Your SlideShare is downloading. ×
C2 ud2 aire_na1 psicrometria
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Saving this for later?

Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime - even offline.

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

C2 ud2 aire_na1 psicrometria

1,053
views

Published on

Published in: Education

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
1,053
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
10
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. A. GASOS I VAPORSLa matèria es pot presentar, en el nostre planeta, en 3 formes o estats: S, L i G. Hi ha un 4testat: plasma, és el que més abunda a lunivers.Dels cent i escaig elements coneguts, n’hi ha uns quants que són gasos a T i P ordinàries.Aquests gasos són el fluor, el clor, lhidrogen, el nitrogen, l’heli, el neó, l’argó, el criptó, el xenói el radó. La resta són sòlids, llevat del mercuri, el brom, el cesi i el franci, que són líquids.En estat gasos la matèria es caracteritza pel fet de:  no tenir forma ni volum propis i ocupar tot el volum del recipient que la conté, aquesta propietat s’anomena expansibilitat.  ser compressible, és a dir, té la propietat de disminuir el volum quan augmenta la pressió que s’exerceix damunt seu, i a la inversa.  variar de forma significativa el seu volum en variar la temperatura.  tenir una densitat molt baixa.Les partícules dels gasos circulen solitàries, independents, sense atraccions les unes amb lesaltres i separades per grans distàncies en relació a la seva mida. Es mouen contínuament entotes les direccions a gran velocitat, xocant les unes amb les altres i amb les parets del recipientque les conté, de manera que exerceixen una pressió sobre les parets. El valor d’aquestapressió dependrà de:  La quantitat de matèria del gas.  La temperatura. La rapidesa amb que es mouen depèn de la temperatura, ja que en augmentar aquesta, s’augmenta l’energia de les partícules.  El volum. L’espai on es mou el gas és el volum que ocupa, que correspon al volum del recipient.Pressió, quantitat de matèria, temperatura i volum són magnituds que es coneixen com avariables del gas.Un gas com el que acabem de descriure, en el qual les seves partícules no tenen volum i nos’atreuen entre si, l’anomenem gas ideal o perfecte. No tots els gasos es comporten d’aquestamanera, però ja que la majoria de gasos reals, a baixes pressions s’acosten al comportamentideal, en farem l’estudi com si tots els gasos fossin ideals.Les lleis que regeixen els gasos, independentment de la seva naturalesa, són molt senzilles. Lesprincipals són:  Llei de Boyle-Mariotte  Llei de Charles-Gay-Lussac  Llei dAvogadro  L’equació d’estat dels gasos ideals  Llei de Dalton
  • 2. Llei de Boyle-MariotteSuposem que tenim un gas en un recipient amb un èmbol. Aquest gas, a una determinadatemperatura, T, tindrà: • Un volum igual al del recipient que el conté, V. • Un nombre de partícules determinat, n, que proporciona una massa, m. • Una pressió concreta, p.Si amb l’èmbol comprimim el gas a la meitat del volum, mantenint la temperatura constant, lesseves variables patiran les següents alteracions: • El volum es redueix a la meitat, V/2. • El nombre de partícules es manté constant, n i també la massa, m. • La pressió, com que ara tenim el mateix nombre de partícules xocant contra les parets del contenidor en la meitat de volum, augmentarà el doble, 2p.Aquest comportament és independent de la naturalesa del gas.Podem arribar a la conclusió que una massa de qualsevol gas a temperatura constant, ocupaun volum inversament proporcional a la pressió que suporta.Aquesta relació es coneix com la llei de Boyle, que diu: Si la temperatura d’un gas es manté constant, la pressió exercida pel gas varia inversament amb el volum.Exemple: Tenim un cilindre amb un èmbol que hi ajusta perfectament. A dins hi ha un gas que, inicialment, ocupa un volum V1 a la pressió p1 i a la temperatura T. Experimentalment s’observa que si es vol reduir el volum a la meitat, sense variar la temperatura haurem d’exercir una pressió doble i si volem reduir el volum a 1/3, la pressió haurà de ser el triple, etc.Aquest comportament és igual en tots els gasos.Llei de Boyle i Mariotte (1676): per a una massa de gas, a temperatura constant, el producte de lapressió pel volum és constant. p1 V1 = p2 V2 = p3 V3Llei de Charles-Gay-LussacCharles i Gay-Lussac van descobrir i comprovar que, a pressió constant, en augmentar latemperatura d’un gas qualsevol en un grau centígrad, el volum d’aquest gas augmentava en1/273 parts del seu volum original. És a dir, el gas, en escalfar-lo es dilatava. A més, el valor de1/273 era independent del tipus de gas.
  • 3. A la temperatura de -273°C, les molècules de gas estan completament quietes, no vibren gensni es mouen i els manca tota mena d’energia. Per això les molècules quasi no ocupen volum enromandre completament quietes.Aquest fet experimental va fer que sorgís una nova escala de temperatures que anomenemabsoluta o Kelvin. En aquesta nova escala, 0 K=-273,16 °C. Per passar qualsevol temperaturaexpressada en Celsius a l’escala Kelvin només cal sumar-li 273,16. A la pràctica es fa unaaproximació i el valor utilitzat és 273. T = 273 + t, on t és la temperatura en °CSi expressem en graus Kelvin la temperatura, la llei de Charles-Gay-Lussac diu: A pressió constant, el volum d’una massa determinada de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta. V =V 1 2 T T 1 2Una altra manera d’expressar aquesta llei és la següent: Si el volum és constant, la pressió d’un gas qualsevol augmentarà en 1/273 de l’original en pujar la seva temperatura centígrada en un grau; o bé, a volum constant, la pressió d’una massa determinada de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta. p p = 1 2 T T 1 2Llei dAvogadroSuposem que tenim dos gasos diferents en idèntiques condicions de pressió i temperatura encontenidors diferents però del mateix volum.Sabem que la pressió d’un gas s’incrementa en augmentar el nombre de partícules quecolpegen les parets o bé en créixer l’energia de les seves partícules. L’energia de les partículesde qualsevol gas és directament proporcional a la seva temperatura absoluta i només depènd’aquesta. Per tant, si els dos gasos estan a la mateixa temperatura, també tindran la mateixaenergia les seves partícules. De tot això es desprèn que qualsevol diferència en la pressióexercida per aquests gasos dependrà del nombre de partícules d’aquests. I com hem dit queels gasos es troben a la mateixa pressió, el nombre de partícules de tot dos gasos també ha deser igual.La llei dAvogadro ens diu que volums iguals de gasos diferents, en les mateixes condicions depressió i temperatura contindran el mateix nombre de partícules (molècules o àtoms), n.Conseqüències immediates d’aquesta llei són:
  • 4.  Dos volums iguals de gas, en tenir el mateix nombre de partícules, també tindran el mateix nombre de mols de gas  Si les condicions de pressió i temperatura són 273 K (0 °C) i 1,013·105 Pa (1 atm) respectivament, és a dir, el que anomenem condicions normals (CN), un mol de qualsevol gas ocupa 22,4 L.Equació d’estat dels gasos idealsEs una llei general per als gasos ideals, però que es compleix amb força exactitud a baixespressions en els gasos reals.Si combinem les lleis dAvogadro, de Boyle-Mariotte i de Charles-Gay-Lussac de maneraadient, obtenim una quarta equació més general que compren les tres anteriors p·V = n·R·Ton R és una constant que s’anomena constant dels gasos perfectes o ideals, en el Sistema Internacional, R té el valor de 8,314 J/(mol. K). p és la pressió en Pa V és el volum en m3 T és la temperatura en graus kelvin n el número de mols del gasSi utilitzem el tradicional sistema d’unitats, on la pressió va en atmosferes físiques o atm, elvolum en litres i la temperatura en Kelvin, el valor de R serà: p·V 1 atm · 22,4 L atm ·L R= = = 0,082 n·T 1 mol · 273 K mol ·KAlgunes aplicacions directes de l’equació d’estatLa determinació de la densitat i de la massa molar són les més importants.Densitat d’un gasPodem modificar l’equació d’estat dels gasos ideals tenint present que, m ( grams de gas )n (mols de gas) = on M es la massa molar M ( grams / mol de gas )ρ (densitat) = m (massa) / V (volum)l’equació d’estat quedà ρ = p · M / (R·T)
  • 5. La densitat d’un gas donat depèn només de les condicions de pressió i temperatura sentdirectament proporcional a la primera i inversament proporcional a la segona. Si la resta devariables romanen constants, la densitat disminueix amb l’augment de temperatura i amb eldescens de la pressió.Com és lògic, els gasos més densos es dipositen en zones més baixes que els menys densos.Així, si disposem d’una barreja de gas butà i aire, el butà, que és més dens ja que té majormassa molar, lentament s’anirà dipositant al fons o a la part baixa del recipient. L’aire esquedarà pel damunt.Si es tracta del mateix gas, però a dues temperatures diferents, durant una estona i mentre nos’equilibrin les temperatures, el gas fred, com és més dens, es dipositarà al fons, i el calent a lapart alta. Això és el que s’esdevé quan tenim aire fred i calent en zones de muntanya. L’airefred, com que és més dens, sovint baixa al fons de la vall, i el calent, puja cap a dalt, i aixíarribem al fenomen de la inversió tèrmica: fa més fred al fons de la vall que dalt dels cims.Llei de DaltonFins ara hem parlat de com afectaven les variables dels gasos a un gas ideal, però i si tenimuna mescla de gasos?Si tenim una mescla de gasos, aquesta ocuparà tot el volum del recipient que la conté iexercirà una pressió determinada sobre aquest, però quina és la pressió de cadascun delscomponents de la mescla?Sabem que la pressió de qualsevol gas ideal, en condicions de volum i temperatura constant,només depèn del nombre de partícules que conté, és a dir, del nombre de mols. A més, hemconsiderat que en els gasos ideals les forces d’atracció entre partícules són nul·les, per tant,podem considerar que la pressió exercida per un gas d’una mescla és equivalent a la pressióque exerciria aquest gas si ocupés ell sol tot el volum¸i és directament proporcional al nombrede mols. Aquesta pressió l’anomenem pressió parcial.La llei de Dalton diu que “la pressió total és la suma de les pressions parcials dels componentsindividuals de la mescla gasosa” pt=Σpi pi=piχiExercicis:1) Un recipient conté 0,2 m3 d’un gas determinat a la pressió de 100 atm. Quin volum ocuparia el gas si estigués a la pressió normal i a la mateixa temperatura? S=20 m32) Un gas a 30 ºC ocupa 3,25 litres. Si la pressió es manté constant, quin serà el volum del gas si el refredem fins a 2 ºC? S=2,95 L3) Una quantitat de gas que ocupa un volum de 3 L a 25 ºC i 740 mm de Hg de pressió, quin
  • 6. volum ocuparà en condicions normals, és a dir, 0 ºC i 760 mm de Hg? S=2,68 L4) Determina a quina pressió s’ha de sotmetre un gas que ocupa 80 L a 2 atm, si volem que ocupi un volum de 10 L a la mateixa temperatura. S=16 atm5) S’escalfen 50 ml d’un gas determinat des de 300 K fins a 400 K i se n’augmenta la pressió de 100000 Pa a 220000 Pa. Calcula el nou volum del gas. S=3,03·10-5 m3 = 30 ml6) Quina serà la pressió que exerciran 10 grams d’hidrogen si estan a 300ºC i ocupen un volum de 80 litres? S=2,98·105 Pa = 3,00·105 Pa7) Calcula el volum que ocupen 2 mols d’un gas a 300 K i 2 atm de pressió. S=24,6 L8) La densitat del metà és de 5 mol·L-1 a 573 K. Determina la pressió del gas i expressa-la en pascals. S=234,93 atm = 2,38·107 Pa9) Un gas ocupa un volum V a una temperatura T i 1,5 atm de pressió. Calcula la pressió del gas si reduïm el volum a la meitat i augmentem la temperatura absoluta al triple. S=2,35 atm10) En un recipient de 10 L hi hem introduït 0,5 mols d’oxigen, O2, a 27 ºC. Determina la pressió que exerceixen sobre les parets del recipient. S=1,25·105 Pa11) Sempre que escalfem un gas, aquest augmenta de volum?12) En un recipient tenim una mescla diluïda de N2 i O2. Si la pressió total és de 2 atm i la pressió parcial del N2 és 1,2 atm, quina és la pressió parcial de l’O2? S=0,8 atm13) Tenim 20 dm3 de gas a 30°C. Si augmentem la temperatura fins als 60°C, és a dir, el doble, a p constant, tindrem el doble de volum? S=Sí14) Si tenim 10 m3 d’aire a 150 kPa de pressió i 293 K de temperatura, quin volum ocuparan si els descomprimim isotèrmicament (T constant) fins a 50 kPa? S=30 m315) Un procés isòbar vol dir que es realitza a pressió constant. La majoria de processos que realitzem al laboratori o a la cuina es fan a la pressió atmosfèrica, i en ser aquesta quasi constant, aquells experiments són fets a pressió constant. Lhidrogen és un gas molt poc dens, molt menys que laire. És força inflamable. Com és tan lleuger, que en un principi s’aprofitava per omplir globus aerostàtics anomenats dirigibles. Lenorme risc d’incendi que corrien féu que s’abandonés la tècnica de volar amb hidrogen. Si disposem de 5,0 m3 de H2 a 298 K i 8·105 Pa, quin volum ocuparà si l’escalfem isobàricament (p constant) fins a 313 K? S=5,25 m316) Un procés isocor és aquell que transcorre a volum constant. A la natura no són gaire
  • 7. freqüents. En canvi, en el món de la tecnologia química són molt habituals. Si disposem de 5 m3 de H2 a 298 K i 8,0·105 Pa, quina pressió assolirà si lescalfem a volum constant (isocòricament) fins a 313 K? S=8,40·105 Pa17) Calculeu quina és la massa de nitrogen N2 en grams i mols que ocupa un volum de 10 litres a una temperatura de 200°C i 0,9 atm. (R=0,082 atm·l / mol·K) S=5,36 g; 0,19 mol18) Lheli és un gas noble que existeix en molt petites quantitats en latmosfera. El concepte de noble, en química, és sinònim de poc reactiu. Per tant, lheli difícilment reaccionarà amb altres elements. A més, lheli és poc dens; saprofita per omplir globus dirigibles com a substitut de lhidrogen. L’inconvenient és el preu. Si hem recollit 0,250 L d’heli, He, a una pressió de 1,5 ·105 Pa i una temperatura de 295 K, calculeu el volum que tindrà lheli si el descomprimim fins a la pressió atmosfèrica i a la temperatura de 0°C. S=0,342 L19) Fins a quina temperatura caldrà escalfar un gas, mantenint constant la pressió, perquè dobli el volum que té a 25 ºC?20) Quin volum ocuparia un metre cúbic d’aire a 18 ºC, mesurat a una pressió d’una atmosfera, si el sotmetéssim a pressions de 0,5; 0,7; 0,9; 1,1; 1,3 i 1,5 atmosferes?21) Dibuixa la gràfica V-P de l’exercici anterior. I en el mateix sistema d’eixos, la gràfica corresponent al mateix gas, però a la temperatura de 70 ºC, sabent que llavors, a una atmosfera ocuparia un volum d’1,18 m3.22) Una mescla gasosa conté 3 mols de O2, 1 mol de H2 i 8 mols de N2. Quina és la pressió parcial de cada gas, si la pressió total és de 0,7 atm?23) Un gas a 295 K i 1 atm ocupa un volum de 2,8 L; quin volum ocuparà si l’escalfem fins a 325 K i el comprimim a 1,5 atm?24) Calcula a quina temperatura cal escalfar 20 L d’oxigen, mesurats a 20 ºC i 1 atm de pressió, perquè ocupin 23 L a la pressió d’1,2 atm.25) Calculeu les pressions parcials que exerceixen una mescla de 18 g de O2, 13 g de SO2 i 23 g de SO3, a 295 K que ocupen entre els tres un volum d’1L.26) L’aire d’una habitació ocupa 50 m3 a 15 ºC i a 1,06 atm. Quin volum ocuparà quan la temperatura passi a 27 ºC i la pressió, a 0,97 atm?27) Tenim 10 g de gas amoníac en un recipient en condicions normals. Quin és el volum d’aquest gas?28) Introduïm en una bombona de 25 dm3, 35 g de N2 i 14 g de O2, i l’escalfem a 543 K. Calculeu quines seran les pressions parcials i la pressió total de la mescla?
  • 8. B. PRESSIÓB.1 INTRODUCCIÓLes aplicacions de l’alta pressió són moltes a la indústria. Al marge de les altes pressions que esdonen en els motors de combustió interna o a les centrals tèrmiques, a l’enginyeria de lesreaccions químiques es dissenyen reactors d’alta pressió per afavorir les condicionstermodinàmiques i augmentar així el rendiment.A la indústria farmacèutica també s’utilitza la pressió, tot i que normalment es treballa al’interval mig de pressions (incloent-hi en aquesta classificació l’ús de vapor).Per treballar a pressió s’ha de disposar de recipients dissenyats específicament i segonsnormativa per poder suportar aquestes condicions. Hi ha de diversos tipus: reactors,bescanviadors de calor, tancs, etc.Per treballar a pressió elevada s’han d’emprar bombes i compressors dissenyats per aquest fi.Hi ha diversos tipus de compressors, cadascun amb un interval de pressions de treballdeterminat.Per una altra part, el servei de buit també és molt comú en moltes indústries. S’entén com buitels ambients en els que, mitjançant els dispositius adequats, s’han aconseguit pressionsinferiors a l’atmosfèrica.B.1.1 INTERÉS FARMACÈUTICLa indústria farmacèutica empra la pressió pel servei de vapor, la compressió per la produccióde fred i és una gran consumidora d’aire comprimit (s’utilitza en moltes aplicacions, com perexemple el transport pneumàtic). El servei de buit té moltes aplicacions també, com operacionsde assecament i desgasificació, liofilització i envasat.B.1.2 CARACTERÍSTIQUES DE L’AIRE COMPRIMITL’aire és una matèria primera abundant, barata, neta i que una vegada comprimida pot servirper moltes coses. Les propietats de l’aire s’han de tenir en compte per la seva compressió.L’aire és una mescla de nitrogen i oxigen amb percentatges molars, aproximadament, del 80 iel 20 % respectivament. En conseqüència, tenint en compte les masses moleculars del nitrogen(28 g/mol) i de l’oxigen (32 g/ml), la massa molecular de l’aire serà: M = 0,8 x 28 + 0,2 x 32 = 28,8 g/mol
  • 9. B.1.3 UNITATS DE MESURA I CONDICIONS NORMALSLa pressió es mesura en el SI en Pascals (Pa). La mesura usual és en atmosferes tècniques (at).En les següents taules podem trobar les diverses unitats de pressió i la resta d’unitats del SIrelacionades amb aquet tema.B.1.4 GASOS NO PERFECTESLes equacions vistes al principi del tema són aplicables a gasos ideals i barreges d’aquests. Pergasos reals, a pressions baixes i temperatures moderades, també es poden aplicar amb unaprecisió raonable. Els vapors o gasos amb temperatures de liquació no molt baixes s’allunyende les condicions ideals.Per un gas real, el diagrama PV (on en representen les isotermes) pren la forma de la figurasegüent. A la figura podem trobar el punt crític del gas. Es pot observar que no és possibleliquar un gas per sobre de la temperatura crítica, sigui quina sigui la pressió.
  • 10. B.1.5 TREBALL DE COMPRESSIÓSuposant un èmbol (pistó) i un gas ideals, i una pressió constant, el treball de compressió del’èmbol ve determinat perW = ∫ p · dV = p · (V1 – V2)A la realitat, s’ha de conèixer la relació entre la pressió, el volum i la temperatura per poderresoldre la integral i calcular el treball de compressió.La compressió es pot realitzar per diferents camins:Les condicions més habituals són les transformacions isotèrmiques (temperatura constant ipressió i volum variables, amb intercanvi de calor amb l’exterior). En aquest tipus decompressió el treball és mínim, per això en el disseny de compressors, es busca aquest tipus detransformació, aplicant sistemes refrigerants per mantenir la temperatura constant en moltscasos.Altres transformacions corrents són les que es realitzen a pressió, volum i temperatura variable,si es realitzen sense bescanvi de calor són adiabàtiques. Si hi té lloc intercanvi de calor se’ndiuen politròpiques.
  • 11. Les transformacions isocores són les que es produeixen a volum constant i, pressió itemperatura variables. No es produeix treball.En les transformacions isòbares la pressió roman constant, mentre que la temperatura i elvolum són variables. No existeix compressió, ja que la p és constant.En la següent figura es mostragràficament el treball per unsistema isotèrmic i un adiabàtic,que corresponen a un mínim iun màxim de treball decompressió.La relació de compressió és laque hi ha entre la baixa pressió al’entrada i l’alta pressió a lasortida del compressor.Si la relació de compressió éselevada, es necessita menyspotència efectuant el procés endues o més etapes ambrefredament intermedi, és a dir,comprimint el fluid a una pressióinferior a la final i refredant-lo acontinuació, abans de començarun nou procés de compressió queel portarà a una pressió més gran,i així successivament fins aaconseguir la pressió finaldesitjada.La compressió per etapes es faper obtenir altes pressions, emprant o no la refrigeració només per raons econòmiques. Engeneral, la compressió segueix un camí intermedi (politròpic). Es produeix cert escalfament delgas. La solució és realitzar la compressió per etapes, amb refrigeració entre les mateixes, demanera que el gas comprimit en l’ultima etapa tingui una T molt pròxima a la inicial.B.1.6 PRODUCCIÓ D’AIRE COMPRIMITPer produir aire comprimit s’empren compressors que eleven la pressió de l’aire fins al valor detreball desitjat. (http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html)
  • 12. I. Tipus de compressorsSegons les necessitats de pressió de treball i cabal de subministrament, s’emprarà undeterminat tipus de compressor. Es distingeixen dos grups bàsics de compressors: els de pistóo èmbol i els turbocompressors.Els de pistó (oscil·lant o rotatiu) treballen segon el principi de desplaçament. La compressiós’obté per l’admissió d’aire en un recinte hermètic, on es redueix després el volum. Elsturbocompressors treballen segons elprincipi de la dinàmica de fluids. L’aire ésaspirat per un costat i comprimit com aconseqüència de l’acceleració de la massa(turbina).Compressors de pistó (volumètrics)En aquests compressors l’augment de pressió és aconseguit a base de tancar en un espailimitat successius volums del fluid. Són molt apropiats per a aconseguir elevades relacions decompressió amb petits cabals.Els compressors volumètrics es classifiquen en alternatius (o oscil·lants) i rotatius. Aquestsdarrers poden ésser de paletes, de lòbuls, d’anell líquid, etc. Els compressors alternatius són constituïts per un o més pistonsNo se puede mostrar la imagen en este momento. que es mouen alternativament al llarg de cilindres tancats per un extrem i proveïts de vàlvules d’admissió i de descarrega. La vàlvula d’admissió comunica amb la part de baixa pressió, mentre que la de descarrega ho fa amb la d’alta pressió. L’obertura de les vàlvules s’esdevé en diferents moments del cicle de treball. Per dissipar la calor produïda en la compressió, els cilindres són refredats per aireo aigua. El nombre de cilindres que depèn de la capacitat del compressor és variable i potarribar a ésser fins de 16 o més. Hom aconsegueix el moviment alternatiu transformant unmoviment rotatiu mitjançant un sistema de biela - manovella. La relació de compressió
  • 13. practicada per etapa és de 10 o 12. Els compressors alternatius són els més estesos, tant per ala compressió de l’aire com per a la de fluids per aplicacions frigorífiques o químiques.Per exemple, els pistons d’una etapa són en general de tipus No se puede mostrar la imagen en este momento.vertical, refrigerats per aire, amb pressions de treball nosuperiors al 8 bar per cabals de 15 m3/min o fins a 15 bar percabals petits (< 2-3 m3/min). Per pressions més grans s’utilitzencompressors de dos etapes refrigerats amb aigua.En resum, els compressors alternatius (o de pistó o èmboloscil·lant) són els més comuns en el mercat. Els tenim d’una o més etapes de compressió, d’uno més cilindres, de tipus horitzontal o vertical, i també refrigerats amb aigua o amb aire. No se puede mostrar la imagen en este momento. Dins aquest grup de compressors també s’inclouen els compressors de pistó amb membrana, la seva utilització es molt freqüent a la indústria farmacèutica, ja que, l’aire no estar en contacte amb les parts mecàniques, i per tant, no arrossegarà partícules de l’oli lubricant. A la figura es mostra un esquema bàsic d’aquest compressor, treballa fins pressions de 15 bar en una etapa (cabals de 1,5 a 90 m3/h) y fins pressions de 20 a 250 bar en dues etapes (amb cabals de fins a 30 m3/min).Compressors rotatiusEls compressors rotatius de paletes són constituïts per un motor proveït de paletes mòbils ensentit radial, que gira excèntricament a linterior d’un cilindre, i les paletes mòbils sempre estanen contacte amb linterior d’aquest. En girar, l’espai entre cada dues paletes varia a cadarevolució des d’un volum màxim fins a un valor quasi nul, i produeix, així, la compressió delfluid. Aquest tipus de compressor no té vàlvules (si té l’antiretorn), pot treballar a velocitatsmés altes que lalternatiu i no ofereix un flux d’aire amb discontinuïtats. El pes per unitat depotencia és molt petit i, com que el seu funcionament és molt silenciós, hom el fa servir molten aplicacions frigorífiques de petita potencia. Aquesta maquinària s’empra en especial enbombes de buit, però també per a comprimir aire fins a 2 bar en 1 etapa i fins a 6 en dobleetapa. No se puede mostrar la imagen en este momento. No se puede mostrar la imagen en este momento. No se puede mostrar la imagen en este momento.
  • 14. Els compressors d’anell líquid són semblants als de paletes, quant al procés general decompressió, però se’n diferencien en el fet que el rotor té paletes fixes i el cilindre ésparcialment ple d’aigua que, en girar el rotor, és centrifugada i forma un anell d’aigua que fa ladoble funció de tancament i de cambra de compressió. En aquest sistema es redueixen lespèrdues per fregament de les paletes amb les parets del cilindre que es produïen en elscompressors de paletes, això fa que el sistema lubrificant sigui més simple. Té l’inconvenientque necessiten un dipòsit per separar les gotetes que s’arrosseguen amb el gas. Els compressors rotatius helicoïdals estan formats per dos cargols helicoïdals que amb els seus perfils còncau i convex engranats, impulsen l’aire aspirat. Són més lleugers que els rotatius a paletes, i amb prestacions similars, una compressió progressiva sense discontinuïtats, però amb un preu més elevat. Els compressors d’engranatges No se puede mostrar la imagen en este momento. (tipus Roots), estan constituïts per dos engranatges que giren completament ajustats entreells, dins d’un càrter. Durant el funcionament el volum no varia. Al girar, elgas contingut en la cambra de bombeig es forçat a sortir per l’altraextrem del compressor.Compressors dinàmics o turbocompressorsAquests compressors convenen per a grans cabals amb petites elevacions de pressió.Són sempre rotatius i es classifiquen en centrífugs i axials. L’aire es posa en circulaciómitjançant una o vàries rodes de turbina. Aquesta energia cinètica es converteix en energiaelàstica de compressió. No se puede mostrar la imagen en este momento. Els turbocompressors centrífugs són constituïts per un o més rodets semblants als de les bombes centrífugues, a la sortida dels quals hi ha un difusor encarregat de la transformació de l’energia cinètica cedida al fluid en energia de pressió. El nombre d’etapes sense refrigeració
  • 15. sol ésser de 5 a 7. La relació de compressió d’aquest tipus de compressor sol ésser superior a10. El cabal pot arribar fins 4000 m3/min.En els turbocompressors axials el fluix delfluid segueix la direcció de l’eixd’accionament del rodet o rodets, que sóndel tipus dels ventiladors axials. L’existènciad’un difusor de forma adequada transformal’energia cinètica en pressió. Elscompressors axials tenen sempre diversesetapes amb difusors intermedis. El nombred’etapes pot ésser superior a 10 i la relacióde compressió arriba fins a 27. Aquestsvalors extrems es refereixen als compressors emprats en els moderns motors de reacció elcabal dels quals pot arribar fins a 35000 m3 per minut.II. INSTAL·LACIONSEls compressors s’instal·len a les centrals d’aire comprimit, que generalment es troben a la salade serveis, en un indret aïllat, protegint a l’exterior del soroll produït, on l’aire aspirat sigui moltfresc, net de pols i sec en la mesura que sigui possible.A més a més del compressor s’haurà d’instal·lar el filtre d’aire, el motor d’accionament,generalment elèctric per a instal·lacions fixes, el circuit de refrigeració del compressor, el panellde control, i el dipòsit d’emmagatzemament.La refrigeració del compressor pot ser per aire o per aigua. Per potències inferiors a 20 kW, esper aire, i els compressors inclouen aletes per augmentar la superfície de bescanvi de calor. Elscompressors de potències molt altes inclouen també un ventilador. Les instal·lacions depotències superiors als 30 kW, van equipades d’un sistema de refrigeració per circulaciód’aigua en un circuit tancat o obert. Una bona refrigeració allarga la vida del compressor iproporciona aire més fred i en millors condicions, augmentant el rendiment.El dipòsit pulmó, també anomenat acumulador, és un element molt important, serveix dereserva d’aire comprimit, uniformitza la pressió de sortida i minimitza les oscil·lacions degudesa la compressió i als propis consums.Existeixen instal·lacions en les que es fa necessari un assecat de l’aire. Aquest es pot realitzar através bàsicament de tres tipus de dispositius: d’adsorció, d’absorció i de refrigeració.En l’assecat per adsorció, l’aire comprimit es fa passar a través d’un llit de gel (diòxid de silici),que fixa la humitat. La capacitat adsorbent d’un llit de gel és limitada. Si està saturat es potregenerar injectant a través de l’assecador aire calent, que adsorbeix la humitat del material de
  • 16. secat. La calor necessària per la regeneració pot aplicar-se mitjançant corrent elèctrica o ambaire comprimit calent.L’absorció és un procediment químic. L’aire comprimit passa a través d’un llit d’un compostque absorbeix la humitat, quan l’aigua o vapor d’aigua entra en contacte amb aquest compost,es combina químicament amb aquest i queda retinguda en ell, provocant el canvi de la sevanaturalesa química, per això haurà de ser retirat amb regularitat.Els assecadors d’aire comprimit per refredament es basen en el principi d’una reducció de latemperatura del punt de rosada. L’aire comprimit a assecar entra en l’assecador passant primerper un bescanviador de calor d’aire-aire. L’aire calent que entra a l’assecador es refredamitjançant aire sec i fred provinent del bescanviador de calor (vaporitzador). El condensat d’olii aigua s’elimina del bescanviador de calor a través del separador. Aquest aire pre-refredatpassa pel grup frigorífic i es refreda fins a una temperatura d’uns 2ºC. En aquest procéss’elimina per 2ª vegada l’aigua i oli condensats. Seguidament es fa passar l’aire comprimit perun filtre fi, amb l’objectiu d’eliminar novament les partícules de brutícia.La xarxa de distribució d’aire està formada pel conjunt de canonades i accessoris pels quecircula aire comprimit. En la majoria dels casos la xarxa principal es munta en circuit tancat. Desde la canonada principal s’instal·len les unions de derivació. Amb aquest tipus de muntatge dela xarxa d’aire comprimit s’obté una alimentació uniforme quan el consum d’aire és alt.Pressió i cabal a la xarxa. Moltes de les màquines automàtiques, disposen d’un mecanismeque necessita una determinada quantitat d’aire, que es proporcionat per un compressor, através d’una xarxa de canonades. La pressió de servei és la pressió subministrada pelcompressor i és la que hi ha a les canonades que alimenten els punts de consum. La pressió detreball és la necessària en el lloc de treball considerat (normalment és de 6 bar).Les canonades necessiten un manteniment i vigilància regulars, per aquest motiu s’hand’instal·lar en emplaçaments que permetin la fàcil detecció de possibles fuites. Degut a lapossible presència de condensat en les canonades, aquestes han de tenir un descens en elsentit de la corrent del 1 al 2 %.B.1.7 RECIPIENTS A PRESSIÓEs consideren recipients a pressió tots els recipients i aparells que en el seu interior tinguin unapressió superior a l’atmosfèrica.Aquests recipients tenen una secció circular, els fons i les cobertes del recipient són esfèrics.Així, la càrrega de pressió és uniforme a totes les parets. L’escalfament o refrigeració delsrecipients a pressió es pot fer mitjançant camises de calefacció o refrigeració i per serpentinsd’escalfament o refredament.Aquests recipients han d’estar proveïts dels següents accessoris i connexions:  Manòmetre amb una marca vermella que indica la pressió més alta permesa.
  • 17.  Vàlvules de seguretat en cada cambra a pressió (en molts casos discs de trencament de seguretat).  Possibilitat de ventilació o purga d’aire.  Tub ascendent o tub de descàrrega al fons.  Tub d’aire a pressió.  Boca de càrrega.  Finestra d’inspecció  Termòmetre.Precaucions al treballar amb recipients a pressió:  Només es poden sotmetre a pressió els recipients autoritzats per fer-ho.  La pressió màxima assenyalada a la placa del recipient no s’ha de sobrepassar mai.  Les vàlvules de seguretat no s’han de manipular.  Totes les obertures i connexions han d’estar tancades amb el número de cargols prescrit i a més a més han de ser de la mida apropiada.  Tots els recipients a pressió han de ser manejats amb grans precaucions i molt especialment els mòbils per gasos comprimits o liquats.  Com a mesura de seguretat addicional totes les ampolles a pressió destinades a combustibles tenen la rosca de connexió a l’esquerra. Les destinades a gasos no combustibles la tenen a la dreta.Per obrir un recipient que ha estat sotmès a pressió s’han de seguir les següents normes:  Primer de tot s’ha d’anular la pressió al recipient obrint les vàlvules que siguin necessàries.  Observar el manòmetre. Però, encara que el manòmetre no marqui pressió no podem estar segurs que en el recipient no existeixi pressió.  Afluixar els cargols de la tapa.  Aixecar lleugerament la tapa de forma que si queda una mica de pressió pugui escapar.  Treure completament els cargols i obrir la tapa del tot.Per treballar sense perill amb ampolles de gas comprimit cal seguir les següents normes:  Les ampolles de gas comprimit s’han de protegir de les variacions grans de temperatura.  S’han d’assegurar per evitar que es tombin  El seu transport s’ha de realitzar amb el tap posat i encaixat.  Pel seu transport s’han d’emprar carretons especials.  L’extracció del gas s’ha de realitzar a través de vàlvules reductores de pressió o vàlvules d’agulla.La instal·lació d’ampolles de gas a pressió s’ha de fer seguint les següents indicacions:  Instal·lar l’ampolla de manera que no pugui caure.  Treure el tap (caputxa) i obrir un instant la clau de la vàlvula per expulsar el pols.
  • 18.  Comprovar l’estat de les juntes d’estanqueïtat i enroscar el manoreductor a l’ampolla.  Ajustar la connexió i obrir la vàlvula de la sortida de l’ampolla.  El primer manòmetre indica la pressió de l’ampolla. Mitjançant un cargol de regulació s’ajusta la pressió de sortida que es desitja indicada pel segon manòmetre.  Finalment s’obre la vàlvula de sortida del manoreductor. No se puede mostrar la imagen en este momento.Reglamentació dels recipients a pressió Real Decreto 1244/1979 de 04.04.1979 (B.O.E. 29.05.79) por el que se aprueba el Reglamento de aparatos a presión. Modificado por R.D. 507/1982 de 15.01.82 (B.O.E. 12.03.82), R.D. 1504 de 23.11.90 (B.O.E. 28.11.90 y 24.01.91) y sus ITC MIE-AP-1 a MIE-AP- 17. Real Decreto 1495/1991 de 11.10.91 (B.O.E. 15.11.91) sobre aplicación de las directivas del Consejo de las Comunidades Europeas 87/404/CEE sobre recipientes a presión simples. Modificado por R.D. 2486/1994 de 23.12.94 (B.O. E. 24.01.95) D. 2443/1969 de 16.08.69 (B.O.E. 28.10.69) por el que se aprueba el Reglamento de recipientes a presión. Modificado por D. 516/1972 de 17.02.72 (B.O. E. 15.03.72). Real Decreto 473/1988 de 30 de marzo por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva del Consejo de las Comunidades Europeas 761767/CEE sobre Aparatos a Presión. Real Decreto 1495/1991, de 11 de Octubre de 1991. Disposiciones de aplicación de la directiva del consejo de las Comunidades Europeas 87/404/CEE sobre recipientes a Presión simples.Qüestions1. Defineix “relació de compressió”.2. Què entenem per compressió per etapes?
  • 19. 3. Explica el funcionament dels compressors alternatius.4. Quins són els avantatges dels compressors de pistó amb membrana respecte als compressors de pistó tradicionals?5. Dibuixa i explica el funcionament dels compressors de dos etapes refrigerats amb aigua.6. Quin tipus de compressor és més adient per treballar amb cabals i pressions elevats? I amb cabals petits i pressions elevades?7. Per què serveix el dipòsit pulmó?8. Normes a seguir per obrir un recipient que ha estat sotmès a pressió9. Instal·lació d’ampolles de gas a pressió
  • 20. C. BUITC.1. TIPUS DE BUITEl servei de buit consisteix en assolir pressions inferiors a l’atmosfèrica. En conseqüència ladensitat del gas disminueix apreciablement, d’acord amb el grau de buit existent.Les aplicacions del buit són diverses i no es necessita la mateixa pressió en totes elles. Esdistingeixen diferents graus de buit: 1 bar > P> 1 mbar Buit baix (Rough Vacuum) RV 1 mbar > P > 10-3 mbar Buit mitjà (Medium Vacuum) MV 10-3 mbar > P > 10-7 mbar Buit elevat (High Vacuum) HV 10-7 mbar > P Ultrabuit (Ultra-High Vacuum) UHVEl buit baix treballa a pressions properes a l’atmosfèrica, i s’utilitza per exemple al laboratoriper filtrar a través d’una trompa de buit.Lultrabuit és molt difícil d’assolir i les seves aplicacions principals es troben en el camp de lainvestigació, per exemple, en la determinació de propietats superficials, que poden seralterades per la presència de molècules atmosfèriques.C.2. MESURA I UNITATS DEL BUITEn funció del grau de buit s’empren diferents tipus de mesuradors de la pressió, s’anomenengenèricament manòmetres. No se puede mostrar la imagen en este momento. -4El buit baix i el mitjà o moderat (fins 10 mbar), es poden assolir amb unabomba rotativa simple o de doble etapa. La mesura del buit baix es potrealitzar mitjançant un manòmetre de branques de mercuri, com el deldibuix.La mesura de buits fins als de grau mitjà pot fer-se mitjançant unmanòmetre de McClau, aquest funciona mitjançant un gronxador quepermet fer-lo canviar de posició horitzontal a vertical i a la inversa, atrapant cada vegada unvolum de gas de pressió desconeguda que, al comprimir-se per l’acció del mercuri s’obté unadiferència de nivells entre el tub central i el tub capil·lar de compensació. Aquest sistema noserveix per gasos que es condensin. La lectura en aquest sistema és intermitent.També s’empra el manòmetre de Pirani (o de resistències), aquests operen sota el principi deque la pèrdua de calor d’un filferro calent varia en funció dels canvis de pressió a que estàsotmès, les variacions en pèrdues de calor són relativament grans quan s’opera amb pressionsal voltant de 0,001 bar de pressió. El manòmetre de Pirani té un tub segellat a una pressió per
  • 21. sota de 10-6 mbar; duu al seu interior una resistència que constitueix la cel·la de compensació iun altre tub obert amb una resistència com la d’abans, aquesta es connecta a la font de pressióque va a ser mesurada.El buit elevat (fins 10-7 mbar), s’assoleix amb sistemes formats per una bomba de buit elevatjunt amb una bomba rotativa acoblada com a primera etapa. El sistema ha d’estar molt bensegellat.Lultrabuit pot assolir els 10-10 mbar, en aquests casos el sistema de segellat ha de ser perfecte,si no fos així no s’assolirien.Per mesurar pressions per sota dels 10-7 mbar s’empren mesuradors d’ionització i en especialla galga Bayard-Alpert (BAG) i les seves variants.C.3. BOMBES DE BUITLa potència d’una bomba de buit és la seva principal característica, i dependrà del cabal aextreure (volum de gas aspirat, mesurat a una pressió determinada, per unitat de temps) i de lapressió d’entrada. Les dues variables estan relacionades, ja que la velocitat de bombeig ésfunció de la pressió. Generalment les bombes venen acompanyades del seu gràfic defuncionament que relaciona aquestes dues variables en tot el interval de treball. També s’ha deconsiderar l’eficàcia volumètrica que proporciona la relació entre el cabal real i el nominal.Tipus de bombes:A) BOMBES DE DIAFRAGMA Són les més simples i proporcionen un buit molt moderat, 150 mbar en una etapa i fins 10 mbar amb més etapes. També serveixen com etapa prèvia a un bombeig de buit elevat. Les bombes de diafragma són de tipus alternatiu i es basen en el moviment de vaivé d’una membrana provocat per un electroimant. No contenen oli i, per tant, no contaminen amb ell el sistema .B) BOMBES ROTATIVES Es basen en el gir d’un rotor. Al girar, la força centrífuga fa que el líquid deixi un espai que s’omple d’aire, aquest es comprimit i expulsat del sistema. El seu funcionament és similar al dels compressors rotatius. Es poden aconseguir buits de 100 mbar (1 etapa) o 15 mbar (doble efecte a 15 ºC). Si es volen buits més alts s’han d’emprar amb olis. En aquest cas a la sortida duen acoblat un filtre per retenir possibles partícules d’oli. Un exemple d’aquests tipus de bombes són les de paletes, poden assolir pressions per sota de 10-2 mbar (1 etapa) o inferiors a 10-3 mbar (doble efecte).
  • 22. Amb bombes rotatives tipus Roots (similars als compressors del mateix nom) assoleixen pressions per sota de 10-3 mbar (1 etapa) o inferiors a 10-4 mbar (doble efecte). Per assolir pressions de buit de l’ordre de 10-5 mbar, les bombes de buit elevat han d’estar acoblades a bombes rotatives que aconsegueixin un buit previ de l’ordre de 0,1 mbar. Directament, aspirant a la pressió atmosfèrica, no es possible aconseguir un buit elevat.C) BOMBES DE RAIG O SIFÓ (EJECTORS) Les bombes de raig o sifó es coneixen No se puede mostrar la imagen en este momento. generalment amb el nom d’ejectors. En el cas que s’apliquin per la producció de buit es coneixen com trompes de buit. Es basen en l’efecte Venturi, el fluid secundari A l’entrar i circular en el tub de Venturi provoca la succió de l’aire (o d’un fluid primari), sortint tots dos barrejats (primari i secundari) pel tub de descàrrega. El buit que proporcionen és moderat (buit mitjà) i també es poden emprar en sèrie (per exemple un ejector de cinc etapes pot produir a la pràctica buits entre 0,01 mbar i 0,2 mbar).D) BOMBES DE DIFUSIÓ Són les més econòmiques per aconseguir buits elevats. El seu funcionament es basa en un raig de vapor d’un oli de baixa pressió de vapor (generalment oli de silicona) que entra a la part superior de la bomba, arrossega a les molècules de gas per impulsió mecànica i el duu a la zona de buit previ assolit mitjançant una altra bomba de buit- on es evacuat del sistema per aquesta última. L’oli condensa i es re circula al dispositiu des d’un es evaporat novament.QÜESTIONS:1. Quin nom reben els diferents graus de buit i a quin interval de pressió (en Pa) corresponen?2. Amb quin tipus de bomba s’assoleix el buit baix?3. Quin/s manòmetre/s s’empren per mesurar buits de grau mitjà?4. Fes una taula amb les bombes de diafragma i rotatives i les pressions que poden assolir en una i més etapes.5. Quin és el buit que treballa a pressió propera a l’atmosfèrica?6. Quin/s grau/s de buit es poden mesurar amb un manòmetre de mercuri?7. De quines variables depèn la potència d’una bomba de buit?
  • 23. 8. Com es poden assolir pressions de buit de l’ordre de 10-5 mbar?9. Quin grau de buit s’assoleix amb una trompa de buit?10. Quin/s grau/s de buit permet mesurar un manòmetre McClau?11. Anomena els tipus de bomba que hem estudiat12. Quin grau de buit assoleixen els ejectors?13. Quin nom genèric reben els mesuradors de pressió?14. En un manòmetre McClau la lectura és contínua o discontínua?15. Explica el funcionament de les bombes de diafragma.16. Quines són les bombes més econòmiques per assolir buits elevats?
  • 24. D. PSICROMETRIAINTRODUCCIÓ.En general, la psicrometria estudia les propietats termodinàmiques de mescles de gas ambvapor. En particular, la majoria de les aplicacions es refereixen a l’aire humit, considerat com labarreja d’aire sec i vapor d’aigua. La psicrometria resulta llavors útil en el disseny i anàlisi desistemes de emmagatzematge y processat d’aliments, disseny d’equips de refrigeració, estudide l’assecat d’aliments, estudis d’aire condicionat i climatització, torres de refredament, i entots els processos industrials que requereixin un fort control del contingut de vapor d’aiguaen l’aire.Veurem com l’estudi termodinàmic d’un sistema complex com és l’aire, es pot realitzar deforma més o menys senzilla. L’home ha estat capaç de definir importants conceptestermodinàmics que, per una part, permeten un desenvolupament teòric senzill i que, perl’altra, coincideixen amb les variables que es poden mesurar en la pràctica. L’home ha estatcapaç també de dissenyar i construir aparells molt senzills, accessibles a qualsevol persona,per a la determinació de les propietats bàsiques de l’aire humit. També s’han dissenyatdiagrames apropiats que faciliten enormement els càlculs i que, a més, permeten tenir unaimatge “visual” de l’estat termodinàmic de l’aire i la seva evolució en els processos que pateix.En aquest tema començarem per estudiar les principals propietats termodinàmiques de l’aire,destacant el concepte de humitat. Després indicarem els principals aparells utilitzats per amesurar la humitat. A continuació estudiarem la forma d’utilitzar diagrames que faciliten elscàlculs. Finalment estudiarem diversos processos psicromètrics útils en temes posteriors.1. PROPIETATS TERMODINÁMIQUES DE L’AIRE.Com ja sabem, l’aire és una mescla de diferents gasos (entre els que destaquen el nitrogen il’oxigen) a la que denominem aire sec, més una certa quantitat d’aigua en forma de vapor.Generalment, l’interval de pressions i temperatures d’interès per a diverses aplicacions és tanlimitat que es pot considerar que tant l’aire sec com el vapor d’aigua es comporten comgasos ideals. A més, es considera que l’aire seco es comporta com si fos un component pur,per lo que les propietats de l’aire humit es poden estudiar considerant les propietats demescles de gasos ideals, regides principalment por la coneguda llei de Dalton. Como veurema continuació, aquesta aproximació facilita enormement el càlcul analític (mitjançantequacions) de les propietats de l’aire (que es sol denominar aire humit per a diferenciar-lo del’aire sec).Recordarem les principals propietats de l’aire sec i del vapor d’aigua. En les taules senyaladestrobarem el valor d’aquestes propietats de forma més exacta.
  • 25. Aire sec • Massa molecular: Ma = 28’9645 10-3 kg/mol pa M a • Densitat i volum específic: ρa = va-1 ≈ (kg/m3) R T (K ) pa = pressió parcial de l’aire sec R = 8’314510 J mol-1 K-1 = 0’082056 atm l mol-1 K-1 = 1’9864 cal mol-1 K-1 • Calor específic: cpa ≈ 1 kJ/(kg ºC) • Entalpia específica: (prenent com a referència 0 ºC) ΔHa ≈ 1 (T – 0 ºC) kJ/kgVapor d’aigua • Massa molecular: Mv = 18’01534 10-3 kg/mol pv M v • Densitat i volum específic: ρv = vv-1 ≈ (kg/m3) per a T < 66 ºC R T (K ) pv = pressió parcial del vapor d’aigua • Calor específic: cpv ≈ 1’88 kJ/(kg ºC) entre – 71 ºC y 124 ºC • Entalpia específica: ΔHv ≈ Lv(0 ºC) + 1’88 (T – 0 ºC) kJ/kg (Prenent com a referència aigua líquida a 0 ºC, i sent Lv(0 ºC) = 2501’4 kJ/kg )Aire humitÉs una mescla binària que, a pressiones inferiors a 3 atm, es pot aproximar al comportamentd’una mescla de gasos ideals, complint la llei de Dalton.Anomenem ma i mv , i na i nv a les masses i número de molsd’aire sec i de vapor d’aigua. • Massa molecular: Mh = (ma + mv )/( na + nv) (kg/mol) pM h • Densitat i volum específic: ρh = vh-1 ≈ (kg/m3) R T (K )Segons la llei de Dalton: p = pa + pv , on pa i pv són lespressions parcials de l’aire sec i el vapor d’aigua (com siocuparan tot el volum). m a c pa + m v c pv • Calor específic: c ph = (kJ/K kg aire humit) ma +m v m a ∆H a + m v ∆H v • Entalpia específica: ∆H h = (kJ/kg aire humit) ma +m vLes expressions anteriors mostren una dependència de les propietats de l’aire humit amb laquantitat de vapor que contingui. Por això, és necessari introduir índexs o paràmetres quepermetin quantificar la humitat de l’aire.
  • 26. 1.1. Aire saturat. Pressió de saturació i temperatura de rosada.• El vapor d’aigua present a l’aire sol tenir una pressió parcial petita. L’aire estarà saturat devapor d’aigua quan, a una temperatura donada, aquesta pressió parcial sigui igual a la sevapressió de saturació, ps , a dita temperatura. De la mateixa forma, l’aire estarà saturat quan, auna pressió parcial pv qualsevol, la seva temperatura sigui igual a la seva temperatura desaturació a aquesta pressió. A aquesta temperatura se la denomina temperatura o punt derosada, Tr , ja que indica la temperatura a la que començarà a condensar-se el vapor d’aigua.És a dir, el concepte de temperatura de rosada és totalment equivalent al de temperatura desaturació a pressió constant (isobàrica). - Per exemple, la pressió de saturació a 20 ºC serà 23´39 mb, i això significa que quan la pressió parcial del vapor sigui igual a 23´39 mb, començarà a condensar-se. - De la mateixa forma, la temperatura de rosada quan la pressió parcial del vapor és de 0´04 bars serà aproximadament de 29 ºC, i per sota d’aquesta temperatura l’aigua condensaria.• La diferència entre la temperatura de l’aire i la seva Tr dependrà de la humitat existent enl’aire. A una temperatura donada, la temperatura de rosada serà més petita com menys humitestigui l’aire. Quan l’aire està prop de la saturació la T i la Tr seran pràcticament iguals. Per això,la temperatura de rosada també es pot utilitzar com índex d’humitat.• En la atmosfera, el refredament isobàric necessari per a assolir la Tr se sol produir bé per lamescla de l’aire amb un altre aire més fred, o bé pel refredament nocturn. Durant la nit, quan elcel està clar o poc ennuvolat, la temperatura del terra disminueix sensiblement, degut a lapèrdua de calor per radiació. Si no existeix vent a nivell del terra, aquest refredament sols espropaga a les capes atmosfèriques més properes al terra. Si la temperatura assoleix latemperatura de rosada, se produeix llavors la condensació del vapor d’aigua sobre el terra i lavegetació.• En general, si la Tr > 0 ºC es podrien produir gotes d’aigua, és a dir, rosada, boires o pluges,mentre que si la Tr < 0 ºC es podrien formar cristalls de gel, donant lloc a nevades o al gebre.1.2. Índexs d’humitat.Anomenem índexs d’humitat a les distintes formes d’expressar la quantitat de vapor d’aiguacontinguda en l’aire humit. Alguns d’ells són els següents:
  • 27. • Humitat absoluta: ρv = mv/V (kg vapor/m3 d’aire humit) • Raó de mescla o humitat: X = mv/ma (kg vapor/kg aire sec) • Humitat específica: e = mv/(mv+ma) (kg vapor/kg aire humit) • Fracció molar: Y = nv/na mols vapor/mol aire secque estan relacionats entre ells de forma directa.El principal inconvenient d’aquests índexs és que no indiquen si el vapor està a punt decondensar o no, és a dir, si el vapor està pròxim a la saturació, cosa que és de moltaimportància en la majoria dels casos pràctics. Per això es defineix un índex, que és el mésutilitzat, anomenat humitat relativa. • Humitat relativa. És el quocient entre la pressió parcial del vapor i la seva pressió de saturació a la mateixa temperatura, expressat en (%): HR = 100 pv/ps (%) Així, quan l’aire està saturat pv=ps i T=Tr i la humitat serà del 100%. Segons ens allunyem del 100%, l’aire estarà més sec. Com ps augmenta amb la temperatura, la humitat relativa disminuirà en la mateixa proporció. És a dir, l’aire tindrà menys humitat relativa com més calent estigui, encara que contingui la mateixa quantitat de vapor (la mateixa raó de mescla, per exemple), i com més alta sigui la temperatura més difícilment es produirà la saturació.1.3. Volum, calor i entalpia humits.Quan es coneix el grau d’humitat, les propietats termodinàmiques de l’aire humit se solenexpressar en funció de la raó de mescla X, i es defineixen en relació a cada kg d’aire sec. • Volum humit: RT RT M V * = V h (1 + X ) = (1 + X ) = (1 + a X ) m3 aire humit/kg aire sec pM h pM a Mv expressió que, per al cas particular en que p = 1 atm = 1’013 105 Pa, es redueix a: V* = 0002834 T(K) (1+1608X) m3 aire humit/kg aire sec • Calor específica humida (calor humida): cp* = cph (1+X) = cpa +X cpv kJ/(K kg aire sec) • Entalpia humida: ΔH* = ΔHh (1+X) = ΔHa+X·ΔHv =cp* (T – T0) + X Lv (T0) kJ/kg aire sec on se sol prendre T0 = 273’15 K = 0 ºC i llavors Lv = 25014 kJ/kg.
  • 28. 1.4. Temperatura de saturació adiabàtica i de termòmetre humit.• Temperatura de saturació adiabàtica, Th , és la temperatura teòrica d’equilibri que tindràl’aire no saturat després de patir un procés adiabàtic i isobàric (isoentàlpic), que el porta a lasaturació mitjançant evaporació d’aigua líquida a aquesta temperatura.Aquesta definició sembla difícil d’entendre en la pràctica, ja que és necessari que l’aigualíquida es reposi precisament a la temperatura de saturació adiabàtica, valor que, en principi,desconeixem. En realitat, s’ha d’entendre que es tracta d’una definició operacional, de formaque la temperatura de saturació adiabàtica pot trobar-se mitjançant les següents operacions: (1) Afegir aigua a qualsevol temperatura fins que l’aire se saturi adiabàticament. (2) Mesurar la temperatura de l’aire saturat. (3) Canviar la temperatura de l’aigua líquida de forma que coincideixi amb la mesura en el pas anterior. (4) Repetir els passos (2) i (3) fins que la temperatura de l’aire saturat s’iguali a la de l’aigua que està sent afegida. Quan ambdues coincideixin haurem trobat la temperatura de saturació adiabàtica.Durant el procés de saturació adiabàtica la pressió parcial del vapor augmenta, com aconseqüència de l’augment del contingut de vapor, i la temperatura de l’aire disminueix, ja quela calor necessària per a l’evaporació es presa del propi aire humit. Lògicament, per a que esprodueixi el procés, Th ha de ser menor que la T inicial.La temperatura de saturació adiabàtica dependrà de la humitat que contingui l’aire i, per tant,constitueix un altre índex d’humitat. En efecte, per a una temperatura donada T, com mésgran sigui la humitat de l’aire menys aigua s’evaporarà, es requerirà menys quantitat de calorper a evaporar-la i per tant, la Th serà major. Si l’aire està inicialment saturat Th coincidiràexactament amb T.Per a establir la relació analítica entre Th i els índexs d’humitat, apliquem els corresponentsbalanços de massa i energia (veure figura anterior).  Balanç de massa: la quantitat d’aigua a incorporar serà igual a l’augment de vapor d’aigua en l’aire. mw = ms - mv
  • 29. on ms és la massa de vapor d’aigua saturat i mw la massa d’aigua líquida.  Balanç d’energia: ja que el procés és adiabàtic i els canvis d’energia cinètica i potencial són menyspreables, la variació d’entalpia que pateix l’aire ha de ser igual a la de l’aigua líquida que s’està evaporant. (El procés és isoentàlpic per al conjunt aire+aigua líquida, però això no vol dir que l’entalpia de l’aire romangui constant). ma [ΔH2*(Th) – ΔH1*(T)] = mw ΔHw(Th) on ΔHw(Th) = cw Th és l’entalpia de l’aigua líquida que s’aporta (que roman constantment a Th).Quan ambdós balanços es consideren simultàniament, es pot demostrar que la calor sensiblecedida per l’aire durant el seu refredament és igual a la calor latent necessària per a evaporarl’aigua, és a dir: cp*(T – Th) = (Xs – X) Lv (Th)Per a un càlcul aproximat podem suposar que: cp* (T – Th) ≈ cpa(T – Th)i substituint en l’equació anterior: c pa X ≈ Xs − [T − Th ] Lv (Th )O bé: Lv (Th ) T − Th ≈ [X s − X ] c paCom es pot apreciar, per a una T donada, la Th és menor com més sec estigui l’aire, és a dir,com major diferència hi hagi entre Xs i X. A més, amb aquesta aproximació, la corba esconverteix en una recta de pendent negativa, tal i com es mostra a la figura.Per una altra part, també és compleix que: (ΔH2* – ΔH1*) = (Xs-X) ΔHw(Th)i tenint en compte que aquest últim terme és molt més petit que els anterior, es compleix que,aproximadament: ΔH2 ≈ ΔH1Per tant, podem suposar que el procés de saturació adiabàtica és aproximadamentisoentàlpic per a l’aire humit (exactament isoentàlpic per al conjunt d’aire humit i aiguaaportada). La recta representada en la figura anterior representarà aproximadament alsprocessos isoentàlpics que pateixi l’aire humit. L’error comés al suposar que l’entalpia romanconstant és inferior al 5% per a temperatures de l’aire inferiors a 150 ºC.
  • 30. Como ja hem indicat, la principal utilitat del concepte de temperatura de saturació adiabàticaés la seva dependència amb la humitat de l’aire i, por tant, el seu possible ús com a índexd’humitat. Per a poder calcular aquest índex seria necessari mesurar experimentalment latemperatura Th, no obstant, com ja hem indicat, la seva mesura directa necessitaria un procésaltament ideal i iteratiu (repetitiu), el que no resulta útil a la pràctica.En realitat, el concepte de temperatura de saturació adiabàtica (o temperatura termodinàmicadel termòmetre humit) fou introduït per a poder explicar el fenomen del termòmetre humit.Com veurem a continuació, en el cas de l’aire humit, Th es pot obtenir experimentalment d’unaforma senzilla, ja que coincideix pràcticament amb la temperatura que mesura un termòmetrehumit situat en una corrent d’aire no saturat, denominada temperatura de termòmetre humit. Temperatura de termòmetre humit és la temperatura que assoleix un termòmetre cobert amb un drap humit que s’exposa a una corrent d’aire sense saturar que flueix a velocitats properes a 5 m/s (també es pot fer que sigui el termòmetre el que es mogui). Quan el drap s’exposa a l’aire, part de l’aigua s’evapora, consumint inicialment calor latent del drap i produint un descens de la temperatura del termòmetre. A partir d’aquest moment flueix calor des de l’aire cap al drap, permetent la evaporació de més aigua. El procés segueix fins que s’arriba a l’equilibri entre ambdós fluxos de calor (similar a com passa en el procés de saturació adiabàtica). S’han de tenir en compte diferents aspectes fonamentals, que distingeixen aquesta nova magnitud de l’anterior: En aquest cas es tracta d’una magnitud estacionaria de no-equilibri, ja que depèn de les velocitats amb les que es transfereixen la calor i la matèria. En aquest cas la quantitat de líquid és tan petita, en comparació amb la massa d’aire, que las variacions que es produeixen en les propietats d’aquest últim són menyspreables, i l’efecte del procés es manifesta tan sols en el líquid. La temperatura de termòmetre humit depèn dels ritmes de transferències de calor i massa entre el drap humit i l’aire. Com aquestes transferències depenen, a la vegada, de la geometria del termòmetre, de la velocitat de l’aire, de la temperatura de l’aigua subministrada, i d’altres factors, la temperatura de termòmetre humit no es pot considerar com una propietat de la mescla.La temperatura de termòmetre humit depèn de la humitat que contingui l’aire, per tant tambées pot utilitzar com a índex d’humitat i estarà relacionat amb els índexs que ja hem definit. Amés, com ja hem indicat, en el cas de l’aire humit, coincideix pràcticament amb la temperatura
  • 31. de saturació adiabàtica, per això hem denominat Th a ambdues. Per a demostrar aquestarelació partirem del balanç d’energia en el termòmetre humit.  Balanç d’energia: La calor sensible que l’aire transmet por convecció al termòmetre humit ha de ser igual a la que requereix l’aigua per a evaporar-se. És a dir, per a una quantitat d’aigua donada: h (T – Th) = kg Lv (Xs – X) sent h el coeficient de convecció, kg el coeficient de transferència de massa, i Lv la calor latent de vaporització a la temperatura Th . Aïllant: kg T - Th = Lv (Th )( X s − X ) h Si comparem amb l’equació per a la temperatura de saturació adiabàtica: Lv (Th ) T - Th ≈ (X s − X ) c*p deduïm que la temperatura de saturació adiabàtica serà aproximadament igual a la del termòmetre humit sempre que: h h * ≈ ≈1 k g c p k g c pa expressió coneguda com a relació de Lewis i que tan sols es compleix per a l’aire humit a humitats moderades, ja que per a aquest cas el valor de h/kg, coneguda com a relació psicromètrica, és de l’ordre de 0.95 kJ/(kg ºC).Per a altres mescles d’aire+vapor, com la que es produeix en tancs d’emmagatzematge d’oli oen mescles d’alcohol i aire, no es produeix aquesta coincidència i la temperatura de saturacióadiabàtica serà distinta de la temperatura de termòmetre humit.Alguns processos naturals estan relacionats amb el concepte de temperatura de termòmetrehumit. Així la disminució de la temperatura en la pell de persones i animals o en els òrganstendres dels vegetals en corrent d’aire, és deguda a l’evaporació del líquid procedent de latranspiració produïda pels mateixos. També és conegut que si l’aire està molt humitl’evaporació de la suor es veu disminuïda i augmenta la sensació de xafogor. Així per a unamateixa temperatura la calor resulta menys sufocant com més sec estigui l’aire, ja que éspossible evaporar major quantitat de suor i la pell assolirà una temperatura Th més baixa. Porexemple, la sensació de xafogor per a una humitat del 30% es comença a sentir als 32 ºC,mentre que per a una humitat del 60% es comença a sentir als 25 ºC, sent la Thaproximadament igual a 20 ºC en ambdós casos.
  • 32. 2. APARELLS PSICROMÈTRICS.Un cop introduïts els conceptes teòrics necessaris, resulta convenient estudiar com es podenmesurar en la pràctica. Un dels aspectes més importants de la psicrometria és, precisament, lamesura directa o indirecta dels índexs d’humitat.Conèixer el valor de la humitat a l’aire és important en una amplia gama d’aspectes pràctics.Per exemple, els éssers humans, els animals i les plantes són sensibles a la humitat, afectanttant a la seva salut como al seu confort. També s’ha de mantenir la humitat correcta per aevitar danys als objectes sensibles como pintures, gravacions, etc. Per això, és necessari que enel disseny dels sistemes de calefacció i condicionament d’aire es tingui en compte, no tan solsla temperatura, sinó també la humitat de l’aire (climatització).Es fa necessari, per tant, disposar d’instruments de mesura de la humitat que permetin unalectura còmoda i que proporcionin una exactitud suficient. A continuació es presenten elsdiferents aparells utilitzats per a mesurar la humitat, classificat segons el mètode de mesurautilitzat.Estudiarem aquí les característiques generals de cadascun d’ells. • Psicròmetre i aspiropsicròmetre.Consten bàsicament de dos termòmetres, un normal (sec) i l’altre amb el seu bulbpermanentment humit gràcies a un drap o gasa mullats que el recobreix. El drap o gasa, enforma de metxa, rep l’aigua d’un petit dipòsit en el que està submergit l’altre extrem delmateix. Aquest dipòsit presenta tan sols un orifici per a deixar pas a la metxa evitantl’evaporació.Resulta convenient que el termòmetre estigui ventilat, evitant-ne a més els efectes de laradiació. Per això, s’acostuma a utilitzar un psicròmetre en forma de fona, com el mostrat en lafigura, de manera que ambdós termòmetres giren mitjançant un moviment manual.Més perfecte és l’aspiropsicròmetre de Assmann, en el que el moviment de l’aire s’aconsegueixmitjançant un ventilador. Como es mostra a la figura, els dos termòmetres són ventilats per lacorrent d’aire aspirada per un petit ventilador. Per a rebutjar la radiació s’envolten els dostermòmetres amb tubs niquelats.
  • 33. Com ja hem indicat, la diferència entre la temperatura de l’aire (o temperatura seca) i Thdependrà de la humitat de l’aire, permetent així mesurar aquesta. En la majoria dels casos, juntal psicròmetre se subministra una taula amb doble entrada (T i T-Th) que proporcionadirectament la humitat relativa de l’aire. (veure figura final dels apunts). En cas de no disposarde taula s’ha de recórrer als càlculs necessaris (utilitzant les equacions anteriors) o bé a undiagrama psicromètric. • Higròmetres de cabell.Es basen en que els cabell s’expandeixen i contrauen segons sigui la humitat relativa. Mésconcretament, Saussure, el seu inventor, va trobar que la variació de longitud del cabell ésfunció lineal de la humitat relativa. Així, un cabell humà pot arribar a variar la seva longitud enun 2.5% quan es produeix una variació del 100% en la humitat relativa. En tot cas, s’haurà detenir en compte que l’augment de temperatura també influeix en l’augment de longitud.A pesar del nom genèric d’higròmetres de cabell, actualments’utilitzen fibres sintètiques, cintes de fusta, membranesdiverses, etc. Els aparells es construeixen de forma quepermetin mesurar exactament la longitud de l’element utilitzat,calibrant-lo a diferents humitats.Aquest tipus d’higròmetre és molt adequat per aconseguir unhigrògraf, és a dir, per al muntatge d’un sistema que permetiregistrar en paper les variacions d’humitat que es vagin produint (veure figura). • Higròmetre de punt de rosada.Como es mostra a la figura, consta d’una placa metàl·lica que es refredada mitjançantevaporació d’èter o altra substància volàtil. Quan s’observen les primeres gotetes de líquid enla seva superfície, la temperatura de l’èter serà la Tr de l’aire que esta sent utilitzat per a
  • 34. l’evaporació. La major dificultat es troba en determinar elmoment en que comença la condensació, per aixòactualment s’utilitza algun dispositiu electrònic (cèl·lulafotoelèctrica, per exemple) que detecti l’aparició de larosada. Mesurant la temperatura a l’exterior, i utilitzantl’equació o la gràfica de la pressió de saturació, s’obté lahumitat relativa de l’aire. • Higròmetre químic.Consta d’una sèrie de tubs que contenen algunasubstància higroscòpica, i pels que es fa circular un volum conegut d’aire fins a que aquestquedi pràcticament sec. La diferència de massa dels tubs abans i després d’haver fet circularl’aire, serà deguda a la massa de vapor que s’ha dipositat. D’aquesta forma es mesuradirectament la humitat absoluta. • Higròmetres elèctrics.Basats en que algunes substàncies (òxid d’alumini, alguns polímers,etc.) varien la seva resistència elèctrica superficial o la seva capacitatelèctrica en funció de la humitat relativa de l’aire que les envolta.Permeten una mesura còmoda i ràpida, a més de poder ser adaptats pera bolcar dades en un ordenador.Els higròmetres electrònics estan definits en l’apartat 5.5 de la normaUNE 100010 (1989), on s’indica que l’error per a humitats del 20% al95% és del 2% al 3%, sent de 0’3 ºC en la mesura de temperatures (seca, humida i de rosada).3. DIAGRAMES PSICROMÈTRICS.Les diferents propietats de l’aire humit estan relacionades entre sí, de forma que a partir dedos qualsevol de les definides anteriorment (T, X, HR, Tr , Th , V* , o ΔH* ) és possible obtenir laresta. No obstant, l’ús de les diverses equacions o aproximacions pot complicar excessivamentel càlcul de les propietats. Per això, s’ha imposat en la pràctica la utilització de diagrames, queno són més que les representacions gràfiques de les equacions anteriors, i que es denominendiagrames psicromètrics. En aquests diagrames, cada estat de l’aire vindrà representat por unpunt i cada procés psicromètric per una línia. S’aconsegueix així una estimació ràpida i precisade la informació necessària en l’estudi i disseny d’equips o processos relacionats amb lapsicrometria. A més permeten realitzar càlculs en qualsevol moment i situació.El principal inconvenient dels diagrames psicromètrics és que tan sols poden ser utilitzats per ala pressió indicada (amb un marge aproximat d’un 10% a dalt o baix), és a dir, és necessariconstruir un diagrama per a cada pressió total p. Un altre inconvenient és la gran quantitat delínies que venen representades, el que pot portar a l’usuari inexpert a cometre errors fàcilment.
  • 35. És necessari, per tant, aprendre a utilitzar correctament els mencionats diagrames. També s’hade tenir en compte que no estan representades les corbes per a tots els valors possibles, per elque en molts casos serà necessari interpolar. Finalment, un altre inconvenient és que trobem,al menys, tres diagrames diferents segons les principals coordenades (eixos) que es trien.Resulta necessari, per tant, aprendre a utilitzar qualsevol d’ells. Mostrarem aquí els diagramesCarrier, Mollier i ASHRAE per a la pressió atmosfèrica (101.3 kPa).• Diagrama Carrier. − Representa la T (ºC) en l’eix d’abscisses (eix x) i la raó de mescla o humitat (X, en kg d’aigua/kg d’aire sec) en l’eix d’ordenades (eix y, a la dreta). − La corba de saturació (HR = 100%) puja cap a la dreta i representa el final del diagrama. En aquesta corba se localitzen les temperatures de termòmetre humit i les temperatures de rosada. − Les corbes d’humitat relativa constant són similars a la de saturació, avançant cap a baix (tombant-se més) segons disminueix la humitat de l’aire. − El volum humit i les línies de Th constant o isoentàlpiques es representen per obliqües de distinta inclinació. En realitat les línies de Th constant són hipèrboles amb una petita curvatura, per el que semblen rectes. − En el cas de l’entalpia s’obté únicament el valor de l’entalpia humida en la saturació, sent llavors necessari incloure altres corbes que donen la desviació corresponent. − La calor humida no està representada, però es pot obtenir fàcilment a partir de l’equació psicromètrica per a l’entalpia humida.• Diagrama Mollier. − És el més antic dels diagrames psicromètrics, ja que va ser proposat por R. Mollier en 1932. Actualment s’utilitza, sobretot, en Alemanya i França.
  • 36. − Representa l’entalpia humida en l’eix d’ordenades (a l’esquerra) front a la humitat X en abscisses. Les línies d’humitat constant són verticals, mentre que les isoentàlpiques són rectes amb pendent negativa i paral·leles entre sí. − Les isotermes són línies rectes que arrenquen de l’eix d’ordenades. La isoterma corresponent a 0 ºC és horitzontal, mentre que la resta d’isotermes són línies rectes amb major pendent a les temperatures més altes. − Les corbes d’humitat relativa constant parteixen d’abscisses properes a l’origen i van creixent i separant-se en ventall. La corba més propera a l’eix horitzontal és la de saturació. − Les línies de volum específic constant són rectes que parteixen de l’eix vertical, tenen pendent negativa, encara que amb menor inclinació que les isoentàlpiques, i finalitzen en la corba de saturació.• Diagrama ASHRAE. − És el diagrama proposat per la American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers (ASHRAE) i el seu ús s’està generalitzant tant en América com en Europa. − Es molt semblant al tipus Carrier, sent la principal diferència el que aquí es representa directament l’entalpia humida, en lloc de l’entalpia de saturació. A més s’elimina l’aproximació de considerar exactament iguals a les línees isoentàlpiques (línees continues) i les de temperatura de termòmetre humit (línees discontínues).
  • 37. 4. PROCESSOS PSICROMÈTRICS.Per a finalitzar el tema, anem a estudiar algunes aplicacions pràctiques derivades delconeixement adquirit sobre l’estudi de la humitat de l’aire. Ens referirem tant a aplicacionsindustrials com o a les relacionades amb fenòmens atmosfèrics, ja que ambdues tenen relacióamb aspectes científics. L’estudi d’aquests processos es fonamental per a poder abordar elstemes referits a assecament, condicionament d’aire o climatització.Els processos psicromètrics fonamentals consisteixen en transferències d’energia en forma decalor i transferències de massa en forma d’aigua. El signe d’aquestes transferències donarà lloca una multitud de possibilitats, tal i com es mostra a la següent taula.Quan hi ha variació d’humitat, un escalfament o refredament no significa necessàriament unaugment o disminució de la temperatura.Altres processos interessants són els de mescla de masses d’aire amb distintes propietats. En lasecció 4.4 estudiarem el cas particular de mescla adiabàtica.
  • 38. 4.1 Escalfament o refredament.Són processos en els que es modifica la temperatura de l’aire sense que es produeixievaporació o condensació (escalfament o refredament sensible). En aquest cas es mantéconstant la quantitat de vapor present a l’aire, representada per la raó de mescla, X. En eldiagrama Carrier aquest procés vindrà representat per una línea recta horitzontal (veurefigura). En el diagrama de Mollier serà una línea recta vertical.L’escalfament va acompanyat d’una disminució de la humitat relativa, augmentant, per tant, lacapacitat de l’aire per a assecar els materials amb els que entri en contacte. El refredamentprodueix, pel contrari, un augment de la humitat relativa, però sense arribar a la saturació (jaque llavors X deixaria de ser constant).La quantitat d’energia necessària per a l’escalfament o despresa en el refredament vindràdonada per: Q = ma (ΔH*B - ΔH*A) = ma c*p ΔTUn exemple d’aquests processos és el que té lloc en un bescanviador de calor en el que unacorrent d’aire s’escalfa o es refreda bescanviant calor amb un segon fluid, com aigua calenta ovapor d’aigua en l’escalfament, o una salmorra (dissolució salina incongelable) o un líquidrefrigerant en el refredament. Sempre s’haurà de tenir en compte que, en el cas delrefredament, la superfície en contacte amb l’aire ha de tenir una temperatura superior a la derosada, per a evitar la condensació de l’aigua i per tant, la deshumidificació de l’aire.Un altre exemple és la disminució, clarament apreciable, de la humitat relativa de l’aire en elslocals amb calefacció, provocant la dessecació de mucoses, irritacions en la faringe, etc.4.2 Humidificació.En els processos d’humidificació es produeix un augment de la quantitat de vapor d’aiguapresent a l’aire. Aquest augment de la humitat estarà provocat per l’extracció de l’aiguapresent en alguna substància (secat) o per que s’afegeixi aigua expressament (por exemple,
  • 39. per a condicionar l’aire en un clima sec, o per aconseguir una humitat relativa elevada encambres de conservació de fruites i hortalisses).En qualsevol cas, es produirà també una variació en la temperatura de l’aire, que dependrà desi s’ha afegit o no calor durant el procés.• Humidificació adiabàtica. Augment de la humitat i la humitat relativa a la vegada que disminueix la temperatura sense que existeixi aportació d’energia. El procés és el mateix que l’explicat en la saturació adiabàtica, sense que s’hagi d’aconseguir necessàriament aquesta saturació. En el diagrama psicromètric, l’evolució de l’aire segueix les línees isoentàlpiques que, en primera aproximació (diagrama Carrier) coincidiran amb les de termòmetre humit, és a dir, que Th roman pràcticament constant durant el procés. En la pràctica, molts dels equips industrials per a l’evaporació o condicionament d’aire i per a l’assecament de sòlids (fruites, cereals, etc.) estan dissenyats de forma que alguns dels processos resultin adiabàtics. La humidificació es pot aconseguir polvoritzant aigua líquida a l’aire o bé fent que l’aire passi a través d’un teixit que es manté constantment mullat amb aigua. Aquest procés s’acostuma a denominar “refredament evaporatiu” y constitueix el fonament físic dels “rentadors d’aire”. Se suposa que s’evapora tota l’aigua injectada i que la calor necessària per a això l’extreu de l’aire inicial, disminuint la seva temperatura. L’entalpia de l’aire augmentarà una mica, degut a aquest aportament d’aigua, però a la pràctica es pot considerar que tant l’entalpia com la temperatura de termòmetre humit romanen constants durant el procés. El refredament evaporatiu s’utilitza també en els humidificadors de panels, que mantenen una gran superfície constantment humida sobre la que incideix una corrent d’aire. Aquest tipus de panels resulta molt apropiat per a algunes aplicacions agrícoles com són els hivernacles, les naus de cultiu de bolets, i també en algunes instal·lacions ramaderes (galliners en règim d’explotació intensiva, o allotjaments de conills en regions on s’assoleixen altes temperatures).• Humidificació amb escalfament o refredament. Augment de la humitat amb intercanvi de calor. La temperatura pot augmentar, disminuir o romandre constant. La humitat relativa pot augmentar o disminuir. L’evolució del aire en el diagrama psicromètric no segueix cap
  • 40. línia determinada, però el procés es pot descompondre, per exemple, en un escalfament sensible seguit d’una humidificació adiabàtica. Aquest procés és el que pateix l’aire condicionat a l’estiu un cop que entra en un local, on absorbeix calor i humitat al mateix temps. També passa quan a l’hivern l’aire exterior fred ha de ser escalfat i humidificat abans de ser introduït en un local climatitzat.4.3. Deshumidificació.En els processos de deshumidificació la humitat de l’aire disminueix, sent els més habituals elssegüents:• Deshumidificació química. Disminució de la humitat de l’aire mitjançant l’ús d’adsorbents (carbonis actius, gel, sílice, ...) o absorbents (clorurs, bromurs, ..). En el procés s’allibera calor i la temperatura de l’aire augmenta. En el diagrama psicromètric, el procés no segueix cap línea determinada.• Deshumidificació per refredament. Disminució de la humitat de l’aire com a conseqüència d’una disminució de la temperatura per sota de la seva corresponent temperatura de rosada. Com ja sabem, la saturació de l’aire es produeix quan la seva humitat relativa arriba al 100% i l’aire assoleix la seva temperatura de rosada. A partir d’aquest moment qualsevol refredament produirà la condensació del vapor d’aigua existent, disminuint, per tant la humitat present a l’aire, que seguirà evolucionant segons la corba de saturació del diagrama psicromètric. En els problemes relacionats amb processos de condensació és important obtenir la temperatura final, així com la quantitat de vapor condensat.
  • 41. En l’atmosfera, les condensacions es produeixen per refredament directe de l’aire, bé quan puja adiabàticament, quan deixa de rebre la calor del Sol, o quan es mescla amb aire molt humit o molt fred. Quan l’aire puja la temperatura disminueix a un ritme aproximat de 10 ºC per cada km d’elevació. Quan s’arriba a la temperatura de rosada el vapor d’aigua present a l’aire tendirà a condensar-se. No obstant, les gotes d’aigua no es produeixen de seguida. Això és degut a que la capil·laritat fa que la pressió sigui major en les superfícies esfèriques, com les gotes, que en les superfícies planes (sobrepressió por curvatura, donada por l’equació de Laplace). Per tant, les gotes petites que es puguin produir s’evaporaran de seguida a no ser que existeixin nuclis de condensació o que l’aire estigui sobresaturat. Un cop que comença la condensació es formen boirines, que constitueixen la fase inicial de la formació de boires o núvols. Per una altra part, quan l’aire es refreda sense pujar, i un cop que s’assoleixi la temperatura de rosada, i suposant condicions suficientment estables (absència de vent, per exemple), començarà a produir-se condensació sobre algunes superfícies en contacte amb l’aire que són mals conductors de la calor o que exhalen humitat (roques, vidres, vegetació, ...). La quantitat de rosada depèn de la naturalesa dels objectes i de les condicions meteorològiques (vent, etc.). Si la temperatura de rosada és inferior a 0 ºC es produirà gebre (per exemple en els evaporadors de les cambres frigorífiques). Per una altra part, si l’aire no està en contacte amb tals superfícies, la formació de gotes requereix, de nou, nuclis de condensació, produint-se llavors les boires.4.4. Mescla adiabàtica. En alguns casos pràctics es produeix la mescla d’aires amb diferents propietats psicromètriques, sense que es realitzi cap aportament extern de calor (adiabàticament). Exemple típic és el que es dóna quan l’aire de retorn en un sistema d’aire condicionat es barreja amb una part d’aire provinent de l’exterior. Per a calcular les propietats de l’aire mesclat, coneixent les dels seus components, és necessari recórrer als balanços de massa i energia. Anomenant 1 i 2 als components i 3 a la mescla, a l’estat estacionari els balanços d’aire sec i vapor d’aigua seran: ma1 + ma2 = ma3 mv1 + mv2 = mv3 Tenint en compte la definició de la raó de mescla i substituint: X1 ma1 + X2 ma2 = X3 (ma1 + ma2) D’on podem aïllar la humitat de l’aire mesclat: X 1 m a1 + X 2 m a 2 X3 = m a1 + m a 2
  • 42. que com veiem, no és res més que un repartiment proporcional a la quantitat d’aire inicialde cada component.Anàlogament, el balanç d’energia serà: ma1 ΔH1* + ma2·ΔH2* = ma3 ΔH3*i, per tant, ma1∆H 1* + ma 2 ∆H 2 * ∆H =* ma1 + ma 2 3És a dir, l’entalpia de la mescla també s’obté mitjançant un repartiment proporcional a laquantitat d’aire sec de cada component de la mescla.Per a determinar les propietats de l’aire mesclat es pot utilitzar també el diagramapsicromètric, de la següent manera:1) Es localitzen els punts que representen les dos masses d’aire inicials.2) S’uneixen aquests punts mitjançant una línea recta.3) aquesta línia recta es divideix en proporció inversa a les quantitats d’aire inicials. Així, si les dues quantitats són iguals, la mescla d’aire vindrà donada per la meitat de la línia (veure figura). Si són distintes, el punt que representa a l’aire mesclat estarà més a prop de la major quantitat d’aire inicial.Si les dues corrents d’aire que es mesclen estan inicialment saturades, el punt de mescla estrobarà fora del diagrama psicromètric, és a dir, més enllà de la línia de saturació. Per atrobar el punt que representa al nou aire saturat, es traça una paral·lela a les líniesisoentàlpiques (Th constant) des del punt de mescla fins a la corba de saturació.
  • 43. ACTIVITATS1. INTRODUCCIÓEl diagrama psicromètric és la representació gràfica de les propietats de l’aire humit, en el quehi ha representades les següents característiques:  corba de saturació  temperatura seca  temperatura humida  humitat absoluta  humitat relativa  humitat de saturació  volum específic  punt de rosada (temperatura de rosada)Per determinar-hi un punt, es necessita conèixer dues propietats. Conegudes duescaracterístiques de les esmentades, mitjançant el diagrama psicomètric es podran obtenir totesles altres propietats. Considerem un punt en el diagrama psicomètric. Seguidament es veuràcom es poden buscar cadascuna de les característiques que s’esmenten més amunt. a) Corba de saturació: també corba d’humitat relativa al 100%. Limita el diagrama pel seu costat esquerre. Permet conèixer el contingut d’aigua de saturació a una temperatura determinada.
  • 44. b) Temperatura seca (TS). Són línies verticals que es llegeixen en ordre creixent de dreta a esquerra:c) Temperatura humida (TH). Són corbes inclinades amb pendent descendent d’esquerra a dreta, i per llegir la temperatura humida es fa en el punt de tall de la isoentàlpica que passa pel punt considerat i la corba de saturació:
  • 45. kg vapord) Humitat absoluta (H). Són les línies horitzontals. Les seves unitats són i es kg aire sec llegeix a la part dreta del gràfic, amb ordre creixent de baix cap dalt.e) Humitat relativa (HR). Són corbes que indiquen la humitat relativa de l’aire. Tenen un traç similar al de la corba de saturació i van en ordre ascendent des de la dreta a l’esquerra.
  • 46. f) Humitat de saturació (HS). Es calcula com la interacció entre la temperatura humida i la corba de saturació. 3g) Volum específic (v). Les seves unitats són m i són línies amb pendent més gran que kg les isoentàlpiques i en ordre creixent d’esquerra a dreta (a). Alguns llibres el situen en un diagrama a part, on es representa el volum específic per a l’aire sec i l’aire saturat. Per a humitats relatives intermèdies, s’hauria de fer una interpolació entre ambdues corbes (b).
  • 47. h) Punt de rosada (temperatura de punt de rosada, Tr). Es mesura en °C i ve determinada pel punt de tall entre la corba de saturació i la línia d’humitat absoluta:
  • 48. Exemple 1Una massa d’aire que està a 30°C i a una temperatura humida de 20°C, s’escalfa fins a40°C mantenint constant la seva humitat relativa. Calculeu la variació d’humitat absolutaexperimentada per la massa d’aire. Quina és la seva humitat relativa?En primer lloc s’ha de localitzar en el diagrama psicomètric el punt corresponent a latemperatura seca de 30°C i la temperatura humida de 20°C. Un cop localitzat aquest punt, sesabrà quina és la humitat relativa de la massa d’aire:Un cop localitzat el punt ja es pot calcular la seva humitat absoluta: kg vaporDe manera que la humitat absoluta de la massa d’aire inicialment és de 0,013 kg aire sec
  • 49. Ara l’enunciat ens diu que la massa d’aire s’escalfa fins a 40°C mantenint constant la sevahumitat relativa, és a dir, les noves condicions estaran en la intersecció de la línia de HR=0,7 ila de la temperatura seca de 40°C. Un cop localitzat el punt es podrà calcular la seva humitatabsoluta: kg vaporPer tant, essent ara la humitat absoluta: 0,033 , la variació dhumitat absoluta serà: kg aire sec2. Exercicis1. En una instal·lació de condicionament d’aire, aquest aire hi entra a 20°C, amb una temperatura humida de 10°C. Amb l’ajut del diagrama psicomètric, calculeu: a) humitat absoluta b) humitat relativa c) temperatura humida. kg vapor (Solució: H=0,004 , HR = 0,3 = 30%, TH = 10°C) kg aire sec2. En una instal·lació de condicionament d’aire, aquest en surt a una temperatura de 80°C i amb una humitat relativa del 20%. Amb l’ajut del diagrama psicomètric calculeu: la humitat absoluta i la temperatura humida. kg vapor (Solució: H=0,064 , TH = 48°C) kg aire sec
  • 50. 3. Una massa d’aire a 40°C té una temperatura humida de 25°C. Utilitzant el diagrama psicomètric, calculeu la humitat absoluta, la humitat relativa, el punt de rosada, la humitat de saturació a la temperatura a què es troba. kg vapor kg vapor (Solució :H=0,014 , HR = 0,31 , TR= 19,3°C, HS=0,021 ) kg aire sec kg aire sec4. Una mescla aire/vapor d’aigua està a 70°C i té una humitat relativa del 24%. Amb l’ajut del diagrama psicomètric, calculeu la humitat absoluta, la temperatura humida i la temperatura de rosada. kg vapor (Solució: H = 0,049 , TH = 44 °C, TR = 40°C) kg aire sec5. Una massa d’aire a 30°C té una temperatura humida de 17,5°C. Amb l’ajut del diagrama psicomètric, calculeu la humitat absoluta, la humitat relativa i el punt de rosada. kg vapor (Solució: H=0,0075 , HR = 0,28 , TR= 10 °C) kg aire sec6. Una massa d’aire a 30°C té una temperatura de punt de rosada de 16,4°C. Amb l’ajut del diagrama psicomètric, calculeu la humitat absoluta, la humitat relativa i el volum específic. kg vapor (Solució: H=0,012 , HR = 0,45 , v = 0,88 m3/kg aire) kg aire sec7. Calculeu la humitat de saturació absoluta de l’aire quan es troba a les temperatures següents: 10°C, 32°C, 45°C i 51°C. kg vapor kg vapor (Solució: H(10°C) =0,008 , H(32°C) =0,030 , H(45°C) =0,065 kg aire sec kg aire sec kg vapor kg vapor , H(51°C) =0,091 ) kg aire sec kg aire sec kg vapor8. Una massa d’aire amb una humitat de 0,010 , que inicialment es troba a 30°C kg aire sec s’escalfa fins a 64°C sense modificar el contingut d’humitat. Quina és la variació dhumitat relativa que experimenta aquesta massa d’aire? (Solució: HRI = 0,39 i HRF = 0,08)9. Una massa d’aire a una temperatura humida de 35°C està a 50°C (temperatura seca). Si s’escalfa fins a 76°C sense modificar el contingut d’humitat, quina és la variació dhumitat relativa que experimenta aquesta massa d’aire? Quina és la seva humitat absoluta?
  • 51. kg vapor (Solució: HRI = 0,39 i HRF = 0,12, H=0,030 ) kg aire sec10. Una massa d’aire que inicialment es troba a una temperatura de 53°C i té una humitat kg vapor absoluta de 0,046 , es refreda fins a 19°C, mantenint la humitat relativa kg aire sec constant. Calculeu la variació d’humitat absoluta. Quin és el valor de la humitat relativa? kg vapor kg vapor (Solució: HR = 0,49, HI=0,046 , HF=0,007 ) kg aire sec kg aire sec11. La temperatura d’un aire és de 25 ºC i la humitat relativa del 50%. Quina serà la temperatura humida? I la humitat absoluta? kg vapor (Solució:TH =18 ºC, H=0,010 ) kg aire sec kg vapor12. La temperatura de l’aire és de 25 ºC i la humitat absoluta de 0,008 , quina és kg aire sec l’entalpia de l’aire? (Solució: ∆H =46kJ/kg d’aire)13. Suposen que estem a l’hivern i que en l’interior d’una habitació amb calefacció tenim 21 ºC i un 50% d’humitat relativa. L’habitació està proveïda de grans finestres amb vidre ordinari. La temperatura de la superfície interior del vidre és de 6 ºC. Es produirà condensació del vapor d’aigua de l’aire dins de l’habitació sobre el vidre de les finestres? (Solució: Sí hi ha condensació, Tr (10,5ºC)>6ºC)