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PSICROMETRÍA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introducción

En los procesos a los que estará sometido el aire en una cámara frigorífica, habrá que tener en cuenta la presencia de vapor de agua. La psicrometría estudia las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua.

Recordemos que la humedad relativa (o grado higrométrico) es el porcentaje de vapor de agua contenido en el aire en relación a la cantidad que contendría si estuviese saturado a la misma temperatura.

El punto de rocío es la temperatura a la que empieza la condensación del vapor de agua cuando se enfría el aire a presión constante y sin variación de la masa de agua que contiene.

La temperatura seca es la temperatura medida por un termómetro ordinario.

La temperatura húmeda es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo se halla envuelto por un trozo de gasa empapada de agua destilada y ventilado con una velocidad de aire suficiente. La evaporación del agua en la gasa absorbe calor, el cual se transmite al aire. La temperatura del bulbo deberá descender más, en relación al termómetro seco, cuanto más seco este el aire. Los dos termómetros, el seco y el húmedo, indican, pues, la misma temperatura con el aire saturado.

La medida de las temperaturas seca y húmeda se puede realizar bien con un psicrómetro o bien con otros aparatos tales como el higrómetro de Aluard, el higrómetro de cabello, etc.

En realidad el aire seco no existe en la naturaleza; siempre contiene una cierta cantidad de vapor de agua, pero, para los cálculos de ventilación y refrigeración, se hace referencia a menudo al Kg, o al m3 de aire seco.

Una característica importante es que, a igualdad de volumen, el aire húmedo es más ligero que el aire seco.

Por otro lado, la presión natural del aire, o presión atmosférica, varía con la altitud dentro de unos límites no despreciables, y también según sean las condiciones atmosféricas. Cerca del nivel del mar, esta presión varía corrientemente entre 735 y 775 mm de mercurio. En los cálculos podrá emplearse una presión media de 760 mm de mercurio.

Otra consideración a tener en cuenta es que, para las presiones y temperaturas en que nos vamos a mover, en general, podremos considerar que el vapor de agua y el aire se comportan como gases perfectos, por lo que podremos aplicar la ley de Dalton.

Diagrama psicrométrico

Para poder efectuar con más facilidad los distintos cálculos necesarios, se reúnen numerosos datos en los diagramas psicrométricos, o diagramas del aire húmedo. Contienen los siguientes datos: temperatura seca, temperatura húmeda, humedad relativa, entalpía, masa de agua por kg de aire seco, o por m3 de aire seco, en gramos, y , algunas veces, información complementaria, tal como, por ejemplo, el volumen másico en m3/Kg

El diagrama psicrométrico permite, pues, representar las características del aire y la evolución de las mismas en función de los tratamientos a que es sometido.

Las coordenadas del diagrama son el contenido de vapor de agua como ordenada y la temperatura de la mezcla aire-vapor como abscisa. En el diagrama representado en la página anterior, además, se observa la forma que tienen las líneas de humedad relativa, temperatura húmeda, entalpía específica y volumen específico constantes. Una vez que conozcamos la posición del punto que caracteriza un estado determinado del aire (por ejemplo a partir de la temperatura seca y del contenido, en g/Kg de aire, de agua) podremos averiguar el resto de las características.

Una observación que hay que hacer es que, a masa igual de vapor de agua, basta que la temperatura se eleve para que se seque el aire húmedo (disminuya la humedad relativa), e inversamente.

Si enfriamos el aire, manteniendo el contenido en masa de agua constante, observamos que se produce un descenso de la humedad relativa; cuando llegamos al 100% de humedad (línea de saturación) ya no será posible seguir enfriando sin variar el contenido en masa de agua, puesto que las temperaturas inferiores ya no admiten tal cantidad de agua.

Es interesante saber que, en ciertos casos, se puede correr el riesgo de que se produzcan condensaciones; por ejemplo, dentro de una cámara frigorífica, en los elementos con una temperatura inferior a la temperatura del aire, tales como las tuberías del circuito de refrigeración o el serpentín del evaporador, pueden producirse condensaciones. Esto es debido a que al enfriarse el aire que está próximo a estas zonas más frías, se satura y pierde parte de su contenido de humedad.

La escala de entalpía que aparece en el diagrama tiene su origen, generalmente a 0º C para aire seco. En realidad, es evidente que la entalpía del aire no es nula a 0ºC, ni tampoco negativa para temperaturas inferiores a 0 ºC, pero esto no tiene importancia puesto que sólo se trabaja sobre diferencias de entalpías.

Todas las variaciones de calor total en el aire pueden representarse en el diagrama psicrométrico; éstas pueden descomponerse en calor sensible y calor latente.

El calor sensible provoca una elevación o un descenso de la temperatura del aire según exista calentamiento o enfriamiento, y el calor latente corresponde a un aumento o a una disminución de la masa de vapor de agua contenida en el aire, sin cambio de temperatura. Cuando una transformación tiene lugar sin variar el contenido en vapor de agua, se tiene una variación de calor sensible, no latente. Por el contrario una transformación en calor latente tiene lugar, cuando se varia el contenido de vapor de agua, manteniendo constante la temperatura seca.

 

Estudio de las máquinas frigoríficas

A continuación vamos a resumir brevemente el funcionamiento de una máquina frigorífica.

 El método más importante de refrigeración y el más extendido está fundado en la ebullición de algún líquido adecuado hasta su estado gaseoso. En este proceso el calor es extraído del espacio a enfriar con el fin de proveer el calor latente de vaporización necesario para el cambio de estado líquido  a gaseoso. Para que la transferencia de calor tenga lugar, es necesario que la temperatura de ebullición del líquido sea inferior a la temperatura del medio.

 

Es posible variar la temperatura de ebullición de una sustancia variando la presión ejercida sobre ella. De esta forma podemos variar la temperatura a la cual se absorbe el calor.

 En la práctica, al fluido se introduce en un circuito frigorífico en el que se le somete a un ciclo que comprende: compresión, condensación, expansión y evaporación.

 

            Los principales elementos que componen un circuito frigorífico son:

                                   - Fluido refrigerante.

                                   - Compresor.

                                   - Condensador.

                                   - Válvula de expansión.

                                   - Evaporador.

                                   - Elementos adicionales.

 

 Fluido refrigerante:

 Es el elemento que va a evolucionar por el circuito frigorífico, sufriendo transformaciones de presión, temperatura, energía y cambios de estado de líquido a gas o viceversa. Después de ser vaporizado  vuelve a utilizarse y no se agota.

Compresor:

El compresor, que puede ser de distintos tipos, tiene como misión comprimir el refrigerante en fase gaseosa. Es accionado por un motor eléctrico, toma el gas a una determinada presión y temperatura, y lo suelta a mayor presión y al mismo tiempo a mayor temperatura y con mayor energía.

Condensador:

Los condensadores reciben el vapor refrigerante recalentado procedente del compresor, eliminan el recalentamiento del vapor y , a continuación, lo licúan. Es el lugar donde se produce la eliminación del calor. Algunos fluidos, tales como aire o agua, son los encargados de llevarse el calor fuera del sistema; estos fluidos caracterizan al condensador, que por consiguiente, puede ser de enfriamiento por aire o por agua.

El conjunto formado por el condensador y el compresor recibe el nombre de unidad de condensación.

Dispositivo de expansión:

Después del compresor y del condensador, el elemento fundamental que sigue en el sistema de compresión de vapor es el dispositivo de expansión. Tiene un doble fin: reducir la presión del líquido refrigerante, y regular el paso de refrigerante al evaporador.

El fluido refrigerante, al pasar por este elemento de expansión, pierde presión, pero sin quedar afectado en cuanto a su energía. El trabajo mecánico de la expansión se compensa con una evaporación parcial del líquido, cuya parte restante en estado líquido se enfría.

Evaporador:

Al igual que el condensador, es un intercambiador de calor, que se encuentra entre la salida del sistema de expansión y la entrada al compresor, cerrando de esta forma el circuito. El líquido refrigerante a baja presión procedente del sistema de expansión, se evapora en este intercambiador. Como consecuencia de este cambio de estado de líquido a gas, el refrigerante debe absorber gran cantidad de energía. El evaporador es, por tanto, el elemento que extrae el calor del medio que queremos enfriar.

Otros elementos:

Además de los elementos anteriores hay otros elementos en el circuito frigorífico, tales como las tuberías, elementos de protección, etc.

            

 

Diagrama entálpico.

Para la representación del ciclo frigorífico se acostumbra a utilizar los diagramas entálpicos

            Estos diagramas se establecen para una masa de fluido de 1 kg, lo que permite olvidar las variaciones del volumen específico en el transcurso del ciclo.

            El eje de las abcisas nos da la entalpía (h), y  el de las ordenadas la presión (p).    

            Podemos distinguir tres zonas, cada una de la cuales nos dará un estado del fluido frigorífico:

            -A la izquierda del diagrama tenemos exclusivamente líquido.

            -Por debajo de la curva tenemos una mezcla de líquido y vapor.

            -A la derecha tenemos exclusivamente vapor.

Dentro de la zona líquido-vapor pueden unirse todos los puntos de la misma relación de vapor x, para formar el haz de curvas a relación constante. Este haz converge hacia el punto crítico, representado en la parte superior de la curva. Los haces de curvas x=0 y x=1 coinciden, respectivamente, con las partes izquierda y derecha de la curva.

En la siguiente figura se puede observar la forma que tienen, en un diagrama entálpico, las curvas a relación constante, las isotermas, las adiabáticas (que además son isoentrópicas) y las isócoras (de volumen constante).

 

 

 

 

 

 

Representación del ciclo.

Cualesquiera que sea el ciclo funcional descrito por el fluido y el régimen de funcionamiento de la máquina frigorífica, el estudio sobre el diagrama entálpico de cada transformación elemental experimentada por el fluido, nos permitirá determinar el balance energético de cada aparato principal de la instalación.

Tomaremos el ciclo de funcionamiento de una máquina de compresión de un solo escalón, y para representar su funcionamiento sobre el diagrama entálpico admitiremos las tres hipótesis siguientes.

            -La compresión es perfecta y adiabática.

            -Los intercambios de calor entre el fluido y el ambiente son nulos en las tuberías.

            -Los rozamientos inherentes a la circulación del fluido no engendran ninguna pérdida de carga.

 

Balance de la expansión:

El fluido líquido llega al elemento expansionador bajo el estado 4 (temperatura t4 y presión pk). Entonces se produce la expansión por laminado a través de un orificio calibrado. Esta expansión es isoentálpica, es decir, es nula la variación de la entalpía, así como también el balance energético representado por esta variación; tenemos pues:

                                               h5 = h4

Esta expansión va acompañada de una evaporación parcial.

Balance del evaporador:

El fluido inyectado al evaporador en el estado 5 es una mezcla de líquido-vapor de relación x5 , y está caracterizado por su presión po y su temperatura to; se evapora desde 5 a 1, merced a la aportación calorífica que proviene del medio exterior, que queda absorbida por la parte del líquido restante en el estado 5 por liberación de su calor latente de evaporación. Su entalpía crece constantemente en el transcurso de esta transformación.

La cantidad de kilocalorías absorbidas en el curso de esta evaporación representará, pues, el frío producido, o sea:

                                               qo = h1- h5

Habiéndose establecido el diagrama para una masa de 1 kilogramo de fluido, esta variación de la entalpía (h1- h5) nos indicará el frío producido por kilogramo de fluido circulando en la instalación.

Balance del compresor:

Al entrar en el compresor, en el estado 1,el fluido recibe del medio exterior cierta cantidad de energía mecánica que, junto con la elevación de la presión y de la temperatura, aumenta su entalpía; el estado final de la transformación es el punto 2 representativo del estado del fluido al término de la compresión.

Vemos que la energía mecánica aportada al fluido para su compresión ha sido absorbida por el fluido y el equivalente calorífico teórico de este trabajo tiene un valor por kilogramo de fluido de:

                                               h2-h1

Su valor real será:

                                               W=(h2-h1) x 1/çindicado x 1/çmecánico

 donde çindicado es el rendimiento indicado y çmecánico es el rendimiento mecánico. El rendimiento indicado es el que tiene un compresor en relación con una compresión adiabática.

Balance del condensador:

Al salir del compresor bajo el estado 2, el fluido es admitido por el condensador donde se enfría, gracias a otro fluido exterior, condensándose para ser evacuado bajo forma líquida hacia el estado 4, con objeto de participar en un nuevo ciclo.

El fluido exterior que ha posibilitado esta transformación ha transportado al fluido frigorígeno la cantidad de calor absorbida en el evaporador junto con el correspondiente al equivalente del trabajo de compresión.  La variación de entalpía es:

                                               q = h2 - h4

 

 Además se cumple que:

                                               q = q0 + W

Coeficiente rendimiento frigorífico:

 Se define como la relación entre el frío producido qo y el equivalente calorífico del trabajo de compresión:

                       

 

Sobrecalentamiento del vapor:

 El vapor, por lo general, llega a la entrada del compresor recalentado, es decir, continúa absorbiendo calor desde su estado de vapor saturado seco para pasar a un estado sobrecalentado (tramo 1'-1).

Si despreciamos la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de aspiración, podrá suponerse que la presión del vapor permanece constante durante el sobrecalentamiento.

 En un ciclo con vapor sobrecalentado se cumple que:

                                               -El calor de compresión por Kg de refrigerante es ligeramente mayor .

-La temperatura del vapor descargado a la salida del compresor es mayor. Por tanto, la cantidad de calor por Kg de refrigerante eliminado en el condensador es mayor.

-El volumen específico del vapor sobrecalentado, suponiendo que la presión permanece constante durante el sobrecalentamiento, siempre es mayor. En este caso el caudal volumétrico en m3/h que el compresor debe manejar por capacidad unitaria refrigerante es mayor.

-La potencia requerida, por unidad de capacidad refrigerante del ciclo, es mayor para el ciclo sobrecalentado y menor el coeficiente de rendimiento (o eficiencia).

-Debido a lo anterior, el compresor, el motor del compresor y el condensador deberán ser mayores que para el ciclo saturado.

La razón de que se recaliente el vapor, a pesar de estos inconvenientes, es  eliminar la posibilidad de que parte del fluido pase en estado líquido al compresor, lo que podría causar efectos negativos en la capacidad del compresor, y causarle daños mecánicos.

 El sobrecalentamiento puede ocurrir en los siguientes puntos:

-Al final del evaporador

-En la tubería de aspiración instalada dentro del local refrigerado.

-En la tubería de aspiración localizada fuera del espacio refrigerado

-En un cambiador de calor.

 Cuando tiene lugar fuera del espacio refrigerado, puede evitarse en parte este recalentamiento aislando la tubería de aspiración. Este aislamiento también es necesario para prevenir la formación de escarcha en la superficie de la tubería. El aislamiento de la tubería, debido a esto, se deberá dimensionar de forma que, en la superficie exterior del aislamiento, la temperatura sea superior a la de rocío del aire de los alrededores.

Si el calor necesario para sobrecalentar el vapor es tomado del espacio refrigerado se aumenta el efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante en una cantidad igual a la cantidad de calor absorbido en el sobrecalentamiento (h1-h1'). Sin embargo el sobrecalentamiento no es económico más allá de lo necesario para lograr un funcionamiento adecuado.

Normalmente el vapor podrá ser sobrecalentado hasta 4-5ºC por debajo de la temperatura del local refrigerado.

Subenfriamiento de líquido:

Si el líquido refrigerante se subenfría antes de que llegue a la válvula de expansión (tramo 3-4), se incrementa el efecto frigorífico específico en una cantidad igual a h3-h4, según se observa en la representación del ciclo.

Debido al aumento del efecto frigorífico específico ocurre lo siguiente:

-El caudal másico por capacidad unitaria refrigerante es menor.

-El volumen de vapor desplazado por el compresor por capacidad unitaria refrigerante será menor, ya que el volumen específico del vapor que llega al compresor es el mismo.

-Como el calor de compresión por unidad de masa es igual para ambos ciclos el suministro de energía al compresor es también el mismo.

-El coeficiente de rendimiento del ciclo aumenta y disminuye la potencia necesaria.

El subenfriamiento puede tener lugar en varias partes y de diferentes maneras: en el recipiente de líquido, mientras circula por la tubería, mediante un subenfriador especial o mediante un cambiador de calor entre el líquido y el vapor frío del tramo de aspiración, recalentándose, de esta forma, los vapores de aspiración. Este último método no puede teóricamente justificarse sobre la base de un aumento de la capacidad y eficiencia del sistema. Sin embargo, debido a que el sobrecalentamiento es necesario, de esta forma se aprovecha el calor obtenido del subenfriamiento para conseguir el sobrecalentamiento.

 

Caídas de presión:

Si queremos aproximarnos más a un ciclo real tenemos que tener en cuenta las pérdidas de carga durante la circulación del refrigerante por las tuberías, evaporador, condensador, recipiente de líquido y a través de válvulas y demás accidentes del cricuito frigorífico.

Como resultado de la caída de presión en el evaporador, el vapor sale de él a una presión y temperatura de saturación menor y con un volumen específico más grande que el que se tendría al no haber ninguna pérdida de carga. Por esto, el caudal volumétrico movido por el compresor aumenta y la potencia requerida por capacidad frigorífica es también mayor, ya que el vapor debe ser comprimido salvando un incremento mayor de presión.

La caída de presión en un evaporador bien diseñado es de 0,14 a 0,21 Kg/cm2.  Idealmente, la tubería del tramo de aspiración debe ser diseñada de manera que la caída de presión no cause una disminución mayor de 1 ºC en la temperatura de saturación. Además, el vapor es comprimido en el cilindro del compresor hasta una presión considerablemente mayor que la presión de condensación. Esto es necesario para forzar la salida del vapor a través de las válvulas de descarga contra la presión de condensación y contra la presión ocasionada por la acción de los resortes en las válvulas de descarga. En la siguiente figura se tiene una representación de las caídas de presión en el ciclo: