bulbo seco (tbs) −40ºC a +10ºC.

La carta #2 es para bajas temperaturas de –40ºC a +10ºC.

La carta #3 es para altas temperaturas de 10ºC a 120ºC.

La carta #4 es para muy altas temperaturas de 100ºC a 200ºC.

Las propiedades o carta psicométrica para otros valores de presió barométrica se pueden obtener interpolando.

A continuación un ejemplo de carta psicométrica con temperaturas normales y a nivel del mar:

Definición de Parámetros

Aire:

El aire normal, conocido como aire húmedo en psicrometría, está constituido por una mezcla de aire seco y agua en estado gaseoso (vapor). El contenido de agua puede ir desde composición cero (aire seco) a saturación (aire saturado). Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y de aire seco, porque la composición del aire seco permanece relativamente constante.El aire seco es una mezcla de varios gases, siendo la composición la siguiente:

Componente

Concentración aproximada

Nitrógeno (N) 78.03% en volumen

Oxígeno (O) 20.99% en volumen

Dióxido de Carbono (CO2) 0.03% en volumen

Argón (Ar) 0.94% en volumen

Neón (Ne) 0.00123% en volumen

Helio (He) 0.0004% en volumen

Criptón (Kr) 0.00005% en volumen

Xenón (Xe) 0.000006% en volumen

Hidrógeno (H) 0.01% en volumen

Metano (CH4) 0.0002% en volumen

Óxido nitroso (N2O) 0.00005% en volumen

Vapor de Agua (H2O) Variable

Ozono (O3) Variable

Partículas Variable

El aire tiene la capacidad de retener una cantidad variable de vapor de agua en relación a la

temperatura del aire. A menor temperatura, menor cantidad de vapor y a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua; a presión atmosférica constante.

SaturaciónSe produce cuando la presión parcial del agua en la mezcla se iguala a la presión de vapor (Psat) del agua a esa temperatura.

Humedad de saturaciónEs la cantidad máxima de vapor de agua que puede contener un metro cúbico de aire en unas condiciones determinadas de presión y temperatura.Varía entre 0 (aire seco) e Ysat.Ysat distinta para cada P y T.

Humedad porcentualLa 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.Poco empleada. Varía entre 0 y 1.

Temperatura seca   (Temperatura de bulbo seco) [ºC]

La temperatura de bulbo seco, es la verdadera temperatura del aire húmedo y con frecuencia se la denomina sólo temperatura del aire; es la temperatura del aire que marca un termómetro común. Se llama temperatura seca del aire de un entorno, o más sencillamente, temperatura seca, a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos que rodean ese ambiente concreto y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se puede obtener con el termómetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiación.

Termómetro de Bulbo Seco o En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada es normalmente la temperatura

de «bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la

temperatura medida por termómetros ordinarios en casa.

En la siguiente gráfica se evidencian este tipo de temperaturas:

Temperatura húmeda ( Temperatura del bulbo húmedo )   [ºC] La temperatura termodinámica de bulbo húmedo, es la temperatura de equilibrio que se alcanza cuando la mezcla de aire seco y vapor de agua pasa por un proceso de enfriamiento adiabático hasta llegar a la saturación. Temperatura húmeda es la de una muestra de aire después de pasar a través de un proceso ideal, a presión constante de saturación adiabática, esto es,

después de que el aire haya pasado a lo largo de una superficie grande de agua líquida en un canal aislado.

La temperatura húmeda (o de bulbo húmedo) es igual a la temperatura seca (o de bulbo seco) cuando la muestra de aire está saturada de agua. La inclinación de la línea de temperatura húmeda constante refleja el calor de vaporización (evaporación) del agua requerido para saturar una cantidad de aire a una humedad relativa dada.

Termómetro de Bulbo Húmedo o Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no es diferente de un termómetro ordinario, excepto

que tiene una pequeña mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo. Si esta mecha se humedece

con agua limpia, la evaporación de esta agua disminuirá la lectura (temperatura) del termómetro.

Esta temperatura se conoce como de «bulbo húmedo» (bh)

Psicrómetro

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 líquido 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.

Temperatura o punto de rocío

Temperatura de rocío es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo en las mismas condiciones de presión alcanza la saturación de vapor de agua. En este punto de saturación, el vapor de agua comenzaría a condensarse en agua líquida o (si estuviera por debajo del punto de congelación) en escarcha, al continuar quitando calor.

El punto de rocío se mide con facilidad y aporta información de utilidad, pero normalmente no se considera como una propiedad independiente.

Para entender este concepto se analiza el siguiente ejemplo:

Un litro de aire que se encuentra en un recipiente cerrado a presión atmosférica y 75 °F de temperatura, contiene una humedad relativa de

Hr = 58%.

Si se mantiene la presión constante y se comienza a descender suavemente la temperatura se observa que al llegar a 59°F se forma la primera gota de agua en las paredes del recipiente.Al continuar descendiendo la temperatura, se continuará condensando cada vez más y más el agua en las paredes del recipiente, la cual se deslizará hacia el fondo, formando un depósito de agua cada vez más voluminoso.

Para el ejemplo se acaba de describir, el “punto de Rocío” es la temperatura a la cual se condensó la primera gota de agua, o seaPR = 59°F.En el punto de Rocío (Tpr) la humedad relativa del aire es del 100%. Dicho en otras palabras: el punto de rocío es la temperatura de saturación del aire a una presión definida o la temperatura a la cual el aire húmedo no saturado se satura, es decir, cuando el vapor de agua comienza a condensarse, por un proceso de enfriamiento, mientras que la presión y la razón de humedad se mantienen constantes.

En las siguientes gráficas se puede observar los puntos de rocío desde las temperaturas de bulbo seco hasta las temperaturas de bulbo húmedo:

Ejemplo:

Un buen ejemplo de punto de rocío es cuando se coloca un trozo de carne o cualquier objeto que tenga una temperatura menor a 15C, supongamos 10 oC, la humedad en el aire que entra en contacto con ese objeto frío, se condensará sobre el mismo, como agua líquida, este fenómeno comúnmente se conoce como que el objeto esta "sudado", es un término incorrecto porque la humedad viene del aire más no del interior del objeto

Humedad relativa (hr)[%]

La humedad relativa es la aquella que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica.

Se entiende por humedad relativa al porcentaje que resulta de relacionar la masa de agua disuelta en una masa de aire, con respecto a la masa máxima de agua que podría disolverse en la misma masa de aire en su estado de saturación. De la anterior definición, se deduce que la humedad relativa del aire en su estado de saturación, es del 100%.

Ejemplo:

Una humedad relativa del 100% significa un ambiente en el que no cabe más agua. El cuerpo humano no puede transpirar y la sensación de calor puede llegar a ser asfixiante. Corresponde a un ambiente húmedo. Una humedad del 0% corresponde a un ambiente seco. Se transpira con facilidad

En otras palabras, La humedad relativa del aire, se puede definir también como la razón entre la presión de vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presión de vapor de agua cuando el aire está saturado de humedad (Pvs), a la misma temperatura. La humedad relativa se puede expresar como decimal o como porcentaje.

Entalpía (H) [kJ/kg]

La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. La entalpía de la mezcla de aire seco y vapor de agua, es la energía del aire húmedo por unidad de masa de aire seco, por encima de una temperatura de referencia; dado que en ingeniería sólo las diferencias de entalpía tienen interés práctico, el valor que se escoja para la temperatura de referencia carece de importancia.

Calor específico

Energía necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de un aire húmedo por kg de aire seco. Las propiedades específicas están referidas al aire seco.

Volumen específico

Volumen de una masa de aire húmedo por kg de aire seco. Propiedad que permite determinar los flujos volumétricos.

Presión de vapor (Pv)

La presión de vapor, es la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor de agua presentes en el aire húmedo. Cuando el aire está totalmente saturado de vapor de agua, su presión de vapor se denomina presión de vapor saturado (PVS).

Relación de Humedad del Aire

Relación de humedad (GPP) es la relación entre la masa real de vapor de agua presente en el aire húmedo - a la masa de aire secoRelación de humedad puede ser expresada por la masa de agua o por la presión parcial del vapor en el aire húmedo.

Razón de Humedad o Razón de Mezcla (W)

La razón de humedad del aire, se define como la relación entre la masa de vapor de agua y la

masa de aire seco en un volumen dado de mezcla. Algunos autores confunden los términos razón

de humedad y humedad absoluta; la humedad absoluta, denominada también densidad del vapor

de agua, es la relación entre la masa de vapor de agua y el volumen que ocupa la mezcla de aire

seco y vapor de agua.

Relación de Humedad en masa

Relación de humedad se puede expresar como la relación entre la masa real de vapor de agua

presente en el aire húmedo - a la masa del aire seco. Relación de humedad normalmente se

expresa en kilogramos o libras de vapor de agua por kilogramo o libra de aire seco.

Relación de humedad expresada en masa:

x = mw/ maDonde:

x = humedad (en kg agua / kg de aire , libra de agua / lb dry_air )

m w = masa del vapor de agua (kg, lb)

m a = masa de aire seco (kg, lb)

Relación de Humedad por la presión parcial del vapor

Relación de humedad también puede ser expresada con la presión parcial del vapor de agua:

x = 0,62198 pw/ (pa- pw)

Donde:

p w= presión parcial del vapor de agua en el aire húmedo (Pa, psi)

p a= presión atmosférica del aire húmedo (Pa, psi)

La cantidad máxima de vapor de agua en el aire se logra cuando p w=p ws

La presión de saturación del vapor de agua a la temperatura real puede ser modificada de la siguiente manera:

xs= 0,62198 pws/ (p a - pws)

Donde:

x s = humedad específica a saturación (kg agua / kg de aire , libra de agua / lb dry_air )

p ws = presión de saturación de vapor de agua

Puesto que la presión de vapor de agua es mínima con respecto a la presión atmosférica, la

relación entre la relación de humedad y la presión de saturación es casi lineal.

Humedad máxima específica a unas temperaturas más comunes:

Temperatura ( ° C )

Presión de saturación del vapor de agua

( Pa )

Relación Humedad máxima ( kg w / kg una )

0 609,9 0.003767

5 870 0.005387

10 1225 0.007612

15 1701 0,01062

20 2333 0.014659

25 3130 0.019826

30 4234 0.027125

R

e

l

a

c

i

ó

n

d

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H

u

m

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d

a

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m

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n

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i

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-

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6

8

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t

m

l

Nótese: que la presión de saturación del vapor de agua, - y la relación de humedad máximo, se incrementa dramáticamente con la temperatura del aire. Este importante para la capacidad de los procesos de secado.

Ejemplo: Relación de Humedad del aire húmedo

La humedad específica para el aire húmedo saturado a 20 ° C con agua de presión de vapor parcial 2333 Pa a presión atmosférica de 101325 Pa (1,013 mbar, 760 mm Hg) se puede calcular como:

x = 0. 62.198 (2.333 Pa) / ((101 325 Pa) - (2333 Pa))

x = 0,0147 (kg / kg)

x = 14,7 (g / kg)

Volumen Específico (Ve) [m 3 /kg aire seco]

El volumen específico del aire húmedo, se define como el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua por unidad de masa de aire seco. La masa específica del aire húmedo no es igual al recíproco de su volumen específico. La masa específica del aire húmedo es la relación entre la masa total de la mezcla y el volumen que ella ocupa.

Temperatura radiante

La temperatura radiante tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno.

Se toma con un termómetro de bulbo, que tiene el depósito de mercurio encerrado en una esfera o bulbo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a un cuerpo negro y absorba la máxima radiación. Para anular en lo posible el efecto de la temperatura del aire, el bulbo negro se aísla mediante otro bulbo en el que se ha hecho al vacío.

Las medidas se pueden tomar bajo el sol o a la sombra. En el primer caso tendrá en cuenta la radiación solar y dará una temperatura bastante más elevada. También sirve para dar una idea de la sensación térmica. La temperatura de bulbo negro hace una función parecida, dando la combinación de la temperatura radiante y la ambiental.En este video se indican algunos aspectos fundamentales de la carta psicométrica