Aire y Vapor de Agua. Psicometría. Propiedades de las mezclas Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido
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Objetivo de este procesador:

Sobre el Procesador o Calculador_Energético y el modo de empleo.
Descripción técnica. Calcular la humedad absoluta contenida en una masa de aire.
Formulario de entrada.
Términos empleados en las operaciones de humidificación y dehumidificación
Fundamento técnico
Panel de resultados. Inducir el razonamiento e impulsar soluciones de rectificación de la operación de los equipos afectados.
Nota: El contenido de esta página se muestra sólo si se utiliza el procesador. Requiere insertar datos de un problema real, enviarlos y se mostrará el Panel de Resultados y el resto de la información.

Sobre el Procesador o Calculador_Energético y el modo de empleo.

El procesador podrá asimilar tres variantes u opciones:

Para mayor información, puede consultarse o descargarse el Artículo Aire y Vapor de Agua. Psicometría. Propiedades de las mezclas, disponible en Libre Acceso.

Opción 1: Si el usuario dispone de la temperatura ambiente o bulbo seco (tbs), la presión barométrica, (psia) y la temperatura del bulbo húmedo (tbh)

Opción 2: Si el usuario dispone y registra en el Formulario de Entrada la temperatura ambiente o bulbo seco (tbs), la presión barométrica, (psia) y la humedad relativa (hr).

Opción 3: Si el usuario dispone y registra en el Formulario de Entrada la temperatura ambiente o bulbo seco (tbs), la presión barométrica, (psia) y la temperatura de rocío(tr).

En todas opciones se requiere registrar la presión barométrica, en psia.

Opción 1.
Se conoce la temperatura ambiente, tbs, la presión barométrica, psia, y la temperatura del bulbo húmedo, tbh.

Realizando un balance de energía considerando un proceso de saturación adiabático, se puede calcular la cantidad de agua que contiene cada unidad de masa de aire. Para ello primero se calcularan las densidades del vapor de agua (ρvap) y del aire (ρaire) bajo condiciones de saturación a la tbh y su cociente es la humedad absoluta a esa temperatura.

Con este dato se realizará un balance de calor y se calculará a la humedad absoluta a la tbs.

Ww*hgw-0.24*(tbs-tbh)]/(hgtbs-hltbh)

Conocida la humedad absoluta se podrá calcular la presión parcial del vapor de agua en la mezcla a la tbs que al compararla con la presión del vapor a la tbs, nos demuestra cuán lejos está la mezcla aire - vapor del estado saturado, que es el punto en que la mezcla no admite absorber más agua. Ese cociente es igual a su humedad relativa y se expresa en porciento.

Determinando la presión parcial del vapor de agua en la mezcla a la tbs, se calcula la temperatura de saturación, que es donde condensaría el vapor de agua contenido en la mezcla si comenzamos a reducir su temperatura bajo las condiciones atmosféricas pre establecidas. La temperatura donde aparezca la primera gota, se corresponderá con el punto o temperatura de rocío. Completa la información el cálculo del calor específico y la entalpía de la mezcla aire_vapor. Seguidamente se presenta la lista de parámetros que el procesador resuelve.

1- Parámetros Psicométricos
Densidad aire, lb/pie3
Densidad del aire a tbs en zona recalentada, lb/pie3
Humedad absoluta, lbH20/lb aire seco
Humedad absoluta aire saturado a tbs, lbH20/lb aire seco
Humedad relativa, %
Temperatura de rocío °F
Cp del aire_vapor a la tbs, Btu/lb -
Vol. aire a la tbs, pie3/lb
Entalpía del aire a la tbs, Btu/lb

2- Parámetros Auxiliares
Presión del vapor a la tbh, psia
volumen específico vapor, pie3
Densidad vapor a tbh, lb/pie3
Densidad del vapor a tbs y sobre la curva de saturacion, lb/pie3
Densidad del vapor a tbs en zona de mezcla, lb/pie3
Entalpía del vapor a tbs, Btu/lb
Entalpía del vapor a tbh, Btu/lb
Entalpía del agua liq. a tbh, Btu/lb
Entalpía mezcla en la zona equilibrio liq._vap.a tbh, Btu/lb
Presión de vapor agua a tbs en zona de equilibrio
Presión de vapor agua a tbs a condiciones saturado
Presión parcial aire a tbs en zona recalentada

Opción 2.

Conocida la temperatura ambiente o tbs, la presión barométrica, psia y la humedad relativa, hr, se calculará la presión parcial del vapor recalentado ppvaptbs a la temperatura ambiente tbs, reportándolo en unidades psia. Con el valor de la presión barométrica psia y la presión parcial del vapor recalentado ppvaptbs, se podrá calcular la humedad absoluta en las condiciones de temperatura ambiente tbs. En esta opción se podrá determinar la temperatura de rocío del vapor de agua, trocio, la densidad de la mezcla aire-vapor, densmezclatbs, y la densidad del aire seco, densairetbs.

Al no disponer del dato primario de la tbh, no se pueden calcular las propiedades del aire bajo las condiciones de saturación. Para determinar la tbh de una mezcla aire_vapor, se requieriría  conocer la presión de vapor de agua sobre la curva de saturación (pvaptbs_sat), considerando que la mezcla aire_vapor en ese estado contiene toda el agua en forma de vapor capaz de transportar o absorber a esa temperatura.

El procedimiento común  que se sigue para determinar la tbh es utilizando el psicómetro, instrumento que mediante dos termómetros, uno en contacto con un medio húmedo, se le hace pasar una corriente de aire ambiente a alta velocidad, buscando la transferencia de la masa de agua al aire. Ese proceso de transferencia resta calor del aire para evaporar el agua en dependencia de su capacidad de absorberla y disminuye la temperatura del bulbo del termómetro hasta que el aire no admite evaporar  más agua, manteniéndose  constante la temperatura. Ese valor constante se corresponde con  la temperatura húmeda o del bulbo húmedo.

Otro método, es a través de cálculo y realizando un algoritmo  de iteración, si se conocen previamente algunas variables psicométricas.

 a) Conociendo la presión barométrica, la tbs y la presión parcial del vapor bajo condiciones reales, zona recalentada (ppvaptbs_rec)   a la que se encuentra la mezcla aire_vapor,  se puede obtener el valor de la pvaptbs_sat  a la temperatura del bulbo húmedo, si asumimos un valor de  tbh. Con el valor asumido se va a la  Tabla de Vapor Saturado y se determina pvaptbs_sat

 b) Sustituyendo los valores conocidos en la siguiente expresión, obtenemos el valor de la variable resultado.  

resultado=pvaptbs_sat- ((psia-pvaptbs_sat)*(tbs-tbh_sat)/(2830 - 1.44*tbh_sat))

resultado <=> ppvaptbs_rec

NOTA: Termodinamica, Virgil M. Faires, Temperatura de la apolla húmeda, pag. 555

Esta expresión genralmente se utiliza para determinar la presión del vapor de agua presente en una mezcla aire_vapor en cualquier estado.

La solución  se satisface cuando el valor de resultado alcanza el valor ppvaptbs_rec y en ese punto el valor de la tbh es la buscada.

En esta opción se completa la información calculando el calor específico y la entalpía de la mezcla aire_vapor. En esta opción el Panel de Salida muestra:

1- Parámetros Psicométricos
Temperatura del Bulbo Húmedo, tbh, °F
Densidad aire, lb/pie3
Densidad del aire a tbs en zona recalentada, lb/pie3
Humedad absoluta, lbH20/lb aire seco
Humedad absoluta aire saturado a tbs, lbH20/lb aire seco
Humedad relativa, %
Temperatura de rocío °F
Cp del aire_vapor a la tbs, Btu/lb - °F
Vol. aire a la tbs, pie3/lb
Entalpía del aire a la tbs, Btu/lb (*)

2- Parámetros Auxiliares
Densidad del vapor a tbs y sobre la curva de saturación, lb/pie3
Densidad del vapor a tbs en zona de mezcla, lb/pie3
Entalpía del vapor a tbs, Btu/lb
Presión de vapor agua a tbs en zona de equilibrio,psia
Presión de vapor agua a tbs a condiciones saturado,psia
Presión parcial aire a tbs en zona recalentada,psia

Opción 3.

En ocasiones se requiere determinar las propiedades de la mezcla aire_vapor al final de un proceso de calentamiento o enfriamiento manteniendo la humedad absoluta constante. La condición de humedad absoluta constante es equivalente a temperatura de rocío constante. Para ello el punto inicial del proceso ha sido caracterizado y se conocen sus parámetros psicométricos, entre ellos la humedad absoluta y el punto o temperatura de rocío de la mezcla aire_vapor.

Conocida la temperatura ambiente o tbs, la presión barométrica, psia y la temperatura de rocío, tr, se calculará la presión parcial del vapor recalentado ppvaptbs a la temperatura ambiente tbs, reportándolo en unidades psia. Con el valor de la presión barométrica psia y la presión parcial del vapor recalentado ppvaptbs, se podrá calcular la humedad absoluta en las condiciones de temperatura ambiente tbs. En esta opción se podrá determinar la humedad relativa de la mezclla aire_vapor, hr, la densidad de la mezcla aire-vapor, densmezclatbs, y la densidad del aire seco, densairetbs. Completa la información calculando el calor específico y la entalpía de la mezcla aire_vapor. En esta opción 3 el Panel de Salida muestra los mismos parámetros que en la Opcion 2 anterior.

Opción extra

Si se quiere determinar las propiedades de la mezcla aire_vapor sobe la curva saturación a una temperatura dada, pues en el Formulario general se puede seleccionar para la temperatura del bulbo húmedo, la misma temperatura del bulbo seco. O también se selecciona el 100% de humedad relativa y se omite la tbh. El procesador reportará las variables para el punto de la Carta Psicométrica donde la vertical de la temperatura del bulbo seco corta la curva de saturación.

Bases o límites del procesador:

a) El procesador no admite valores de presión barométrica inferiores a 10 psia ya que no son condiciones atmosféricas frecuentes.
b) El procesador no admite temperaturas inferiores a 32 ºF y superiores a 110 ºF. El primero se corresponde con el límite de las propiedades termodinámicas del vapor saturado reportados en las datas reconocidas de Keenan y de amplio uso mundial. El procedimiento utilizado para calcular los parámetros psicométricos de la mezcla aire_vapor se basa en que el vapor de agua en el aire a la condición ambiente o próxima a este, se encuentra en un estado que se aproxima al gas ideal y por lo tanto se pueden utilizar sus relaciones. Se considera que se cumplen esas relaciones cuando la presión del vapor es alrededor de 1 psia (0.07 kg/cm2) o menor. Para asegurar el estado próximo al ideal, el límite superior se fija en 110 ºF (43.3 ºC) o 1.2748 psia (0.08672 kg/cm2) y como antes explicamos, el inferior en 32ºF (0ºC) ó 0.08854 psia (6 E-03 kg/cm2).
c) Es práctica norteamericana en los cálculos de aire acondicionado considerar la entalpía del aire seco a partir de 0ºF (-17.7 ºC) y la entalpía del vapor a partir de la referencia de 32 ºF ( ó 0ºC ). El procesador reporta la información basado en estas referencias.

Registre la información que dispone y realice su procesamiento. Se mostrará el Panel de Resultados con el resto de la información de la página. En todas las opciones es obligatorio registrar el valor de la presión atmosférica y de la temperatura del bulbo seco o ambiente.


Descripción técnica.

De una manera sencilla este Calculador determina la cantidad de agua contenida en el aire atmosférico. Dicho así, para los que desconocen sobre este tema, no tiene significación alguna y menos práctica. Pues, no es así tan de simple.

El agua contenida en el aire es un buen problema energético a resolver, tanto en aquellos procesos que se afectan por la humedad del aire y se requiere extraer el agua vaporizada y presente en él, cómo en aquellos procesos que ocurre lo contrario, se requiere humidificar el aire. En ambos sentidos, el problema energético está presente e inducidamente las emisiones de CO2 a la atmósfera. Todo está en conocer esa vinculación.

Revisaremos brevemente el fundamento técnico en que se basará el Calculador_Energético Aire_Vapor de agua.

Términos empleados en las operaciones de humidificación y dehumidificación.

Gas y Vapor: Se define con el término Gas a la sustancia que está presente solamente en la fase gaseosa y vapor el componente que está presente tanto en la fase líquida cómo en la gaseosa.
También se denomina gas a toda sustancia que esté por encima de su temperatura crítica y vapor a la que se encuentra por debajo de ella, debido a que el vapor puede condensarse si se reduce la temperatura, o se aumenta su presión a temperatura constante.
La condensación y vaporización de sustancias puras a temperatura y presión constante son procesos de equilibrio y a la presión de equilibrio se denomina presión de vapor. A una temperatura dada hay una sola presión de vapor, en la cual existen las dos fases y el líquido está en equilibrio con su vapor.
Diagrama p-t: Si para cada valor de temperatura hay una presión de vapor, cada sustancia pura describirá una curva en un diagrama p-t. La curva p-t indica la separación entre la fase vapor y la fase líquida. Los puntos de coordenadas presión - temperatura que trazan o sobre la curva, pertenecen a la zona de equilibrio y se conocen como puntos de saturación, donde la temperatura y la presión es la de saturación.
Punto de Rocío: Cuándo el vapor de agua se encuentra a una temperatura y presión tal que está listo para comenzar a condensarse y aparecer la primera gota de líquido, se conoce como punto de rocío o dew point y la temperatura en este punto, como temperatura de rocío, tr.
Punto de ebullición: Cuándo ocurre lo contrarío y el agua está a punto de evaporarse y generar la primera burbuja de vapor, se conoce como punto de ebullición o bubble point.
Gas saturado: Es aquel que está en equilibrio con el líquido a la temperatura del gas.
Vapor saturado: En la zona que existe presencia de líquido y vapor, el vapor es húmedo y la zona se define como saturada a esas condiciones
La temperatura de recalentamiento es la diferencia que existe entre la temperatura de vapor recalentado y la de saturación, a esa misma presión.
La temperatura de subenfriamiento es la diferencia entre la temperatura del líquido subenfriado y la temperatura de saturación manteniendo la presión constante.
La calidad de un vapor se mide como la fracción en peso entre las moléculas de vapor y el total de la mezcla vapor - gas.
Las propiedades exactas del vapor saturado y el vapor recalentado se pueden encontrar en las Tabas de Vapor de Keenan y Keyes. En nuestra web estas tablas están digitalizadas y automatizadas, y pueden consultarse en los Calculadores_Energéticos Propiedades del Vapor Saturado y Propiedades del Vapor Recalentado.
Humedad absoluta es el número de las libras de vapor de agua contenidas en un libra de gas libre de vapor.
La humedad absoluta depende exclusivamente de la presión parcial del vapor de agua en la mezcla, cuando la presión total es fijada.
La relación molar de vapor a gas, para la presión de una atm, es pa/(1-pa) dónde pa es la presión parcial del vapor de agua en la mezcla y (1-pa) la del aire.

x=	Ma * pa
	Mb(1-pa)

siendo Ma y Mb = pesos moleculares de los componentes A y B, respectivamente. La humedad absoluta está relacionada con la fracción molar en la fase gaseosa Mb
Humedad relativa: Es la relación entre la presión parcial del vapor de agua contenido en el gas a una temperatura dada y la presión de saturación a esa misma temperatura. Representa la cantidad parcial que vapor de agua que contienen la masa de aire y lo alejado que puede estar del total de agua que esa masa de aire sería capaz de contener.

Breve explicación del fundamento técnico de este proceso, refiriéndonos a la mezcla aire-vapor que es la que nos interesa.

El agua realiza un proceso de trasferencia molecular con el aire denominado de saturación adiabático. Pasa al aire el agua (vaporización - humidificación) o se extrae del aire (condensación-dehumidificación) y ocurre idealmente sin intercambio de calor con el exterior. De ahí que las relaciones pueden establecerse con un grado aceptable de precisión para los trabajos de ingeniería o de campo.

Es un proceso de transferencia de masa que depende principalmente de que el aire esté en contacto con la superficie del líquido, de la capacidad de evaporarse del líquido y de la cantidad de líquido que inicialmente la masa de gas contenga. También de la temperatura ambiente del aire. Estas condiciones físicas generan un potencial motriz, de la misma forma que la diferencia de potencial (voltaje) genera el flujo de electrones (corriente) en un conductor eléctrico y se produce el trabajo eléctrico. La trasferencia de masa puede ser desde el agua al aire o el proceso inverso.

Cuando el aire pasa a través de un líquido, agua, esta se evaporará entrando en la corriente de aire, a menos que el aire ya contenga suficiente agua como para que esté "saturado" de agua. Si el sistema es adiabático, cómo ya hemos definido, el calor para evaporar el agua procede del aire y del líquido. A medida que el agua se va evaporando, el sistema va alcanzando el punto en que el aire se satura, que llamaremos de equilibrio. Cuando se alcanza este equilibrio mutuo, sin más evaporación, la temperatura se habrá asentado en un valor designado por la temperatura de saturación, o tw. En ese punto, todo el líquido quedará a la temperatura tw, que es la de saturación adiabática. Durante la operación se transfiere agua al aire, y la cantidad que pasa dependerá de la mezcla de aire - agua entrante, si esta ya contiene o no, una cantidad de agua inicial.

A medida que el aire circula su humedad va aumentando y su temperatura disminuye, aproximándose a tw como límite. Este proceso de saturación es irreversible. La temperatura de saturación tw de la mezcla aire - agua es ligeramente superior a la temperatura de rocío del vapor de agua, tr.

En el proceso adiabático que ocurre, están relacionadas las propiedades y variables de estado siguientes:
had - la entalpía de la mezcla aire - agua de 1 kg (1 lb) a la temperatura del bulbo seco, ta.
haw - la entalpía de la mezcla aire - agua de 1 kg (1 lb) a la temperatura de saturación, tw
hvd - la entalpía del vapor recalentado 1 kg (1 lb) en el aire entrante a la temperatura del bulbo seco, ta
hvw - la entalpía del vapor saturado 1 kg (1 lb) a la temperatura de saturación adiabática, tw
hfw - la entalpía de 1 kg (1 lb) de agua saturada, a la temperatura de saturación adiabática, tw
Ww - relación de humedad a la temperatura de saturación adiabática, tw
Wd - relación de humedad del aire a la entrada y a la temperatura ambiente, ta