Procesos de
Acondicionamiento de aire
Ciclos térmicos
Semestre 2018/2
JOHN FREDY RIOS ROJAS
Acondicionamiento de aire
Para mantener una vivienda o
una construcción industrial a la
temperatura y humedad
deseadas son necesarios algunos
procesos definidos como
“acondicionamiento del aire”.
Estos procesos incluyen:
• el calentamiento simple
(elevar la temperatura),
• el enfriamiento simple (reducir
la temperatura),
• la humidificación (agregar
humedad) y
• la deshumidificación (eliminar
humedad).
Diversos procesos de acondicionamiento
de aire
Procesos de Acondicionamiento de Aire
Procesos de Acondicionamiento de Aire
El aire es demasiado frío o
demasiado
caliente.
Simplemente se agrega o se
extrae calor. Esto está
representado por A-C y BC en la figura.
Calentamiento o enfriamiento sensible
(a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante)
La humedad relativa disminuye o
aumenta, según el proceso
Calentamiento o enfriamiento sensible
(a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante)
La humedad relativa disminuye o
aumenta, según el proceso
Balance de Energía de Flujo estacionario
Calentamiento o enfriamiento sensible
(a humedad absoluta constante = presión de vapor de agua constante)
Ecuación de la conservación de la energía
Que calor es necesario entregar a 5 m3 de aire (húmedo) a 20
°C y 70% de humedad relativa para calentarlo hasta 45°C?
Procesos de Acondicionamiento de Aire
El aire es demasiado frío y la
humedad es demasiado
baja.
Primero
puede
calentarse el aire y luego
agregarse humedad, como
en D-E-C.
Calentamiento con humidificación
Propósito
Los problemas asociados
con la humedad relativa
baja,
producto
del
calentamiento simple, se
eliminan al humidificar al
aire calentado. Esto se
consigue al pasar el aire por
una
sección
de
calentamiento y después
por
una
sección de
humidificación.
Calentamiento con humidificación
2
1
Métodos de humidificación
Adición de un vapor en
condiciones de saturación
Adición de un líquido que se
evapora
Calentamiento con humidificación
Proceso
1-2
Proceso
2-3
Aumenta
Aumenta
Humedad especifica
Permanece
igual
Aumenta
Humedad relativa
Disminuye
Entalpía
Aumenta
Aumenta
Temperatura punto
de rocío
Permanece
igual
Aumenta
Volumen especifico
Aumenta
Aumenta
Variable
Temperatura
Balance de masa
Para el aire seco
• 𝑚𝑎1 = 𝑚𝑎2 = 𝑚𝑎3 = 𝑚𝑎
Del agua durante la calefacción
𝑚𝑎1 𝑤1 = 𝑚𝑎2 𝑤2 ∴ 𝑤1 = 𝑤2
Del agua en la humidificación
• 𝑚𝑎2 𝑤2 + 𝑚𝑤 = 𝑚𝑎3 𝑤3
Balance de Energía
En la calefacción
𝑄𝑒𝑛𝑡 + 𝑚𝑎 ℎ1 = 𝑚𝑎 ℎ2
∴ 𝑄𝑒𝑛𝑡 = 𝑚𝑎 ℎ2 − ℎ1
Cuando se requiere humidificar
Se necesita un humidificador en
el hogar en casos como:
• Piel escamosa, áspera o
agrietada
• Descargas electrostáticas
• Molestias prematuras por
lentes de contacto
• Altos niveles de polvo
atmosférico
• Frecuentes dolores de
garganta, de cabeza y
cansancio ocular
• Grietas en los muebles y pisos
de madera
Que pasa si el aire es seco
Enfermedades
Las mucosas de la nariz y
garganta se secan y nuestro
sistema inmunológico se ve
debilitado.
Piel y cabello
Un ambiente seco vuelve la
piel más propensa a
agrietarse, especialmente en
las manos
Madera
Los pisos, muebles y otros
objetos de madera pueden
sufrir deformaciones y
eventualmente agrietarse
Polvo
el aire contiene más polvo y
agentes contaminantes
aéreos.
Cuando se requiere humidificar
Se necesita tener humidificación y control de humedad en casos como:
Cabinas de pintura:
72%RH es optima para transferir
la pintura desde la boquilla
rociadora hasta la superficie a
pintar.
Bancos de lijado:
55%HR permite disminuir el
polvo y reducir la estática, que
las partículas de polvo y pintura
sean atraídas y se adhieran a la
carrocería
Reduce el tiempo de lijado
y calidad de terminación
Control de RH entre 60% y 70%
Garantiza la calidad y
eficiencia en la
producción.
Producción de tabaco
https://www.condair.co/aplicaciones/salud-y-bienestar-humano/hogar
Disminuye evaporación.
Ejercicio
Mediante un sistema de acondicionamiento de aire se toma
aire exterior a 10°C y 30% de humedad relativa, a una tasa
constante de 45 m3/min y se le acondiciona a 25°C y 60% de
humedad relativa.
El aire exterior se calienta primero hasta 22°C en la sección de
calentamiento, después se humidifica mediante la inyección
de vapor caliente en la sección humidificadora. Suponga que
todo el proceso sucede a una presión de 100 kPa.
Determine:
a) la tasa de suministro de calor en la sección de
calentamiento.
b) el flujo másico del vapor de agua que se requiere en la
sección de humidificación.
Ejercicio
Esquema y datos
Ejercicio
Ejercicio
Procesos de Acondicionamiento de Aire
La
temperatura
es
aceptable, pero la humedad
es demasiado alta. El aire se
enfría primero de F-G. Se
retira humedad deG-H. Se
agrega calor de H-I
Deshumidificación con enfriamiento
Esquema del proceso
Deshumidificación con enfriamiento
Deshumidificación con enfriamiento
Ejemplo
En una unidad de aire
acondicionado de ventana entra
aire a 1 atm, 30°C y 80% de
humedad relativa, a una tasa de
10 m3/min y sale como aire
saturado a 14°C. Parte de la
humedad en el aire que se
condensa durante el proceso se
elimina
también
a
14°C.
Determine
las
tasas
de
eliminación de calor y de
humedad del aire.
Suposiciones
• Proceso de flujo estacionario.
• El aire seco y el vapor de agua
son gases ideales.
• Los cambios en las energías
cinética y potencial son
insignificantes.
Procesos de Acondicionamiento de Aire
El aire es demasiado
caliente. Una corriente de
aire del exterior se mezcla
con una corriente de aire del
interior
para
obtener
enfriamiento natural o aire
fresco.
El
proceso
IM representa el aire interior
más caliente mezclado con
el aire exterior representado
por
L-M.
El
estado M representa el aire
mezclado. El estado M se
encuentra a lo largo de la
línea que enlaza L e I.
Mezcla adiabatica de dos corrientes
de aire
Mezclado adiabático de corrientes de aire
Balances de masa y energía
Ejemplo
El aire saturado que sale de la
sección de enfriamiento de un
sistema de acondicionamiento de
aire a 14°C y a una razón de 50
m3/min,
se
mezcla
adiabáticamente con el aire
exterior a 32°C y 60% de
humedad relativa que fluye a una
razón de 20 m3/min. Suponga
que el proceso de mezclado se
efectúa a una presión de 1 atm;
con ello determine la humedad
específica, la humedad relativa, la
temperatura de bulbo seco y el
flujo volumétrico de la mezcla.
Ejemplo
Suposiciones
1 Existen condiciones estacionarias de operación.
2 El aire seco y el vapor de agua son gases ideales.
3 Los cambios en las energías potencial y cinética son insignificantes.
4 La sección de mezclado es adiabática.
Otras propiedades de la mezcla de corrientes de aire
Procesos de Acondicionamiento de Aire
El aire es demasiado caliente
y la humedad es baja. Se
agrega humedad y resulta el
proceso representado por JK.
Enfriamiento Evaporativo
Los
sistemas
de
enfriamiento
convencionales operan en
un ciclo de refrigeración.
En los climas desérticos
(calientes y secos), se puede
evitar el alto costo del
enfriamiento
mediante
enfriadores
evaporativos,
también conocidos como
enfriadores por rociado o
baño de agua.
Enfriamiento Evaporativo
• En el estado 1 entra al
enfriador evaporativo aire
caliente y seco, donde se rocía
con agua líquida.
• Parte del agua se evapora
durante este proceso al
absorber calor del flujo de
aire.
• Como
resultado,
la
temperatura del flujo de aire
disminuye y su humedad
aumenta (estado 2).
• En el caso límite, el aire saldrá
del enfriador saturado en el
estado 2’.
Enfriamiento evaporativo o
Humidificacion adiabatica
Torre de enfriamiento
Una torre de enfriamiento es un
enfriador evaporativo. El aire
entra por el fondo a la torre y sale
por la parte superior. El agua
caliente a refrigerar se bombea
hacia la parte superior de la torre
y se rocía en esta corriente de
aire.
Cuando las gotas de agua caen
bajo la influencia de la gravedad,
una pequeña fracción de agua se
evapora y enfría el agua restante.
La temperatura y el contenido de
humedad del aire aumenta
durante este proceso.
Torre de enfriamiento
El uso de torres de enfriamiento húmedo
permite rechazar el calor de desecho de
un proceso hacia la atmósfera, con el
agua de enfriamiento recirculando y
sirviendo como medio de transporte para
la transferencia de calor entre la fuente y
el sumidero.
Torre de enfriamiento
•
•
•
•
•
•
El aire entra a la torre por el fondo y sale por
la parte superior.
El agua caliente del condensador se bombea
hacia la parte superior de la torre y se rocía
(gran área superficial de agua al aire).
una pequeña fracción del agua (por lo común
un pequeño porcentaje) se evapora y enfría
el agua restante. Agua de reposición debe
añadirse al ciclo para sustituir el agua
perdida por la evaporación y por el arrastre
de agua.
La temperatura y el contenido de humedad
del aire aumentan durante este proceso.
El agua enfriada se acumula en el fondo de la
torre y se bombea de nuevo al condensador
para absorber calor de desecho adicional.
Para reducir la cantidad de agua
transportada por el aire, se instalan
mamparas deflectoras en las torres de
enfriamiento húmedo encima de la sección
de rociado.
Torre de enfriamiento
Torre de enfriamiento
Ejercicio
Del condensador de una central
eléctrica sale agua de enfriamiento y
entra a una torre de enfriamiento
húmedo a 35°C, con un flujo másico
de 100 kg/s. El agua se enfría hasta
22°C en la torre de enfriamiento con
aire que entra a la torre a 1 atm,
20°C, con 60% de humedad relativa,
y sale saturado a 30°C.
Ignore la entrada de potencia al
ventilador y determine:
• a) el flujo volumétrico del aire en
la torre de enfriamiento
• b) el flujo másico del agua de
reposición requerido.
Ejercicio
Suposiciones
1 Existen condiciones estacionarias de
operación y, por lo tanto, el flujo másico del
aire seco permanece constante durante todo
el proceso.
2 El aire seco y el vapor de agua son gases
ideales.
3 Los cambios en las energías cinética y
potencial son insignificantes.
4 La torre de enfriamiento es adiabática.
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