Procesos Psicrométricos

When discussing psychrometric processes, it is crucial to understand the fundamental principles that govern the behavior of air-water vapor mixtures. Psychrometrics involves the study of the thermodynamic properties of moist air, which are essential for various applications such as HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems, meteorology, and industrial processes.

img
Gráfico psicrométrico

Key Concepts in Psychrometrics

1. Dry Bulb Temperature (DBT): This is the temperature of air measured by a standard thermometer. It does not account for moisture content and is a primary indicator of thermal conditions.

2. Wet Bulb Temperature (WBT): This measurement is taken using a thermometer covered with a water-soaked cloth over which air flows. It reflects the cooling effect of evaporation and is always lower than or equal to the DBT.

3. Relative Humidity (RH): This is the ratio of the current absolute humidity to the highest possible absolute humidity (which depends on the current air temperature). Expressed as a percentage, RH indicates how saturated the air is with moisture.

4. Dew Point Temperature: The temperature at which air becomes fully saturated with moisture and water begins to condense. This is critical for predicting weather phenomena and managing indoor air quality.

Gráfico psicrométrico

A view of psychrometric chart is shown before. It shows the relationship between dry-bulb temperature (the temperature measured by a regular thermometer), wet-bulb temperature (the temperature measured by a thermometer with a wetted bulb), relative humidity (the amount of moisture in the air compared to the maximum amount it can hold at that temperature), and dew point temperature (the temperature at which the air becomes saturated and condensation begins).

The curved lines represent constant relative humidity, while the diagonal lines represent constant wet-bulb temperature.

The following equation represents the heat transfer in a thermodynamic process involving a fluid. Here, 𝑄𝐶​ is the heat added or removed, 𝑚𝑎ma​ is the mass flow rate of the fluid, ℎ1​ and ℎ2​ are the specific enthalpies at the initial and final states, respectively, and 𝐶𝑝,𝑚​ is the specific heat capacity at constant pressure. The term (𝑇2−𝑇1) denotes the temperature change of the fluid from the initial state 𝑇1​ to the final state 𝑇2​. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄𝐶​ is proportional to the mass flow rate and the change in enthalpy or, equivalently, the product of the mass flow rate, specific heat capacity, and temperature change. This relationship is fundamental in thermodynamics for calculating the energy required to change the temperature of a fluid in various heating or cooling processes.

$$ Q_C=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a C p m\left(T_2-T_1\right) $$

The different psychrometric processes are shown in following. The chart illustrates the relationship between temperature (t) on the x-axis and humidity ratio (ω) on the y-axis. It is divided into different regions, each representing a specific psychrometric process. The eight main processes shown in the image are:

  1. Evaporative Cooling: This process involves cooling the air through the evaporation of water, which decreases the dry-bulb temperature and increases the humidity ratio.
  2. Enfriamiento sensible: This process cools the air without changing its moisture content, resulting in a decrease in the dry-bulb temperature.
  3. Calefacción sensible: This process heats the air without altering its moisture content, leading to an increase in the dry-bulb temperature.
  4. Heating + Humidity: This process involves heating the air while increasing its moisture content, resulting in an increase in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
  5. Cooling + Dehumidification: This process cools the air while reducing its moisture content, leading to a decrease in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
  6. Dehumidification: This process removes moisture from the air without changing its dry-bulb temperature.
  7. Humidification: This process adds moisture to the air without changing its dry-bulb temperature.
  8. Heating + Humidification: This process involves heating the air while reducing moisture, increasing the dry-bulb temperature and reducing the humidity ratio.
img

Procesos Psicrométricos

Enfriamiento sensible

Durante este proceso, el contenido de humedad del aire permanece constante pero su temperatura disminuye a medida que pasa sobre un serpentín de enfriamiento. Para mantener constante el contenido de humedad, la superficie del serpentín de enfriamiento debe estar seca y su temperatura superficial debe ser mayor que la temperatura del punto de rocío del aire. Si el serpentín de enfriamiento es 100% efectivo, entonces la temperatura de salida del aire será igual a la temperatura del serpentín. Sin embargo, en la práctica, la temperatura del aire de salida será mayor que la temperatura del serpentín de enfriamiento.La siguiente figuramuestra el proceso de enfriamiento sensible 2-1 en un gráfico psicrométrico. La tasa de rechazo de calor durante este proceso está dada por:

Proceso de enfriamiento sensible 2-1 en la tabla psicrométrica
Proceso de calentamiento sensible 1-2 en la tabla psicrométrica
Proceso de enfriamiento y deshumidificación

Calefacción sensible

During Sensible Hating process, the moisture content of air remains constant and its temperature increases as it flows over a heating coil. The heat addition rate during this process is given by:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a c_{p m}\left(T_2-T_1\right) $$

dóndeCpmes el calor específico húmedo (≈1.0216kJ/kgaire seco) ymetroaes el caudal másico de aire seco (kg/s).

Enfriamiento y deshumidificación

Cuando el aire húmedo se enfría por debajo de su punto de rocío al ponerlo en contacto con una superficie fría, parte del vapor de agua en el aire se condensa y sale de la corriente de aire como líquido, como resultado, tanto la temperatura como la relación de humedad del aire disminuye como se muestra. Este es el proceso por el que se somete el aire en un sistema de aire acondicionado. La ruta real del proceso depende del tipo de superficie fría, la temperatura de la superficie y las condiciones de flujo, pero por simplicidad, se supone que la línea del proceso es una línea recta como se muestra enFigura 8.11. Las tasas de transferencia de calor y masa se pueden expresar en términos de las condiciones iniciales y finales aplicando las ecuaciones de conservación de masa y conservación de energía como se indican a continuación:

By applying mass balance for the water: $$ m_a \cdot \omega_a=m_a \cdot \omega_2+m_w $$ By applying energy balance: $$ m_a \cdot h_a=Q_r+m_w \cdot h_w+m_a \cdot h_2 $$ From the above two equations, the load on the cooling coil, $Q_t$ is given by: $$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)-m_a\left(\omega_1-\omega_2\right) h_w $$

El 2Dakota del NorteEl término en el lado derecho de la ecuación anterior normalmente es pequeño en comparación con los otros términos, por lo que puede despreciarse. Por eso,

$$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right) $$

Se puede observar que el proceso de enfriamiento y deshumidificación involucra procesos de transferencia de calor tanto latente como sensible, de ahí las tasas de transferencia de calor total, latente y sensible (qr,qyo, yqs) Se puede escribir como:

$$ \mathrm{Q}_{\mathrm{r}}=\mathrm{Q}_1+\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} $$ where $$Q_1=m_a\left(h_1-h_w\right)=m_a \cdot h_{f g}\left(\omega_1-\omega_w\right)$$ and $$Q_s=m_a\left(h_w-h_2\right)=m_a \cdot c_{p m}\left(T_1-T_2\right)$$

Factor de calor sensible (SHF)

Se define como la relación entre la tasa de transferencia de calor sensible y total (Qt), es decir,

$$ \mathrm{SHF}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} / \mathrm{Q}_{\mathrm{t}}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} /\left(\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}+\mathrm{Q}_{\mathrm{l}}\right) $$

De la ecuación anterior, podemos observar que un SHF de 1,0 corresponde a que no hay transferencia de calor latente y un SHF de 0 corresponde a que no hay transferencia de calor sensible. Un SHF de 0,75 a 0,80 es bastante común en sistemas de aire acondicionado en un clima seco normal. Un valor más bajo de SHF, digamos 0,6, implica una alta carga de calor latente como la que ocurre en un clima húmedo.

La temperatura, Ts, es la temperatura superficial efectiva del serpentín de enfriamiento y se conoce como temperatura del punto de rocío del aparato (ADP). En una situación ideal, cuando todo el aire entra en perfecto contacto con la superficie del serpentín de enfriamiento, la temperatura de salida del aire será la misma que la ADP del serpentín. Sin embargo, en el caso real, la temperatura de salida del aire siempre será mayor que la temperatura del punto de rocío del aparato debido al desarrollo de la capa límite a medida que el aire fluye sobre la superficie del serpentín de enfriamiento y también debido a la variación de temperatura a lo largo de las aletas, etc. , podemos definir unfactor de derivación (BPF)Como se puede ver fácilmente, cuanto mayor sea el factor de derivación, mayor será la diferencia entre la temperatura de salida del aire y la temperatura del serpentín de enfriamiento. Cuando el BPF es 1,0, todo el aire pasa por alto el serpentín y no habrá enfriamiento ni deshumidificación.

$$ \mathrm{BPF}=\frac{T_c-T_s}{T_a-T_s} ; \mathrm{CF}(\text { Contact Factor })=1-\mathrm{BPF} $$

DóndeTCtemperatura del aire que sale,Taes la temperatura del aire que entra yTses la temperatura de la superficie del serpentín de enfriamiento.

Calefacción y humidificación

Durante el invierno es fundamental calentar y humedecer el aire de la habitación para mayor comodidad. Esto normalmente se hace calentando primero el aire y luego agregando vapor de agua a la corriente de aire a través de boquillas de vapor.

img
Proceso de calentamiento y humidificación.

El balance de masa de vapor de agua para el volumen de control produce la velocidad a la que se debe agregar vapor, es decir,metrow:

$$ m_w=m_a\left(\omega_2-\omega_1\right) $$

donde maes el caudal másico de aire seco. Del balance energético:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)-m_w h_w $$

dóndeqhes el calor suministrado a través del serpentín de calentamiento yhwes la entalpía del vapor. Dado que este proceso también implica transferencia simultánea de calor y masa, podemos definir un factor de calor sensible para el proceso de manera similar a un proceso de enfriamiento y deshumidificación.

Enfriamiento y humidificación

Como su nombre lo indica, durante este proceso, la temperatura del aire desciende y su humedad aumenta. Esto se puede lograr rociando agua fría en la corriente de aire. La temperatura del agua debe ser inferior a la temperatura de bulbo seco del aire pero superior a su temperatura de punto de rocío para evitar la condensación (TDPT<T2<T1).

img
Proceso de enfriamiento y humidificación

Durante este proceso, hay una transferencia de calor sensible del aire al agua y una transferencia de calor latente del agua al aire. Por tanto, la transferencia total de calor depende de la temperatura del agua. Si la temperatura del agua rociada es igual a la temperatura del bulbo húmedo del aire, entonces la tasa de transferencia neta será cero ya que la transferencia de calor sensible del aire al agua será igual a la transferencia de calor latente del agua al aire. Si la temperatura del agua es mayor que WBT, habrá una transferencia neta de calor del agua al aire. Si la temperatura del agua es menor que WBT, entonces la transferencia neta de calor será del aire al agua. En un caso especial, cuando el agua de rociado se recircula completamente y no se calienta ni se enfría, el sistema está perfectamente aislado y el agua de reposición se suministra en WBT, luego, en estado estacionario, el aire sufre un proceso de saturación adiabática, durante el cual su WBT permanececonstante. Este es el proceso de saturación adiabática. El proceso de enfriamiento y humidificación se encuentra en una amplia variedad de dispositivos como enfriadores evaporativos, torres de enfriamiento, etc.

Calefacción y Deshumidificación

Este proceso se puede lograr mediante el uso de un material higroscópico, que absorbe o adsorbe el vapor de agua de la humedad. Si este proceso se aísla térmicamente, entonces la entalpía del aire permanece constante y, como resultado, la temperatura del aire aumenta a medida que disminuye su contenido de humedad. Este material higroscópico puede ser un sólido o un líquido. En general, la absorción de agua por el material higroscópico es una reacción exotérmica, como resultado durante este proceso se libera calor, el cual se transfiere al aire y aumenta la entalpía del aire.

img
Proceso de deshumidificación por calentamiento

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What is the difference between sensible heat and latent heat in psychrometric processes?
Sensible heat refers to the heat energy that is transferred between systems due to a temperature difference, resulting in a change in temperature. Latent heat, on the other hand, is the energy required to change the state of a substance (e.g., from liquid to vapor or vice versa) without a change in temperature. In psychrometric processes, both sensible and latent heat play important roles in determining the conditions of air and its interaction with the environment. Understanding the distinction between these two types of heat is crucial for designing and optimizing HVAC systems.
How does the sensible heat factor (SHF) affect the performance of an HVAC system?

The sensible heat factor (SHF) is a critical parameter in psychrometric processes that determines the proportion of total heat that is sensible heat. A higher SHF indicates that a larger portion of the total heat is sensible heat, which can affect the performance of an HVAC system. For example, a system with a high SHF may require more cooling capacity to maintain a comfortable indoor temperature, while a system with a low SHF may require more dehumidification capacity to control humidity levels. Accurate calculation of SHF is essential for designing and optimizing HVAC systems.

What is the significance of the psychrometric chart in understanding psychrometric processes?

The psychrometric chart is a graphical representation of the relationships between various psychrometric properties, such as temperature, humidity, and enthalpy. It provides a visual tool for understanding the complex interactions between these properties and enables engineers to analyze and design HVAC systems more effectively. By using the psychrometric chart, engineers can determine the state of air, calculate heat transfer rates, and optimize system performance. The chart is an essential tool in the field of HVAC engineering and is widely used in design, analysis, and optimization of HVAC systems.

How do psychrometric processes affect indoor air quality (IAQ) in buildings?

Psychrometric processes play a crucial role in maintaining good indoor air quality (IAQ) in buildings. The temperature, humidity, and air movement patterns in a building can significantly impact IAQ by influencing the growth and spread of pollutants, such as mold and bacteria. For example, high humidity levels can lead to mold growth, while poor air circulation can cause the buildup of pollutants. By controlling psychrometric processes, HVAC systems can help maintain good IAQ by providing a comfortable and healthy indoor environment.

What are some common applications of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes have numerous applications in HVAC systems, including air conditioning, heating, ventilation, and humidification. They are used in various industries, such as commercial buildings, hospitals, laboratories, and industrial processes. For example, psychrometric processes are used in air conditioning systems to cool and dehumidify air, while in heating systems, they are used to warm and humidify air. In ventilation systems, psychrometric processes are used to control the airflow and temperature of the air. Understanding psychrometric processes is essential for designing and optimizing HVAC systems for various applications.

How do psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing?

Psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing, in complex ways. For example, lighting systems can generate heat, which affects the psychrometric conditions of the air. Similarly, plumbing systems can introduce moisture into the air, which affects the humidity levels. Understanding these interactions is crucial for designing and optimizing building systems that work together efficiently and effectively. By considering the interactions between psychrometric processes and other building systems, engineers can create more sustainable, comfortable, and healthy indoor environments.

What are some common challenges and limitations of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes in HVAC systems can be challenging to design and optimize due to various factors, such as non-linear relationships between psychrometric properties, complex air flow patterns, and uncertainty in system parameters. Additionally, psychrometric processes can be limited by factors such as equipment capacity, energy efficiency, and maintenance requirements. Understanding these challenges and limitations is essential for designing and optimizing HVAC systems that meet the required performance, efficiency, and sustainability standards.

How can psychrometric processes be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems?

Psychrometric processes can be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems by using various strategies, such as optimizing system design, selecting energy-efficient equipment, and implementing control strategies that minimize energy consumption. Additionally, using renewable energy sources, such as solar power, and incorporating energy recovery systems can further improve the sustainability of HVAC systems. By optimizing psychrometric processes, engineers can create more energy-efficient and sustainable HVAC systems that reduce energy consumption and environmental impact.