Humedad e higrometría |
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La psicrometría , la psicrometría y la higrometría son nombres para el campo de la ingeniería que se ocupa de las propiedades físicas y termodinámicas de las mezclas de gas y vapor. El término proviene del griego psuchron (ψυχρόν) que significa "frío" [1] y metron (μέτρον) que significa "medio de medición". [2]
Esta sección no cita ninguna fuente . ( marzo de 2021 ) |
Aunque los principios de la psicrometría se aplican a cualquier sistema físico que consista en mezclas de gas y vapor, el sistema de interés más común es la mezcla de vapor de agua y aire, debido a su aplicación en calefacción, ventilación y aire acondicionado y meteorología . En términos humanos, nuestro confort térmico es en gran parte una consecuencia no solo de la temperatura del aire circundante, sino (porque nos refrescamos a través de la transpiración) hasta qué punto ese aire está saturado de vapor de agua.
Muchas sustancias son higroscópicas , lo que significa que atraen agua, generalmente en proporción a la humedad relativa o por encima de una humedad relativa crítica . Estas sustancias incluyen algodón, papel, celulosa, otros productos de madera, azúcar, óxido de calcio (cal quemada) y muchos productos químicos y fertilizantes. Las industrias que utilizan estos materiales se preocupan por el control de la humedad relativa en la producción y el almacenamiento de dichos materiales. La humedad relativa a menudo se controla en las áreas de fabricación donde se manipulan materiales inflamables, para evitar incendios causados por las descargas de electricidad estática que pueden ocurrir en aire muy seco.
En aplicaciones de secado industrial, como el secado de papel, los fabricantes generalmente intentan lograr un óptimo entre una humedad relativa baja, que aumenta la velocidad de secado, y el uso de energía, que disminuye a medida que aumenta la humedad relativa del escape. En muchas aplicaciones industriales, es importante evitar la condensación que arruinaría el producto o causaría corrosión.
Los mohos y hongos se pueden controlar manteniendo baja la humedad relativa. Los hongos que destruyen la madera generalmente no crecen a humedades relativas por debajo del 75%.
La temperatura de bulbo seco es la temperatura que indica un termómetro expuesto al aire en un lugar protegido de la radiación solar directa. El término de bulbo seco se agrega habitualmente a la temperatura para distinguirlo de la temperatura de bulbo húmedo y del punto de rocío. En meteorología y psicrometría, la palabra temperatura por sí sola sin prefijo generalmente significa temperatura de bulbo seco. Técnicamente, la temperatura registrada por el termómetro de bulbo seco de un psicrómetro. El nombre implica que la bombilla o elemento sensor está de hecho seco. La OMM ofrece un capítulo de 23 páginas sobre la medición de la temperatura. [3]
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es una propiedad termodinámica de una mezcla de aire y vapor de agua. El valor indicado por un termómetro de bulbo húmedo a menudo proporciona una aproximación adecuada de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.
La precisión de un termómetro de bulbo húmedo simple depende de qué tan rápido pasa el aire sobre el bulbo y qué tan bien está protegido el termómetro de la temperatura radiante de su entorno. Las velocidades de hasta 5,000 pies / min (~ 60 mph) son las mejores, pero puede ser peligroso mover un termómetro a esa velocidad. Pueden producirse errores de hasta el 15% si el movimiento del aire es demasiado lento o si hay demasiado calor radiante (por ejemplo, de la luz solar).
Una temperatura de bulbo húmedo tomada con aire moviéndose a aproximadamente 1–2 m / s se conoce como temperatura de pantalla , mientras que una temperatura tomada con aire moviéndose aproximadamente 3,5 m / so más se conoce como temperatura de la eslinga .
Un psicrómetro es un dispositivo que incluye un termómetro de bulbo seco y un termómetro de bulbo húmedo. Un psicrómetro de cabestrillo requiere una operación manual para crear el flujo de aire sobre las bombillas, pero un psicrómetro eléctrico incluye un ventilador para esta función. Conociendo tanto la temperatura de bulbo seco (DBT) como la temperatura de bulbo húmedo (WBT), se puede determinar la humedad relativa (RH) a partir de la tabla psicrométrica apropiada para la presión del aire.
La temperatura de saturación de la humedad presente en la muestra de aire, también se puede definir como la temperatura a la que el vapor se convierte en líquido (condensación). Por lo general, el nivel en el que el vapor de agua se convierte en líquido marca la base de la nube en la atmósfera, por lo que se denomina nivel de condensación. Entonces, el valor de temperatura que permite que este proceso (condensación) tenga lugar se llama 'temperatura del punto de rocío'. Una definición simplificada es la temperatura a la que el vapor de agua se convierte en "rocío" (Chamunoda Zambuko 2012).
La humedad específica se define como la masa de vapor de agua como proporción de la masa de la muestra de aire húmedo (incluidos tanto el aire seco como el vapor de agua); está estrechamente relacionado con el índice de humedad y siempre tiene un valor inferior.
Masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire que contiene vapor de agua. Esta cantidad también se conoce como densidad del vapor de agua. [4]
La relación entre la presión de vapor de la humedad en la muestra y la presión de vapor de saturación a la temperatura de bulbo seco de la muestra.
Análogo a la entalpía específica de una sustancia pura. En psicrometría, el término cuantifica la energía total tanto del aire seco como del vapor de agua por kilogramo de aire seco.
Análogo al volumen específico de una sustancia pura. Sin embargo, en psicrometría, el término cuantifica el volumen total tanto de aire seco como de vapor de agua por unidad de masa de aire seco.
La relación psicrométrica es la relación entre el coeficiente de transferencia de calor y el producto del coeficiente de transferencia de masa y el calor húmedo en una superficie mojada. Puede evaluarse con la siguiente ecuación: [5] [6]
La razón psicrométrica es una propiedad importante en el área de la psicrometría, ya que relaciona la humedad absoluta y la humedad de saturación con la diferencia entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de saturación adiabática .
Las mezclas de aire y vapor de agua son los sistemas más comunes que se encuentran en psicrometría. La relación psicrométrica de las mezclas de aire y vapor de agua es aproximadamente la unidad, lo que implica que la diferencia entre la temperatura de saturación adiabática y la temperatura de bulbo húmedo de las mezclas de aire y vapor de agua es pequeña. Esta propiedad de los sistemas aire-vapor de agua simplifica los cálculos de secado y enfriamiento que a menudo se realizan utilizando relaciones psicrométricas.
El calor húmedo es el calor específico a presión constante del aire húmedo, por unidad de masa del aire seco. [7] El calor húmedo es la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de la masa unitaria de una mezcla de vapor de agua y aire en 1 ° C.
Muchas propiedades psicrométricas dependen del concepto de presión :
Una tabla psicrométrica es una gráfica de los parámetros termodinámicos del aire húmedo a una presión constante, a menudo equiparada a una elevación relativa al nivel del mar. La tabla psicrométrica de estilo ASHRAE , que se muestra aquí, fue iniciada por Willis Carrier en 1904. [8] Representa estos parámetros y, por lo tanto, es una ecuación gráfica de estado . Los parámetros son:
El gráfico psicrométrico permite determinar todos los parámetros de un poco de aire húmedo a partir de tres parámetros independientes, uno de los cuales debe ser la presión. Los cambios de estado , como cuando se mezclan dos corrientes de aire, se pueden modelar fácilmente y de manera algo gráfica utilizando la tabla psicrométrica correcta para la presión del aire o la elevación de la ubicación en relación con el nivel del mar. Para ubicaciones a no más de 2000 pies (600 m) de altitud, es una práctica común utilizar la tabla psicrométrica del nivel del mar.
En el gráfico ω - t , la temperatura de bulbo seco ( t ) aparece como abscisa (eje horizontal) y la relación de humedad ( ω ) aparece como ordenada (eje vertical). Un gráfico es válido para una determinada presión de aire (o elevación sobre el nivel del mar). A partir de dos independientes de los seis parámetros temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa, índice de humedad, entalpía específica y volumen específico, se pueden determinar todos los demás. Hay posibles combinaciones de parámetros independientes y derivados.
* Temperatura de bulbo seco: estas líneas se trazan rectas, no siempre paralelas entre sí y ligeramente inclinadas desde la posición vertical. Este es el eje t , el eje de abscisas (horizontal). Cada línea representa una temperatura constante.
* Temperatura del punto de rocío: desde el punto de estado, siga la línea horizontal de la relación de humedad constante hasta la intersección del 100% de HR, también conocida como curva de saturación . La temperatura del punto de rocío es igual a las temperaturas de bulbo seco o bulbo húmedo completamente saturado.
* Temperatura de bulbo húmedo: estas líneas son líneas oblicuas que difieren ligeramente de las líneas de entalpía. Son idénticamente rectos pero no exactamente paralelos entre sí. Estos se cruzan con la curva de saturación en el punto DBT.
* Humedad relativa: Estas líneas hiperbólicas se muestran en intervalos del 10%. La curva de saturación está al 100% de HR, mientras que el aire seco está al 0% de HR.
* Relación de humedad: estas son las líneas horizontales del gráfico. La relación de humedad generalmente se expresa como masa de humedad por masa de aire seco (libras o kilogramos de humedad por libra o kilogramo de aire seco, respectivamente). El rango es de 0 para aire seco hasta 0.03 (lbmw / lbma) en el eje ω derecho , el eje de ordenadas o vertical del gráfico.
* Entalpía específica: son líneas oblicuas trazadas en diagonal hacia abajo de izquierda a derecha a lo largo del gráfico que son paralelas entre sí. Estos no son paralelos a las líneas de temperatura de bulbo húmedo.
* Volumen específico: se trata de una familia de líneas rectas igualmente espaciadas que son casi paralelas.
La región por encima de la curva de saturación es una región de dos fases que representa una mezcla de aire húmedo saturado y agua líquida, en equilibrio térmico.
El transportador en la parte superior izquierda de la tabla tiene dos escalas. La escala interior representa la relación de calor sensible-total (SHF). La escala exterior da la relación entre la diferencia de entalpía y la diferencia de humedad. Se utiliza para establecer la pendiente de una línea de condición entre dos procesos. El componente horizontal de la línea de condición es el cambio en el calor sensible mientras que el componente vertical es el cambio en el calor latente. [9] [10] [11]
Los gráficos psicrométricos están disponibles en unidades SI (métricas) e IP (EE. UU. / Imperial). También están disponibles en rangos de temperatura baja y alta y para diferentes presiones.
El diagrama "Mollier i - x " (Entalpía - Relación de mezcla de humedad), desarrollado por Richard Mollier en 1923, [12] es un gráfico psicrométrico alternativo, preferido por muchos usuarios en Escandinavia, Europa del Este y Rusia. [13]
Los datos de los parámetros psicrométricos subyacentes para el gráfico psicrométrico y el diagrama de Mollier son idénticos. A primera vista, hay poca semejanza entre los gráficos, pero si el gráfico se gira noventa grados y se mira en un espejo, el parecido se hace evidente. Las coordenadas del diagrama de Mollier son la entalpía y la relación de humedad. La coordenada de entalpía está sesgada y las líneas de entalpía constante son paralelas y están espaciadas uniformemente. Las cartas psicrométricas de ASHRAE desde 1961 utilizan coordenadas de trazado similares. Algunas gráficas psicrométricas utilizan coordenadas de temperatura de bulbo seco y relación de humedad .