Bloque I · Unidad Didáctica 2

Higrometría

El aire que tratamos lleva agua, y de su cantidad depende casi todo. Aquí el diagrama psicrométrico deja de ser un dibujo: marcas un punto y lees el resto, y sigues los procesos de tratamiento del aire moviéndolos con el dedo.

Máquinas y Equipos Térmicos · Vol. I

Objetivos de la unidad

Comprender la importancia de la calidad del aire en los sistemas de climatización.
Obtener las características del aire húmedo y sus magnitudes.
Conocer los aparatos básicos de medida en higrometría.
Analizar las operaciones elementales en el tratamiento del aire.
Representar dichas operaciones en un diagrama psicrométrico.

§ 2.1 Características del aire húmedo

Introducción

El objetivo de una instalación térmica es crear unas condiciones en un ambiente ocupado por aire. Para tratarlo bien hay que conocer su composición y, sobre todo, su contenido de agua: de él dependen el confort, la conservación de los productos y la salud. De ese estudio se ocupa la higrometría.

Conviene no confundir acondicionar (controlar a la vez temperatura, humedad, limpieza y movimiento del aire) con calefactar o refrigerar, que solo atienden a la temperatura. Las cuatro acciones de todo sistema de aire acondicionado son: control de temperatura, control de humedad, filtración/limpieza y circulación del aire.

Composición del aire

El aire seco es una mezcla de ≈21 % O₂, ≈78 % N₂ y ≈1 % de otros gases. El aire húmedo es aire seco + vapor de agua. En las condiciones de trabajo habituales ambos están lejos de su punto crítico, así que los tratamos como gases perfectos.

Magnitudes características del aire húmedo

Por la ley de Dalton, cada gas de la mezcla se comporta como si estuviera solo y la presión total es la suma de las parciales: P_atm = P_aire seco + P_vapor. Las magnitudes del aire húmedo se refieren siempre a 1 kg de aire seco.

Contenido de agua (w): kg de vapor por kg de aire seco (humedad absoluta o específica). Saturación / punto de rocío: temperatura a la que el aire, enfriado a humedad constante, empieza a condensar. Temperatura seca (θ) es la del termómetro normal; temperatura húmeda (θh) es la que alcanza el aire al saturarse adiabáticamente — siempre menor, y la diferencia entre ambas es tanto mayor cuanto más seco está el aire.

Un mismo aire puede llegar a saturarse por tres caminos distintos, y cada uno da nombre a una magnitud:

Presión saturante (Ps): a temperatura seca constante, añadimos vapor (subimos en vertical) hasta saturar.
Punto de rocío (θr): a contenido de agua constante, enfriamos (horizontal a la izquierda) hasta saturar.
Temperatura húmeda (θh): sin intercambiar calor (a entalpía constante) evolucionamos hasta saturar.

Interactivo 2·1Tres caminos a la saturación

Punto de partida — Temp. seca HR

Arrastra el punto. Cada flecha llega a la curva de saturación por un camino: vertical (Ps), horizontal (θr) y a entalpía constante (θh).

Interactivo 2·2Psicrómetro · bulbo seco frente a bulbo húmedo

bulbo seco θ

24 ºC

bulbo húmedo θh

17 ºC

Temp. seca 24 ºC Humedad relativa 50 %

Cuanto más seco el aire, más se separa el bulbo húmedo del seco (mayor evaporación en la gasa).

§ 2.2 Higrometría

Humedad absoluta y humedad relativa

Humedad absoluta (w) es la cantidad de agua por kg de aire seco; humedad relativa (HR) es qué fracción del agua máxima que admitiría ese aire (a esa temperatura) lleva realmente. Necesitamos las dos: la absoluta para dimensionar equipos, la relativa para controlar el confort y la conservación.

Aparatos de medida

El higrómetro mide la humedad a través de un material que cambia con ella; el psicrómetro son dos termómetros (seco y húmedo) que, leídos juntos, permiten obtener la HR con ayuda del diagrama.

Diagramas del aire húmedo

Los diagramas del aire húmedo representan gráficamente los valores que dan las tablas de los anexos; entre los de uso más habitual tomamos como referencia el diagrama de Carrier, a presión atmosférica normal (101,325 kPa). La curva de saturación (HR = 100 %) separa la zona útil (debajo) de la zona de niebla. Conociendo dos propiedades, las demás se leen sin calcular. Marca un punto y compruébalo: arrástralo, cambia de modo y sigue los procesos de tratamiento del aire.

Interactivo 2·3Diagrama psicrométrico de Carrier · punto, procesos y mezcla

Temp. seca HR

Arrastra el punto sobre el diagrama. En los modos con dos puntos, arrastra cualquiera de los dos.

§ 2.3 Aplicación de la higrometría en instalaciones térmicas

La importancia de la humedad

Al calentar aire sin añadirle agua (w constante), su humedad relativa cae, porque el aire caliente admite más vapor. Por eso una calefacción sin humidificación reseca el ambiente en invierno: partiendo de un aire exterior a 4 ºC y 75 % de HR, calentarlo a 22 ºC lo deja en torno al 23 % de HR, muy lejos del confort. Niveles bajos de HR afectan al confort, a la conservación de materiales y a la salud (mucosas, virus). Una franja razonable de confort: HR 30–70 % con 21–29 ºC.

Interactivo 2·4Calienta el aire y mira caer la humedad relativa

75% HR

a 4 ºC

Temp. seca

Partimos de aire a 4 ºC y 75 % HR (w constante). Sube la temperatura como haría una calefacción sin humidificación.

El diagrama sirve para leer propiedades y también para resolver procesos: mezcla de caudales, calentamiento/enfriamiento sensible y enfriamiento con deshumidificación. Pulsa “Resolver en el diagrama” en los ejemplos para verlos representados arriba.

Ejemplo 2.1

En un espacio de 8×5×2,5 m lleno de vapor de agua a 15 ºC y presión atmosférica, ¿qué volumen de aire seco y de vapor de agua saturado existe en dicho espacio? ¿Cuáles son las presiones parciales de ambos? y ¿qué cantidad de agua contiene dicho aire?

V = 100 m³θ = 15 ºCP_atm = 101,325 kPa

Volumen

Aire seco y vapor ocupan el mismo volumen que el recinto: 8·5·2,5 = 100 m³ cada uno.

Dalton

P_atm = P_vapor + P_seco. A 15 ºC, P_vapor,sat = 1,7 kPa ⇒ P_seco = 99,625 kPa.

Agua

ρ_vapor,sat(15 ºC) = 0,01283 kg/m³ ⇒ agua = 0,01283·100 = 1,283 kg.

Ejemplo 2.2

Vapor saturado a 15 ºC. ¿Qué humedad relativa tendrá si se sobrecalienta a 21 ºC?

ρ_sat(15 ºC) = 0,01283 kg/m³ρ_sat(21 ºC) = 0,01834 kg/m³

HR = (0,01283 / 0,01834)·100 = 69,95 %.

Ejemplo 2.3

Un psicrómetro lee 24 ºC de bulbo seco y 17 ºC de bulbo húmedo. ¿Cuál es la humedad relativa?

BS = 24 ºCBH = 17 ºC

En el diagrama

El cruce de 24 ºC (BS) y 17 ºC (BH) cae sobre HR ≈ 50 %.

Ejemplo 2.4

Higrómetro: HR 60 % con bulbo seco 27 ºC. ¿Cuál es el punto de rocío?

BS = 27 ºCHR = 60 %

En el diagrama

Desde el punto, horizontal (w constante) hasta saturación: PR ≈ 18,4 ºC.

Ejemplo 2.5

Sabiendo que cierta cantidad de aire presenta un contenido de agua de 14 g/kg de aire seco, determinar la humedad relativa y la cantidad de calor total cuando la temperatura de bulbo seco es de 32 ºC.

BS = 32 ºCw = 14 g/kg

En el diagrama

El punto cae entre las líneas de 40 % y 50 %: HR ≈ 47 %, con h ≈ 68,5 kJ/kg de aire seco. El calor total será ese valor por la cantidad de aire tratada.

Ejemplo 2.6

Bulbo seco 35 ºC y bulbo húmedo 22 ºC: determina todas las propiedades.

BS = 35 ºCBH = 22 ºC

Lectura directa

PR 15,8 ºC · w 11,3 g/kg · HR 32 %

Energía y volumen

Ve 0,89 m³/kg · ρ 1,12 kg/m³ · h 64,6 kJ/kg (≈ 15,44 kcal/kg)

Ejemplo 2.7 · mezcla

Mezcla de 2,12 m³/min de retorno (27 ºC BS, 19 ºC BH) con 0,71 m³/min de exterior (35 ºC BS, 24 ºC BH).

retorno 75,5 %exterior 24,5 %

Pesos

Con Ve≈0,87 y 0,895 m³/kg ⇒ ṁ = 2,44 y 0,79 kg/min ⇒ 75,5 % / 24,5 %.

Mezcla

θ_mezcla = 27 + (35−27)·0,245 ≈ 28,96 ºC de BS.

Ejemplo 2.8 · enfriamiento sensible

¿Qué calor sensible hay que extraer para llevar aire de 43 ºC BS / 21 ºC BH hasta 17 ºC BS?

1: 43/212: 17 ºC BS

Δh

h₁ 61 − h₂ 34,2 = 26,8 kJ/kg (≈ 6,41 kcal por kg de aire).

Ejemplo 2.9 · enfriar + deshumidificar

Evaporador que trata 4.000 m³/h de aire de 27 ºC BS / 20 ºC BH a 10 ºC BS / 9 ºC BH. Agua evacuada y potencia.

1: 27/202: 10/9Q = 4.000 m³/h

Agua

Δw = 0,0118 − 0,007 = 0,0048 kg/kg · ṁ = 4000/0,87 = 4.598 kg/h ⇒ ≈ 22,1 L/h.

Potencia total

Δh = 58 − 27,5 = 30,5 kJ/kg ⇒ Pot = 38,95 kW.

Sensible / latente

sensible 24,27 kW · latente 14,68 kW.

§ Ejercicios propuestos

2.1 · Para una temperatura seca de 30 ºC y un 50 % de humedad relativa, indicar la temperatura húmeda y la temperatura de rocío. ↑ Pruébalo en el diagrama psicrométrico (Interactivo 2·3).
2.2 · Para una humedad relativa del 80 % y una temperatura de rocío de 17 ºC, indica la entalpía y la cantidad de vapor de agua en g/kg. ↑ Pruébalo en el diagrama psicrométrico (Interactivo 2·3).
2.3 · Conociendo que la temperatura seca de un cierto aire es de 25 ºC y su humedad relativa del 85 %, indica todos los valores que puedas determinar del diagrama psicrométrico. ↑ Pruébalo en el diagrama psicrométrico (Interactivo 2·3).
2.4 · Para acondicionar un recinto se propone mezclar 400 kg de aire exterior a 30 ºC y 50 % HR con 800 kg de aire de retorno del interior del recinto a 20 ºC y 40 % HR. Determinar la temperatura del aire una vez mezclado. ↑ Modo «Mezcla» del diagrama (Interactivo 2·3).
2.5 · Se desea obtener 1.800 kg de aire a una temperatura de 21 ºC. Si tras aplicar la normativa vigente en ventilación es necesario introducir 800 kg de aire exterior y este está a 28 ºC, ¿a qué temperatura debería estar el aire interior en el momento de recircularlo? ↑ Modo «Mezcla» del diagrama (Interactivo 2·3).
2.6 · Las características del aire a la entrada de un condensador son 20 ºC BS y 60 % de humedad relativa. Si se desea que el aire se caliente hasta aumentar su temperatura en 8 ºC:
- a) Representar la evolución del aire en un diagrama psicrométrico.
- b) Calcular los valores de entalpía del aire a la entrada y salida del condensador.
- c) Si el caudal del aire medido a la entrada es de 2 m³/s, calcular el caudal correspondiente a la masa de aire.
- d) Calcular la potencia térmica evacuada en el condensador.
↑ Modo «Calentar / enfriar» del diagrama (Interactivo 2·3).

Puedes tantear todos sobre el diagrama de arriba antes de hacer los números.