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VII. Psicrometria

Introducción

El estudio detallado de la mezcla aire seco y vapor de agua es de tal importancia que constituye una ciencia aparte, la psicrometría, dotada de vocabulario propio.

La psicrometría se define como "aquella rama de la física relacionada con la medición o determinación de las condiciones del aire atmosférico, particularmente respecto a la mezcla de aire seco y vapor de agua", o bien "aquella parte de la ciencia que está en cierta forma íntimamente ligada a las propiedades termodinámicas del aire húmedo". Las propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor de agua revisten gran interés en la etapa de poscosecha de productos agrícolas por el efecto que tiene la humedad del aire atmosférico sobre el contenido de humedad de los productos.

En la conservación y almacenamiento de los productos agrícolas se emplean diversas prácticas, con la participación directa de la psicrometría; una de dichas prácticas es el secado. En el secado a bajas temperaturas, en particular, la velocidad de secado depende de la capacidad del aire para evaporar la humedad (potencial de secado), la cual es determinada por las condiciones psicrométricas del aire, la temperatura y la humedad relativa.

En el secado y almacenamiento, uno de los conceptos más importantes es el contenido de humedad de equilibrio. Así se denomina al intercambio recíproco de humedad entre los materiales higroscópicos, tales como los granos y el aire que los rodea; la condición de intercambio recíproco de humedad indica el equilibrio que hay entre el aire y el material. Se establece dicho equilibrio cuando la presión de vapor que corresponde a la humedad del producto es igual a la presión de vapor de la humedad presente en el aire, en condiciones fijas de temperatura. Por lo tanto, en los estudios de higroscopía, las propiedades termodinámicas del aire húmedo son de fundamental importancia.

El conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es de gran utilidad también en muchos otros aspectos de la actividad humana. La conservación de ciertos productos, tales como frutas, hortalizas, huevos y carnes en cámaras frigoríficas, depende en gran medida de la mantención de la adecuada humedad relativa del ambiente. La pérdida de peso depende de la humedad del aire en la cámara de almacenamiento; si la humedad es baja, la pérdida de peso es elevada.

Aire atmosférico

El aire atmosférico se compone de una mezcla de gases, vapor de agua y contaminantes, tales como humo, polvo y otros elementos gaseosos que no están presentes normalmente en lugares distantes de las fuentes de contaminación. Por definición, existe aire seco cuando se ha extraído todo el vapor de agua y los contaminantes del aire atmosférico. Mediante extensas mediciones se ha demostrado que la composición del aire seco es relativamente constante, si bien el tiempo, la ubicación geográfica y la altura determinan pequeñas variaciones en la cantidad de los componentes. En el cuadro 1 aparece la composición porcentual, en volumen o número de moles, de 100 moles de aire seco.

CUADRO 1: Composición del aire seco

Fuente: ASHRAE, 1977

La masa molecular aparente del aire seco es de 28,9645 kg-mol y la del vapor de agua es de 18,1535 kg-mol, ambas en la escala del carbono 12 (Ashrae, 1977). Normalmente, el aire seco tiene vapor de agua asociado, lo que da origen a lo que se denomina aire húmedo que es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor presente en la mezcla puede variar entre cero y un valor correspondiente al estado de saturación. Esto corresponde a la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede retener a una temperatura determinada.

Propiedades termodinámicas del aire húmedo

Hay diversas propiedades termodinámicas fundamentales ligadas a las propiedades del aire húmedo; hay dos propiedades independientes, además de la presión atmosférica necesaria para establecer el estado termodinámica del aire húmedo; y hay tres propiedades que se relacionan con la temperatura:

• temperatura del bulbo seco
• temperatura termodinámica del bulbo húmedo
• temperatura del punto de roció.

Algunas propiedades termodinámicas caracterizan la cantidad de vapor de agua presente en el aire húmedo:

• presión de vapor
• razón de humedad
• humedad relativa
• grado de saturación.

Otras propiedades de fundamental importancia relacionadas con el volumen ocupado por el aire y con la energía del aire, respectivamente, son:

• el volumen especifico, y
• la entalpía.

La entalpía y el volumen específico son propiedades de la mezcla aire seco y vapor de agua pero, para mayor comodidad, se expresan sobre la base de una unidad de masa de aire seco. La temperatura psicrométrica del bulbo húmedo, Tbh, no es una propiedad termodinámica de la mezcla aire seco y vapor de agua y se tratará separadamente. A continuación se presenta una breve descripción de cada una de estas propiedades.

Temperatura del bulbo seco (T). La temperatura del 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.

Temperatura del punto de roció (Tpr). La temperatura del punto del roció es 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.

Temperatura termodinámica del bulbo húmedo (T*). La temperatura termodinámica del 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.

Presión de vapor (Pv). Lapresión 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, P_vs.

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.

Humedad relativa (ø). La humedad relativa del aire se define como la razón entre la presión de vapor de agua en un momento dado (P_v) y la presión de vapor de agua cuando el aire está saturado de humedad (P_vs), a la misma temperatura. La humedad relativa se puede expresar como decimal o como porcentaje.

Grado de saturación (µ). El grado de saturación es la relación entre la razón de humedad real de la mezcla (W) y la razón de humedad del aire en estado de saturación (W_s), a igual temperatura y presión atmosférica.

Entalpía (h). La entalpía de la mezcla 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.

Volumen específico (V_e). El volumen específico del aire húmedo se define como el volumen que ocupa la mezcla aire seco y vapor de agua por unidad de masa de aire seco. La masa específica del aire húmedo no es igual a su volumen específico. La masa específica del aire húmedo es la relación entre la masa total de la mezcla y el volumen que ocupa.

Temperatura psicrometrica del bulbo húmedo

Un psicrómetro (figura 1) se compone de dos termómetros, uno de ellos envuelto por una tela constantemente humedecida (termómetro de bulbo húmedo) y otro, al lado del primero, en simple equilibrio térmico con el aire atmosférico (termómetro de bulbo seco). El termómetro de bulbo húmedo recibe sobre sí un flujo de aire constante por medio de un sistema de ventilación. Se evapora así la humedad y se retira energía del bulbo húmedo; la temperatura baja y al llegar al punto de equilibrio se estabiliza. La temperatura que registra el termómetro en esas condiciones se llama "temperatura psicrométrica del bulbo húmedo", Tbh.

Figura 1. Psicrómetro con sistema de aspiración del aire.

Grafico psicrometrico

Las propiedades termodinámicas de la mezcla aire seco y vapor de agua que constituyen el aire atmosférico se pueden presentar adecuadamente en forma de gráfico, recibiendo el nombre de gráfico psicrométrico. El gráfico psicrométrico se construye para una presión atmosférica determinada, existiendo curvas de corrección para otras presiones.

Hay diferentes gráficos psicrométricos en uso; ellos difieren en cuanto a la presión barométrica, el rango de temperaturas, número de propiedades comprendidas, elección de las coordenadas y temperatura de referencia para la entalpía. El gráfico de uso más frecuente en Estados Unidos es aquél en que la razón de humedad o presión de vapor, que es una de las coordenadas, se gráfica en función de la temperatura del bulbo seco, y en el que la otra coordenada que se selecciona para la construcción (coordenada oblicua) es la entalpía. En Europa, en cambio, se usa el gráfico de Mollier, cuyas coordenadas son la razón de humedad y la entalpía. En las figuras 2 y 3 se presentan gráficos psicrométricos para temperaturas normales y temperaturas elevadas, construidos para la presión atmosférica normal. Las figuras 4 al 7 muestran los valores para presiones atmosféricas inferiores a las normales.

Figuras 2. Gráfico psicrométrico para temperaturas normales

Figura 3. Gráfico psicrométrico para temperaturas elevadas

Figura 4. Gráfico psicrométrico para presiones atomosféricas inferiores a las normales. Altitud: 750 m.

Gráfico psicrométrico para presiones atomosféricas inferiores a las normales. Altitud: 1 500 m.

Gráfico psicrométrico para presiones atomosféricas inferiores a las normales. Altitud: 2 250 m.

Gráfico psicrométrico para presiones atomosféricas inferiores a las normales. Altitud: 3 000 m.

Una vez elegidos las coordenadas, las demás propiedades aparecen en el gráfico psicrométrico como parámetros. Dos propiedades independientes cualesquiera, incluyendo la temperatura psicrométrica del bulbo húmedo, fijan el estado de la mezcla (punto de estado). La figura 8 muestra en forma esquemática las líneas que representan las propiedades termodinámicas del aire húmedo en el gráfico psicrométrico.

Figura 8. Líneas de las propiedades termodinámicas del aire húmedo en el gráfico psicrométrico.

Determinación de las propiedades en un punto de estado

Supongamos que por medio de un psicrómetro de aspiración se ha determinado que la temperatura del bulbo seco es de 25°C y la temperatura del bulbo húmedo, de 20°C. Mediante el gráfico psicrométrico se pueden determinar las demás propiedades termodinámicas del aire húmedo. En el cuadro 2 se muestran los valores de las propiedades del aire húmedo definidas en ese punto de estado, obtenidos del gráfico psicrométrico (figura 9) en el cual se representa ese punto de estado por el número 1.

CUADRO 2: Propiedades termodinámicas del aire húmedo definidas en un punto de estado

Figura 9: Gráfico psicrométrico de las propiedades termodinámicas del aire húmedo definidas en un punto de estado.

Para complementar los conocimientos se propone que se determinen las propiedades termodinámicas del aire en los puntos de estado constantes del cuadro 3, utilizando el gráfico psicrométrico.

CUADRO 3: Propiedades termodinámicas del aire húmedo definidas en diversos puntos de estado

Calentamiento y enfriamiento sensible del aire

Cuando se entrega energía al aire, la temperatura aumenta pero la razón de humedad permanece constante, pues no hay ni aumento ni disminución en la cantidad de masa de la mezcla (aire seco y vapor de agua). Igual cosa sucede con el enfriamiento del aire; se retira energía y la razón de humedad permanece constante. Por lo tanto, los procesos de calentamiento y enfriamiento del aire aparecen en el gráfico con líneas horizontales, paralelas a la abscisa, a partir del punto de estado en que se encuentra el aire. En la figura 9, el aire (cuyas propiedades termodinámicas están en el punto de estado definido por T= 25°C y Tbh = 20°C, pasa primero por un proceso de calentamiento hasta la temperatura de 46°C; en otro proceso pasa, por enfriamiento hasta la temperatura de 20°C.

En el cuadro 4 están los valores de las propiedades del aire al término de los procesos de calentamiento y enfriamiento señalados en el gráfico psicrométrico (figura 10).

Durante el calentamiento de 25°C a 43°C, la entalpía del aire pasó de h1 = 57,5 kJ.kg^-1 de aire seco hasta h2 = 80,0 kJ.kg^-1 de aire seco, lo que significa que es preciso proporcionar 22,5 kJ.kg^-1 de aire seco para llevar la masa de aire del punto correspondiente al estado 1, al punto del estado 2. Durante el enfriamiento de 25° a 20°C hay que retirar 5 kJ.kg^-1 de aire seco para llevar el aire con las condiciones del punto de estado I al punto de estado 3.

Figura 10. Representación del calentamiento y enfriamiento del aire húmedo en el gráfico psicrométrico.

CUADRO 4: Propiedades termodinámicas del aire en los procesos de calentamiento y enfriamiento

Enfriamiento con deshumedecimiento. Durante el enfriamiento del aire, cuando alcanza la curva de humedad relativa máxima (Ø = 100%) se tiene el punto de roció El enfriamiento de ese aire moverá el punto de estado sobre la linea de saturación, con lo que se condensará una parte del vapor de agua presente en el aire. En consecuencia, la razón de humedad disminuirá.

En la figura 11 se muestra el enfriamiento de una masa de aire con sus propiedades termodinámicas definidas en el punto de estado 1 (T = 25°C y T_bh = 20°C) y el punto de estado 4. Se observa que el punto de estado se desplaza horizontalmente hacia la izquierda hasta llegar a la línea de saturación, lo que indica que se alcanzó el punto de roció (punto 4).

Si el enfriamiento continúa hasta la temperatura de 14°C (punto S) habrá condensación de 0,0027 kg de vapor/kg de aire seco y la entalpía del aire disminuirá en 18,5 Kj/kg de aire seco. En el cuadro 5 se proporcionan los valores de las propiedades termodinámicas del aire en el proceso descrito.

Figura 11. Representación del enfriamiento con deshumedecimiento del aire húmedo en el gráfico psicrométrico.

CUADRO 5: Propiedades termodinámicas del aire en el proceso de enfriamiento con deshumedecimiento

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