Psicrometría

La temperatura de bulbo seco es la temperatura indicada por un termómetro expuesto al aire en un lugar protegido de la radiación solar directa. El término «bulbo seco» se añade habitualmente a la temperatura para distinguirla de la temperatura de bulbo húmedo y del punto de rocío. En meteorología y psicrometría, la palabra «temperatura» sin prefijo suele referirse a la temperatura de bulbo seco. Técnicamente, es la temperatura registrada por el termómetro de bulbo seco de un psicrómetro. El nombre implica que el bulbo o elemento sensor está, de hecho, seco. La OMM dedica un capítulo de 23 páginas a la medición de la temperatura. ^{[ 5 ]}

La temperatura de bulbo húmedo termodinámica es una propiedad termodinámica de una mezcla de aire y vapor de agua. El valor que indica un termómetro de bulbo húmedo suele proporcionar una aproximación adecuada de dicha temperatura.

La precisión de un termómetro de bulbo húmedo simple depende de la velocidad del aire que pasa sobre el bulbo y de la protección que ofrece el termómetro contra la radiación solar. Las velocidades óptimas son de hasta 5000  pies/min (aproximadamente 60  mph, 25,4  m/s), pero mover un termómetro a esa velocidad puede ser peligroso. Pueden producirse errores de hasta un 15 % si el flujo de aire es demasiado lento o si hay demasiada radiación solar (por ejemplo, la luz del sol).

La temperatura de bulbo húmedo tomada con el aire moviéndose a unos 1-2  m/s se denomina temperatura de pantalla , mientras que la temperatura tomada con el aire moviéndose a unos 3,5  m/s o más se denomina temperatura de honda .

Un psicrómetro es un dispositivo que incluye un termómetro de bulbo seco y otro de bulbo húmedo. Un psicrómetro de honda requiere operación manual para generar el flujo de aire sobre los bulbos, mientras que un psicrómetro eléctrico incluye un ventilador para esta función. Conociendo la temperatura de bulbo seco (TBS) y la temperatura de bulbo húmedo (TBH), se puede determinar la humedad relativa (HR) a partir del diagrama psicrométrico correspondiente a la presión atmosférica.

La temperatura de saturación de la humedad presente en la muestra de aire también se define como la temperatura a la que el vapor se transforma en líquido (condensación). Generalmente, el nivel en el que el vapor de agua se convierte en líquido marca la base de la nube en la atmósfera, por lo que se denomina nivel de condensación. Así, el valor de temperatura que permite que tenga lugar este proceso (condensación) se denomina «temperatura del punto de rocío». Una definición simplificada es la temperatura a la que el vapor de agua se convierte en rocío (Chamunoda Zambuko 2012).

Análogo a la entalpía específica de una sustancia pura. En psicrometría, el término cuantifica la energía total del aire seco y del vapor de agua por kilogramo de aire seco.

Es análogo al volumen específico de una sustancia pura. Sin embargo, en psicrometría, el término cuantifica el volumen total tanto del aire seco como del vapor de agua por unidad de masa de aire seco.

La relación psicrométrica es la relación entre el coeficiente de transferencia de calor y el producto del coeficiente de transferencia de masa y el calor húmedo en una superficie mojada. Se puede evaluar con la siguiente ecuación: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

${\displaystyle r={\frac {h_{c}}{k_{y}c_{s}}}\,}$

dónde:

${\displaystyle r}$ = relación psicrométrica, adimensional

${\displaystyle h_{c}}$= coeficiente de transferencia de calor por convección, W m ⁻² K ⁻¹

${\displaystyle k_{y}}$= coeficiente de transferencia de masa convectiva, kg m ⁻² s ⁻¹

${\displaystyle c_{s}}$ = humid heat, J kg⁻¹ K⁻¹

The psychrometric ratio is an important property in the area of psychrometry, as it relates the absolute humidity and saturation humidity to the difference between the dry bulb temperature and the adiabatic saturation temperature.

Mixtures of air and water vapor are the most common systems encountered in psychrometry. The psychrometric ratio of air-water vapor mixtures is approximately unity, which implies that the difference between the adiabatic saturation temperature and wet bulb temperature of air-water vapor mixtures is small. This property of air-water vapor systems simplifies drying and cooling calculations often performed using psychrometric relationships.

Humid heat is the constant-pressure specific heat of moist air, per unit mass of the dry air.^[9] The humid heat is the amount of heat required to change the temperature of unit mass of a water vapor - air mixture by 1 °C.

Many psychrometric properties are dependent on pressure concept:

• vapor pressure of water;
• atmospheric pressure at the location of the sample.

A psychrometric chart is a graph of the thermodynamic parameters of moist air at a constant pressure, often equated to an elevation relative to sea level. The ASHRAE-style psychrometric chart, shown here, was pioneered by Willis Carrier in 1904.^[11] It depicts these parameters and is thus a graphical equation of state. The parameters are:

• Dry-bulb temperature (DBT) is that of an air sample, as determined by an ordinary thermometer. It is typically plotted as the abscissa (horizontal axis) of the graph. The SI units for temperature are kelvins or degrees Celsius; other units are degrees Fahrenheit and degrees Rankine.
• La temperatura de bulbo húmedo ( TBH ) es la de una muestra de aire después de haber pasado por un proceso de saturación adiabática ideal a presión constante, es decir, después de que el aire haya pasado sobre una gran superficie de agua líquida en un canal aislado. En la práctica, esta es la lectura de un termómetro cuyo bulbo sensor está cubierto con una media húmeda que se evapora en una corriente rápida del aire de la muestra (véase Higrómetro ). Cuando la muestra de aire está presaturada con agua, la TBH será igual que la TBD. La pendiente de las líneas de TBH constante es la relación entre el calor de vaporización del agua y el calor específico del aire seco, aproximadamente 0,4.
• La temperatura del punto de rocío ( TPR ) es la temperatura a la que una muestra de aire húmedo, a la misma presión, alcanza la saturación de vapor de agua. En este punto, una mayor eliminación de calor provocaría la condensación del vapor de agua en niebla líquida o, si la temperatura está por debajo del punto de congelación , en escarcha sólida . La temperatura del punto de rocío se mide fácilmente y proporciona información útil, pero normalmente no se considera una propiedad independiente de la muestra de aire, ya que duplica la información disponible a través de otras propiedades de la humedad y la curva de saturación.
• La humedad relativa ( HR ) es la relación entre la cantidad de vapor de agua presente y la cantidad de vapor de agua que habría en saturación bajo la misma temperatura y presión. La HR es adimensional y se suele expresar como un porcentaje. Las curvas de HR constante reflejan la física del aire y del agua: se determinan mediante mediciones experimentales. La idea de que el aire «retiene» la humedad, o que la humedad se «disuelve» en el aire seco y satura la solución en cierta proporción, es errónea (aunque está muy extendida); consulte la sección sobre humedad relativa para obtener más detalles.
• La relación de humedad es la proporción de masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco en las condiciones dadas (DBT, WBT, DPT, RH, etc.). También se conoce como contenido de humedad o relación de mezcla. Generalmente se representa en el eje de ordenadas (eje vertical) del gráfico. Para una DBT dada, existirá una relación de humedad específica para la cual la muestra de aire tiene una humedad relativa del 100 %: esta relación refleja la física del agua y el aire y debe determinarse mediante medición. La relación de humedad adimensional se expresa normalmente en gramos de agua por kilogramo de aire seco, o granos de agua por libra de aire (7000 granos equivalen a 1 libra).
• La entalpía específica , simbolizada por h , es la suma de la energía interna (calor) del aire húmedo en cuestión, incluyendo el calor del aire y del vapor de agua en su interior. También se denomina contenido calorífico por unidad de masa. En la aproximación de gases ideales, las líneas de entalpía constante son paralelas a las líneas de temperatura de equilibrio constante. La entalpía se expresa en julios por kilogramo de aire (SI) o en BTU por libra de aire seco.
• El volumen específico es el volumen de la mezcla (aire seco más el vapor de agua) que contiene una unidad de masa de "aire seco". Las unidades del SI son metros cúbicos por kilogramo de aire seco; otras unidades son pies cúbicos por libra de aire seco. El inverso del volumen específico se suele confundir con la densidad de la mezcla. ^{[ 12 ]} Sin embargo, para obtener la densidad real de la mezcla (${\displaystyle \rho }$) uno debe multiplicar el inverso del volumen específico por la unidad más el valor de la relación de humedad en el punto de interés: ^{[ 13 ]}

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{da}+M_{w}}{V}}\,=\left({\frac {1}{v}}\right)(1+W)}$

dónde:

${\displaystyle M_{da}}$ = masa de aire seco

${\displaystyle M_{w}}$  = masa de vapor de agua

${\displaystyle V}$      = volumen total

${\displaystyle v}$       = volumen específico de aire húmedo ^{, m³} kg⁻¹

${\displaystyle W={\frac {M_{w}}{M_{da}}}\,}$= relación de humedad

La carta psicrométrica permite determinar todos los parámetros del aire húmedo a partir de tres parámetros independientes, uno de los cuales debe ser la presión. Los cambios de estado , como la mezcla de dos corrientes de aire, pueden modelarse fácilmente y de forma gráfica utilizando la carta psicrométrica adecuada para la presión atmosférica o la altitud del lugar con respecto al nivel del mar. Para lugares situados a  una altitud no superior a 600 m (2000 pies), es práctica común utilizar la carta psicrométrica a nivel del mar.

En el gráfico ω - ​​t , la temperatura de bulbo seco ( t ) aparece como el eje de abscisas (eje horizontal) y la relación de humedad ( ω ) aparece como el eje de ordenadas (eje vertical). Un gráfico es válido para una presión atmosférica dada (o elevación sobre el nivel del mar). A partir de dos cualesquiera de los seis parámetros independientes (temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa, relación de humedad, entalpía específica y volumen específico), se pueden determinar todos los demás.${\displaystyle \left({6 \atop 2}\right)=15}$posibles combinaciones de parámetros independientes y derivados.

• Temperatura de bulbo seco : Estas líneas se trazan rectas, no siempre paralelas entre sí, y ligeramente inclinadas respecto a la vertical. Este es el eje t , el eje de abscisas (horizontal). Cada línea representa una temperatura constante.

• Temperatura del punto de rocío : Desde el punto de equilibrio, siga la línea horizontal de humedad relativa constante hasta la intersección con el 100 % de humedad relativa, también conocida como curva de saturación . La temperatura del punto de rocío es igual a las temperaturas de bulbo seco o de bulbo húmedo completamente saturadas.

• Temperatura de bulbo húmedo : Estas líneas son oblicuas y difieren ligeramente de las líneas de entalpía. Son rectas idénticas, pero no exactamente paralelas entre sí. Intersecan la curva de saturación en el punto DBT.

• Humedad relativa : Estas líneas hiperbólicas se muestran en intervalos del 10%. La curva de saturación se encuentra al 100% de humedad relativa, mientras que el aire seco se encuentra al 0% de humedad relativa.

• Relación de humedad : Estas son las líneas horizontales en el gráfico. La relación de humedad se suele expresar como masa de humedad por masa de aire seco (libras o kilogramos de humedad por libra o kilogramo de aire seco, respectivamente). El rango va desde 0 para aire seco hasta 0,03 (lbmw/lbma) en el eje ω derecho , el eje de ordenadas o vertical del gráfico.

• Entalpía específica : Se trata de líneas oblicuas trazadas en diagonal hacia abajo, de izquierda a derecha, a lo largo del gráfico, que son paralelas entre sí. Estas líneas no son paralelas a las de temperatura de bulbo húmedo.

• Volumen específico: Se trata de una familia de líneas rectas igualmente espaciadas que son casi paralelas.

La región situada por encima de la curva de saturación es una región bifásica que representa una mezcla de aire húmedo saturado y agua líquida, en equilibrio térmico.

El transportador situado en la parte superior izquierda del gráfico tiene dos escalas. La escala interior representa la relación entre el calor sensible y el calor total (SHF). La escala exterior indica la relación entre la diferencia de entalpía y la diferencia de humedad. Esto se utiliza para establecer la pendiente de una línea de condición entre dos procesos. La componente horizontal de la línea de condición es el cambio en el calor sensible, mientras que la componente vertical es el cambio en el calor latente. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Los diagramas psicrométricos ^{[ 17 ]} están disponibles en unidades SI (métricas) e IP (estadounidenses/imperiales). También están disponibles para rangos de temperatura bajos y altos, y para diferentes presiones.

• Determinación de la humedad relativa: El porcentaje de humedad relativa se encuentra en la intersección de la línea vertical de temperatura de bulbo seco y la línea diagonal descendente de temperatura de bulbo húmedo. Sistema métrico (SI): Con una temperatura de bulbo seco de 25  °C y una de bulbo húmedo de 20  °C, la humedad relativa es aproximadamente del 63,5 %. Sistema estadounidense/imperial (IP): Con una temperatura de bulbo seco de 77  °F y una de bulbo húmedo de 68  °F, la humedad relativa es aproximadamente del 63,5 %. En este ejemplo, la relación de humedad es de 0,0126  kg de agua por kg de aire seco.
• Determinación del efecto del cambio de temperatura sobre la humedad relativa: Para un aire con una composición de agua o relación de humedad fija , encuentre la humedad relativa inicial en la intersección de las líneas de temperatura de bulbo húmedo y seco. Utilizando las condiciones del ejemplo anterior, la humedad relativa a diferentes temperaturas de bulbo seco se puede encontrar a lo largo de la línea horizontal de relación de humedad de 0,0126, ya sea en kg de agua por kg de aire seco o en libras de agua por libra de aire seco.

Una variante común de este problema consiste en determinar la humedad final del aire que sale de la serpentina del evaporador de un aire acondicionado y que luego se calienta a una temperatura más alta. Supongamos que la temperatura a la salida de la serpentina es de 10 °C (50 °F) y que se calienta a temperatura ambiente (sin mezclarse con el aire ambiente). Esto se determina siguiendo la relación de humedad horizontal desde la línea de punto de rocío o saturación hasta la línea de temperatura de bulbo seco ambiente y midiendo la humedad relativa. En la práctica habitual, el aire acondicionado se mezcla con el aire ambiente, al que se le está infiltrando aire exterior.

• Determinación de la cantidad de agua que se debe eliminar o agregar para disminuir o aumentar la humedad relativa: Esta es la diferencia en la relación de humedad entre las condiciones iniciales y finales multiplicada por el peso del aire seco.

El diagrama "Mollier i - x " (relación de mezcla entalpía-humedad), desarrollado por Richard Mollier en 1923, ^{[ 18 ]} es un diagrama psicrométrico alternativo, preferido por muchos usuarios en Alemania, Austria, Suiza, los Países Bajos, Bélgica, Francia, Escandinavia, Europa del Este y Rusia. ^{[ 19 ]}

Los datos de los parámetros psicrométricos subyacentes para el diagrama psicrométrico y el diagrama de Mollier son idénticos. A primera vista, hay poca semejanza entre los diagramas, pero si se gira el diagrama noventa grados y se observa en un espejo, la semejanza se hace evidente. Las coordenadas del diagrama de Mollier son la entalpía y la relación de humedad. La coordenada de entalpía está sesgada y las líneas de entalpía constante son paralelas y están espaciadas uniformemente. Los diagramas psicrométricos ASHRAE desde 1961 utilizan coordenadas de trazado similares. Algunos diagramas psicrométricos utilizan coordenadas de temperatura de bulbo seco y relación de humedad .