La operación unitaria de humidificación (página 2)

La mayor parte de los alimentos que
producimos, almacenamos y distribuimos contiene elevadas
porciones de agua en sus tejidos, como puede comprobarse en la
tabla Nº 01 en la cual se recogen algunos
ejemplos:

Tabla Nº 01. Contenido de agua de
algunos alimentos.

Fuente: Amigo, P. (2000).

Por otra parte los vegetales que consumimos en estado
fresco, como las frutas y hortalizas, aun después de
recolectadas, continúan realizando sus funciones vitales,
entre ellas la respiración y la transpiración e
intercambian agua, en forma de vapor, con la atmósfera que
las rodea. El fenómeno transcurre con mayor o menor
intensidad, en función de la actividad fisiológica
del producto que está íntimamente relacionada con
factores como temperatura del ambiente y su humedad. Esto
conlleva perdidas de peso, tanto más rápidas y
cuantiosas cuanto más baja es la humedad de la
atmósfera en cuestión.

Las pérdidas de peso a temperatura ambiente son
muy elevadas; se manejan cifras del orden del 10 al 15 por 100
diarias. Para prevenirlas, es conveniente conservar los productos
en cámaras a temperaturas bajas y humedad relativa alta y
así reducir dichas pérdidas.

La humedad del aire es un factor esencial para evitar
las pérdidas de peso en frutas y hortalizas. Estas
pérdidas se traducen en una menor turgencia, que les
produce la apariencia de un producto viejo y "cansado" y en
definitiva en su devaluación comercial.

En las hortalizas, perdidas de humedad entre el 5 y el
10 por 100 dan lugar a la aparición de fenómenos de
marchites, que son detectables a simple vista y que provocan la
depreciación del producto.

Vemos pues como el contenido de humedad de los tejidos
vegetales está íntimamente ligado a la amplitud de
su periodo de conservación y a las condiciones en que esta
se realiza.

Las pérdidas de peso y modificaciones en la
textura de los alimentos son parámetros de importancia
capital, a considerar en la aplicación de técnicas
poscosecha y en la fase de distribución comercial de los
alimentos perecederos que no se pueden ignorar.

Pero tampoco una humedad muy alta en la cámara de
conservación representa la solución definitiva para
los problemas de la pérdida de peso y envejecimiento de
los productos, pues la humedad excesiva produce
fisiopatías, y favorece el desarrollo de enfermedades
criptogámicas.

El contenido de humedad, juega un papel diferente en
otros productos, así los granos y semillas de cereales y
leguminosas, y las pepitas de girasol, deben tener un bajo
porcentaje de humedad si se pretenden conservar adecuadamente.
Las normativas comunitarias establecen para los cereales
contenidos máximos en el entorno del 13 al 15 por
100.

Así pues, el conocimiento de las propiedades del
aire húmedo, se medida y regulación se hacen
imprescindibles como técnicas a manejar, tanto en el
almacenamiento y conservación de las producciones de
origen vegetal y animal.

Definiciones
básicas

Normalmente al hablar de humidificación se hace
referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua; en lo
que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas
constituidas por un gas y un vapor las ecuaciones que indicaremos
a continuación.

Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con
las leyes de los gases ideales, la presión total ejercida
por la mezcla será igual a la suma de la presión
parcial del gas y de la presión parcial del vapor; o
sea:

Es decir, la fracción molar es igual a la
composición en volumen.

A continuación definiremos los conceptos
involucrados en la operación de humidificación,
así como también se presentaran ejemplos
prácticos por cada concepto según
corresponda.

•  Humedad molar o saturación
  molar

Es la relación entre los números de moles
de vapor y de gas contenidos en una determinada masa
gaseosa.

•  Humedad absoluta o saturación
  absoluta

Es la relación entre el peso de vapor y el peso
de gas contenido en una masa gaseosa

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del
vapor y el gas.

Para el caso de la mezcla aire – agua, el
contenido en humedad se define como la masa de vapor de agua por
unidad de masa de aire seco. Las unidades en que se expresan el
contenido de humedad son kg de agua/kg aire seco. Es así
que tomando para el aire un peso molecular medio igual a 29,
tendremos:

•  Ejemplo de aplicación

En una mezcla de vapor de tolueno y nitrógeno a
80º C y 740 mm de Hg, la presión parcial del tolueno
es 150 mm de Hg. Calcúlese la concentración de
tolueno:

• a. en fracción molar

• b. en saturación molar

• c. en saturación absoluta

Peso molecular del tolueno = 92

Peso molecular del nitrógeno = 28

Solución:

•  Humedad relativa o saturación
  relativa

La humedad relativa (f), es un
término utilizado para expresar la cantidad de humedad en
una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad
de humedad que el aire tendría, estando totalmente
saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad
relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%, 30%,
etc.

Es el cociente entre la presión parcial del vapor
y la tensión de vapor a la misma temperatura.

•  Humedad porcentual o saturación
  porcentual

La humedad porcentual, es un término que algunas
veces se confunde con la humedad relativa. La humedad porcentual,
es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el
peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de
aire seco a la temperatura del bulbo seco.

Es la relación entre la humedad existente en la
masa gaseosa y la que existiría si estuviera
saturada.

•  Ejemplo de aplicación

Una mezcla aire – vapor de agua contiene el 24 %
en volumen de vapor de agua, a 70º C y 750 mmHg.
Calcúlese la humedad relativa y la humedad
porcentual.

Solución: La presión parcial del
vapor de agua será:

Pv = 0,24 x 750 = 180 mmHg

La tensión de vapor a 70º C (dato de tablas)
es 233, 7 mmHg.

La humedad relativa será:

•  Punto de rocío

El punto de rocío se define como: la temperatura
debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a
condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La
humedad relativa de una muestra de aire, puede determinarse por
su punto de rocío.

Es la temperatura que alcanza la masa de gas
húmedo en la saturación por enfriamiento a
presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si
se continua enfriando la mezcla se ira condensando el vapor,
persistiendo las condiciones de saturación.

Tabla Nº 02. Temperatura de superficie a las que
habrá condensación

Fuente:
http://www.emersonclimatemexico.com/mt/mt_cap_13.pdf

•  Volumen especifico del gas
  húmedo

Es el volumen ocupado por la mezcla que
contiene 1 kg de gas, y viene dado por

•  Calor especifico del gas
  húmedo

Es el calor que hay que suministrar a 1 kg de gas y al
vapor que contiene para elevar 1º C su temperatura,
manteniendo constante la presión.

•  Entalpía especifica

Es la suma del calor sensible de 1 kg de
gas, y el calor latente de vaporización del vapor que
contiene a la temperatura a la que se refieran las
entalpías.

•  Ejemplo de aplicación

La presión parcial del vapor de agua en una masa
de aire húmedo a 30º C y 740 mmHg es 14 mmHg.
Calcúlese:

• a. El punto de rocío.

• b. La humedad absoluta.

• c. El calor especifico.

• d. El volumen especifico.

• e. La entalpía especifica.

Solución: a. En las tablas
de vapor de agua encontramos que la tensión de vapor de
agua es de 14 mmHg a 16, 4º C; por tanto, al enfriar la masa
de aire húmedo en las condiciones del problema hasta
16,4º C, se alcanzan las condiciones de saturación, y
será esta su temperatura de rocío.

•  Temperatura húmeda o temperatura del
  termómetro húmedo

Es la temperatura estacionaria que alcanza una
pequeña masa de líquido sumergida, en condiciones
adiabáticas, en una corriente de aire, figura 8.1. La
temperatura de termómetro húmedo se determina a
partir del siguiente ensayo. Se recubre el bulbo de un
termómetro con un algodón empapado con el
líquido del vapor presente en el gas, a
continuación se hace pasar a su alrededor una corriente de
gas no saturado a alta velocidad. Parte del líquido se
evapora, por lo que va descendiendo la temperatura del
líquido, que al ser inferior a la del gas, tiene lugar una
transmisión de calor desde el gas al
líquido.

En el equilibrio, la transmisión de calor desde
el gas, es igual al calor necesario para vaporizar el
líquido en contacto con el bulbo. La temperatura que marca
el termómetro es la temperatura húmeda. La
velocidad con que se alcanza este punto depende de la temperatura
inicial y de la velocidad de flujo del gas sobre la superficie
líquida. La temperatura y humedad del gas
prácticamente no se altera.

Figura Nº 1. Fenómeno del
termómetro de bulbo húmedo

Es la temperatura límite de enfriamiento
alcanzada por una pequeña masa de líquido en
contacto con una masa mucho mayor de gas
húmedo.

Puede determinarse a partir de una de las relaciones
siguientes:

Sus valores para mezclas de aire con diferentes vapores
son:

Tabla Nº 03. Valores para mezclas de aire con
diferentes vapores

Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

•  Temperatura de saturación
  adiabática

En el sistema anterior ni la humedad ni la temperatura
del gas cambian apreciablemente. Sin embargo, si el gas pasa
sobre el líquido con una velocidad tal que el tiempo de
contacto es suficiente para que se establezca el equilibrio, el
gas se satura y alcanzan la misma temperatura, la cual se conoce
como temperatura de saturación adiabática. En este
sistema, por estar aislado, el calor sensible que pierde el gas
es igual al calor latente del líquido
evaporado.

Las condiciones anteriormente descritas se alcanzan en
una columna de humidificación, térmicamente aislada
de altura infinita; a través del cual un gas de
temperatura y humedad iniciales determinadas, fluye en
contracorriente con el líquido. La diferencia de
temperatura y humedad son máximas en el fondo y
mínimas en la cima de la columna; la velocidad de
transferencia de calor y de materia disminuye progresivamente
desde el fondo hasta la cima de la torre.

En la figura Nº 2, se ilustra el proceso de
saturación adiabática a través de dos
esquemas diferentes pero con el mismo significado. El calor de
vaporización del líquido procede del calor sensible
del gas, la temperatura del gas desciende desde ? a ?s y la
humedad crece de H a Hs; como queda reflejado en la
siguiente ecuación (s es cte. para pequeñas
variaciones de H).

(?-?s)s=(Hs-H)? ó
(H-Hs)=-(s/?)(?-?s)

La ecuación muestra una relación lineal
entre la humedad y la temperatura para todas las mezclas de gas y
vapor que tengan la misma temperatura de saturación
adiabática. Estas curvas para gases con una determinada
temperatura de saturación adiabática se conocen
como línea de enfriamiento
adiábatico.

Figura Nº 2. Temperatura de
saturación adiabática. A: cámara de
pulverización; B: bomba de circulación; C:
pulverizadores. (Abajo).

Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando
se pone en contacto con un líquido en condiciones
adiabáticas. Se denomina por medio de la
expresión:

Para el caso aire – vapor de agua de la
temperatura húmeda y el de la temperatura de
saturación adiabática prácticamente
coinciden, y nosotros tomaremos indistintamente una u
otra.

•  Ejemplo de aplicación

Las tensiones de vapor del etanol a
diversas temperaturas son las siguientes:

Tabla Nº 04. Valores de
tensión de vapor del etanol a diversas
temperaturas.

Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

Calcúlese:

• a. Las humedades de
  saturación a 10º C, 20º C, 25º C,
  30º C y 40º C para la presión total de 1
  atm.

• b. Las humedades absolutas para
  las condiciones de a si la humedad relativa es de
  30%.

• c. La temperatura humedad a
  50º C si la humedad relativa es del 30 %.

• d. La temperatura de
  saturación adiabática en las condiciones de c,
  tomando para el calor especifico del etanol, como vapor, el
  valor de 0,345 kcal/kg.º C.

Solución:

• a. La humedad de saturación
  vendrá dada por la expresión:

Los valores calculados para las distintas
temperaturas son:

• b. La humedad absoluta en las
  condiciones indicadas será:

Y los resultados calculados son:

• c. La temperatura húmeda se
  determina de acuerdo con la siguiente ecuación.
  Sabiendo que para la mezcla el coeficiente hc/kY vale 0,345,
  luego tendremos:

Hemos de resolver esta ecuación por
tanteo, teniendo en cuenta que Yw es la humedad de
saturación a la temperatura tw.

1. er tanteo: temperatura supuesta
tw = 25º C. Para esta temperatura el valor de ? w
determinado en la grafica (tabla A-12, tomado de Ocon y Tojo,
1980) es 238 kcal/kg, y el valor calculado para Yw es:

A esta humedad le corresponde la
temperatura tw de 30,3º C (por extrapolación de los
datos del apartado a).

Diagrama
psicrométrico o diagrama de humedad

El diagrama psicrométrico permite la
obtención mediante lectura directa de la mayoría de
las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua que son
necesarias en los cálculos a realizar en la
operación de humidificación, para una
presión determinada.

En la figura Nº 3, se muestra una carta
psicrométrica básica. Está hecha con datos
basados a la presión atmosférica normal de 101.325
kPa, y las unidades son las del Sistema Internacional, S.I. Las
temperaturas están en grados centígrados; el
volumen en m³/kg; la humedad relativa en porcentajes; el
contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y la
entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire
seco. Un kJ/kg = 0.239 kcal/kg = 0.430 btu/lb.

En una carta psicrométrica se encuentran todas
las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia
son las siguientes:

• 1. Temperatura de bulbo seco
  (bs).

• 2. Temperatura de bulbo
  húmedo (bh).

• 3. Temperatura de punto de
  rocío (pr)

• 4. Humedad relativa
  (hr).

• 5. Humedad absoluta
  (ha).

• 6. Entalpía
  (h).

• 7. Volumen
  específico.

Conociendo dos de cualquiera de estas
propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de
la carta.

A continuación se muestra la carta
psicrométrica para valores de temperaturas normales y una
presión de 1 atm. Dejando en claro que existen cartas
psicrométricas de mayor amplitud de lectura.

Figura Nº 3. Carta
psicrométrica a temperaturas normales y presión
barométrica de 101.325 kPa (al nivel del mar). Las
unidades están en el sistema internacional
(SI).

• Temperatura de Bulbo Seco.- En primer
  término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya
  sabemos, es la temperatura medida con un termómetro
  ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte
  baja de la carta, según se muestra en la figura
  Nº 4.

Las líneas que se extienden verticalmente, desde
la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman
líneas de temperatura de bulbo seco constantes, o
simplemente "líneas de bulbo seco". Son constantes porque
cualquier punto a lo largo de una de estas líneas,
corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la
escala de la parte baja. Por ejemplo, en la línea de
40º C, cualquier punto a lo largo de la misma, corresponde a
la temperatura de bulbo seco de 40º C.

Figura Nº 4. Líneas de
temperatura de bulbo seco º C.

• Temperatura de Bulbo Húmedo.- Es la
  segunda propiedad del aire de nuestra carta
  psicrométrica. Corresponde a la temperatura medida con
  un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se
  explicó en la sección anterior, es la
  temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la
  mecha, que cubre el bulbo de un termómetro
  ordinario.

La escala de temperaturas de bulbo húmedo, es la
que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva
de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura
Nº 5. Las líneas de temperatura de bulbo
húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo,
corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia
abajo, en un ángulo de aproximadamente 30o de la
horizontal. También se les dice constantes, porque todos
los puntos a lo largo de una de estas líneas, están
a la misma temperatura de bulbo húmedo.

Figura Nº 5. Líneas de
temperatura de bulbo húmedo º C.

• Temperatura de Punto de Rocío.- Es
  otra propiedad de aire incluida en una carta
  psicrométrica. Esta es la temperatura a la cual se
  condensará la humedad sobre una superficie. La escala
  para las temperaturas de punto de rocío es
  idéntica que la escala para las temperaturas de bulbo
  húmedo; es decir, es la misma escala para ambas
  propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura
  de punto de rocío, corren horizontalmente de izquierda
  a derecha, como se ilustra en la figura 13.14, no en forma
  diagonal como las de bulbo húmedo (ver figura Nº
  6).

Cualquier punto sobre una línea de punto de
rocío constante, corresponde a la temperatura de punto de
rocío sobre la escala, en la línea curva de la
carta.

Figura Nº 6. Líneas de
temperatura de punto de rocío º C.

• Humedad Relativa.- En una carta
  psicrométrica completa, las líneas de humedad
  relativa constante, son las líneas curvas que se
  extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan
  siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada
  línea.

Como ya hicimos notar previamente, la temperatura de
bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío,
comparten la misma escala en la línea curva a la izquierda
de la carta. Puesto que la única condición donde la
temperatura de bulbo húmedo y el punto de rocío,
son la misma, es en condiciones de saturación; esta
línea curva exterior, representa una condición de
saturación o del 100% de humedad relativa. Por lo tanto,
la línea de 100% de hr, es la misma que la escala
de temperaturas de bulbo húmedo y de punto de
rocío.

Las líneas de hr constante, disminuyen
en valor al alejarse de la línea de saturación
hacia abajo y hacia la derecha, como se ilustra en la figura
Nº 7.

Figura Nº 7. Líneas de
humedad relativa %.

• Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el
  peso real de vapor de agua en el aire. También se le
  conoce como humedad específica. La escala de la
  humedad absoluta, es la escala vertical (ordenada) que se
  encuentra al lado derecho de la carta psicrométrica,
  como se indica en la figura Nº 8.

Los valores de esta propiedad se expresan, como ya
sabemos, en gramos de humedad por kilogramo de aire seco (g/kg),
en el sistema internacional, y en granos por libra (gr/lb), en el
sistema inglés.

Las líneas de humedad absoluta, corren
horizontalmente de derecha a izquierda, y son paralelas a las
líneas de punto de rocío y coinciden con
éstas. Así pues, podemos ver que la cantidad de
humedad en el aire, depende del punto de rocío del
aire.

A continuación, veremos algunos ejemplos
sencillos del uso de la carta psicrométrica, con las cinco
propiedades físicas descritas hasta este punto. Luego,
veremos las demás propiedades que faltan por estudiar.
Como se mencionó anteriormente, conociendo dos de estas
propiedades del aire, se pueden determinar las demás con
el uso de la carta psicrométrica.

Figura Nº 8. Líneas de
humedad absoluta en gramos/kg.

• Ejemplo de aplicación

Supongamos que con un psicrómetro se tomaron las
lecturas de las temperaturas de bulbo seco y de bulbo
húmedo, siendo éstas de 24oC y de 17oC,
respectivamente. ¿Cuál será la humedad
relativa?

Refiriéndonos a la carta psicrométrica de
la figura Nº 9, encontramos la temperatura de bulbo seco
(24oC) en la escala inferior, y la temperatura de bulbo
húmedo (17oC) en la escala curva del lado izquierdo de la
carta. Extendiendo estas dos líneas, se intersectan en el
punto "A". A partir de este punto, se puede determinar toda la
demás información. La humedad relativa es de
50%.

En esa misma muestra de aire, ¿cuál
será el punto de rocío? Partiendo del punto "A" y
desplazándonos hacia la izquierda en forma horizontal, la
línea corta a la escala de temperatura de punto de
rocío en 12.6oC.

¿Cuál será la humedad absoluta?
Partiendo nuevamente del punto "A", en forma horizontal, pero
hacia la derecha de la carta, la línea intersecta en la
escala de humedad absoluta en un valor de 9.35 g/kg de aire
seco.

Figura Nº 9. Ejemplo del uso de la
carta psicrométrica.

• Ejemplo de aplicación

A una muestra de aire se le midió la humedad
relativa, utilizando un higrómetro y ésta es de
60%. Si la temperatura de bulbo seco es de 27º C,
¿cuál será el punto de
rocío?

Encontramos el punto donde la temperatura de 27º C
de bulbo seco, cruza con la línea de 60% de hr,
en la figura Nº 9. A este punto lo llamamos "B". Si la
muestra de aire en estas condiciones fuera enfriada, sin cambiar
su contenido de humedad, lo cual está representado en la
carta psicrométrica como una línea horizontal, la
línea del punto de rocío seria intersectada
aproximadamente en 18.8º C.

• Ejemplo de aplicación

Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo
seco es de 32º C, y el contenido de humedad (presión
del vapor de agua) es de 14 g/kg de aire seco.

Primero, se encuentra la línea vertical que
representa la temperatura de bulbo seco constante de 32º C.
Subiendo a lo largo de esta línea, hasta cruzar la
línea horizontal que representa 14 g de humedad por kg de
aire seco. A la intersección le llamamos punto "C", (ver
figura Nº 9). Este punto cae entre las líneas de 40%
y 50% de humedad relativa. La respuesta sería una humedad
relativa de 47%.

• Entalpía.- Las líneas de
  entalpía constantes en una carta psicrométrica,
  son las que se muestran en la figura Nº 10.

Debe notarse que estas líneas, son meramente
extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto
que el calor total del aire, depende de la temperatura de bulbo
húmedo. La escala del lado izquierdo lejana a la
línea curva, da el calor total del aire en kJ/kg
(kilojoules por kilogramo) de aire seco, en el sistema
internacional o en btu/lb de aire seco, en el sistema
inglés. Esta escala aumenta de -6 kJ/kg a la temperatura
de -10oC de bulbo húmedo, hasta aproximadamente 115 kJ/kg
a 33oC de bulbo húmedo.

Figura Nº 10. Líneas de
entalpía en kJ/kg de aire seco.

• Volumen Específico.- En la figura
  Nº 11, se muestran las líneas del volumen
  específico constante en una carta
  psicrométrica. Estas líneas están en un
  ángulo aproximado de 60o con la horizontal, y van
  aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general,
  el espacio entre cada línea, representa un cambio de
  volumen específico de 0.05 m³/kg. Cualquier punto
  que caiga entre dos de estas líneas, naturalmente debe
  ser un valor estimado. Si se desea saber la densidad del aire
  a cualquier condición, como ya sabemos, se debe
  dividir uno entre el volumen específico, puesto que la
  densidad es la inversa del volumen específico y
  viceversa. Debido a que la mayoría de los
  cálculos en trabajos de aire acondicionado, se basan
  en el peso del aire en lugar del volumen de aire, se
  recomienda el uso del volumen específico (m³/kg
  de aire) en vez de la densidad (kg/m³ de
  aire).

Ahora, echemos un vistazo a la carta
psicrométrica de la figura Nº 3. Su
constitución consiste de la sobreimposición de las
siete propiedades descritas, ocupando la misma posición
relativa sobre la carta. En la descripción de cada una de
las siete propiedades, se definió la línea
constante como una línea que puede contener un
número infinito de puntos, cada uno a la misma
condición; esto es, si fuésemos a trazar una sola
condición del aire, tal como la temperatura del bulbo seco
sobre la carta psicrométrica, ésta podría
caer en cualquier punto sobre la línea constante,
correspondiente a esa temperatura de bulbo seco.

Figura Nº 11. Líneas de
volumen específico en m3/kg de aire seco.

Pero ahora, en la carta psicrométrica compuesta,
tenemos un número de líneas que se cruzan una con
otra; así que si trazamos un punto sobre una línea
de bulbo seco constante, este punto también
corresponderá a diferentes valores sobre las líneas
constantes para la temperatura de bulbo húmedo, punto de
rocío, humedad relativa, volumen específico,
humedad específica y entalpía.

Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas
constantes se cruzaran en un punto común sobre la carta,
podremos trazar ese punto exactamente, si conocemos dos de
cualquiera de esas propiedades del aire. A partir de este punto,
podemos entonces movernos a lo largo de las respectivas
líneas constantes para las otras propiedades del aire, y
podemos leer el valor en sus escalas respectivas, sin tener que
recurrir al problema de calcularlos, con las tablas
psicrométricas. Aunque este método no es tan
preciso como el método de las tablas, es mucho más
rápido, y el grado de precisión es suficientemente
cercano para fines prácticos.

• Ejemplo de aplicación

Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de
bulbo seco (35º C) y bulbo húmedo (22º C),
¿cuáles serán las demás
propiedades?

Primero, trazamos un punto donde estas dos líneas
se cruzan, como se muestra en la figura Nº 12, y lo marcamos
como punto "A". Este es el único punto en la carta donde
existen estas dos condiciones (35º C bs y 22º
C bh). Las demás condiciones pueden encontrarse
fácilmente, simplemente nos desplazamos a lo largo de la
línea constante correspondiente, leyendo el valor en esa
escala.

El orden no es importante, y puede comenzarse por
cualquier propiedad. Por ejemplo, la temperatura de punto de
rocío. Para determinarla, partimos del punto "A",
horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y donde cruza la
escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la
temperatura de punto de rocío, ya que es la misma escala,
puesto que en esa línea curva el aire está en su
condición de saturación. La temperatura de punto de
rocío para este ejemplo es de 15.8º C (punto
"B").

El contenido de humedad se determina sobre la escala del
lado derecho de la carta; por lo que, partiendo del punto "A",
nos desplazamos horizontalmente hacia la derecha, y cruzamos la
escala en aproximadamente 11.3 g/kg de aire seco (punto
"C").

La humedad relativa se determina por la posición
del punto "A", con respecto a las líneas de humedad
relativa de la carta. Examinando de cerca este punto, vemos que
está aproximadamente a una quinta parte de la distancia
entre las líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que
podemos estimar que la hr es de 32%.

La ubicación del punto "A", con respecto a las
líneas constantes del volumen específico, indica
que cae aproximadamente a 4/5 partes de la distancia entre la
línea de 0.85 y 0.90 m³/kg de aire seco, (4 ÷
5 = 0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m³/kg entre una
línea y otra, podemos estimar que el volumen
específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, o sea 0.89 m3/kg de
aire seco, 0.85 + (0.80 x 0.05) = 0.89. La densidad sería
lo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 =
1.12 kg/m3.

Extendiendo la línea constante de bulbo
húmedo, de 22º C directo hacia arriba y a la
izquierda, hasta cortar la escala de calor total o
entalpía (punto "D"), podemos leer que la entalpía
del aire es de 64.6 kJ/kg de aire seco. Para convertir kilojoules
por kilogramo a kilocalorías por kilogramo, dividimos los
kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44 kcal/kg).
Para convertir los kJ/kg a btu/lb, se dividen los kJ/kg entre
2.326 (64.6 kJ/kg ÷ 2.326 = 27.77 btu/lb).

Figura Nº 12. Ejemplo del uso de la
carta psicrométrica para encontrar las propiedades del
aire.

Métodos de
determinación de humedad

•  Métodos
  químicos

Un volumen conocido de gas se hace pasar sobre un
absorbente y se mide el aumento de peso de éste. Como
absorbentes se puede utilizar pentóxido de fósforo
(P2O5) disperso sobre piedra pómez; también se
puede utilizar ácido sulfúrico
concentrado.

•  Determinación de la temperatura
  húmeda

•  La ecuación:

Permite obtener la humedad de un gas en
función de la temperatura, temperatura húmeda y
diferentes propiedades de gas y del vapor.

•  Mediante el diagrama psicométrico
  entrando con la temperatura del gas y la temperatura
  húmeda.

•  Determinación del punto de
  rocío

Mediante el enfriando de una superficie altamente
pulimentada en contacto con el gas y observando la temperatura
más alta para la cual se produce
condensación.

•  Higrómetro de cabello o
  fibra

La longitud de un cabello o fibra se modifica por la
humedad de la atmósfera próxima. El aparato
necesita un calibrado frecuente debido a que el cero tiende a
desplazarse.

•  Medida de la conductividad de una
  fibra

Una fibra se impregna con un electrolito, cloruro de
litio, su resistencia eléctrica está en
función de su contenido de humedad, que a su vez depende
de la humedad atmosférica en la que se encuentre. El
sistema va acompañado de dos electrodos que mide la
intensidad de corriente que circula, para un voltaje constante
aplicado; con ello se obtienen lecturas directas de humedad
relativa

Métodos
para incrementar o disminuir la humedad de una masa de
aire

•  Incremento de la humedad,
  humidificación

• Adición de vapor directamente en la cantidad
  requerida; tiene lugar un ligero aumento de la temperatura
  del gas-vapor, presente el inconveniente que las posibles
  impurezas del vapor pasan al gas.

• Pulverización de agua en el gas para que por
  evaporación completa, aumente la humedad en la
  cantidad deseada.

• Mezcla de gases de distinta humedad.

• El gas se pone en contacto con el agua de tal forma
  que solo se evapore parte del líquido (el
  método más frecuente). Para conseguir una
  elevada velocidad de humidificación se procura que el
  área de contacto entre el aire y el agua sea lo
  más grande posible. Esto se consigue mediante una
  lluvia fina o una columna de relleno, se produce
  evaporación si la temperatura del agua es superior al
  punto de rocío del aire, figura Nº 13.

•  Disminución de la humedad,
  deshumidificación

• Puesta en contacto de aire húmedo con una
  superficie fría (líquido o sólido) a una
  temperatura inferior al punto de rocío del
  gas.

• Compresión del aire y enfriamiento hasta su
  temperatura inicial y posterior retirada del agua condensada.
  Durante la compresión aumenta la presión
  parcial del vapor y alcanza más fácilmente las
  condiciones de saturación.

Enfriamiento de
agua: torres de enfriamiento

En los diferentes procesos de producción hay
puntos en los que es necesario eliminar calor, siendo el agua el
fluido utilizado en la mayoría de los casos. El consumo
progresivo de agua, el precio creciente y la escasez, en algunos
casos, aconsejan emplear circuitos cerrados de
refrigeración. La reutilización del agua obliga a
que ésta sea enfriada, para lo cual se usan torres de
enfriamiento, empleando como refrigerante el aire.

La torre de enfriamiento es una instalación en la
que se pone en contacto el agua a enfriar con el aire en
contracorriente. El aire no saturado en contacto con el agua
tiende a aumentar su humedad; el agua al evaporarse toma el calor
latente de vaporización de ella misma y por consiguiente
se enfría.

Una torre de refrigeración es un intercambiador
de calor de tipo evaporativo y contacto directo. Se produce paso
de calor de un fluido a otro; el enfriamiento (un 90%) es debido
al intercambio de masa entre los dos fluidos por
evaporación de parte del agua. El agua entra por la parte
superior de la torre. En su interior hay un relleno (tablillas de
madera, plástico, fibra, cemento) que mejora el contacto y
favorece el intercambio de masa y calor. Otros componentes
importantes de una torre de enfriamiento son:

• Sistema de distribución del agua, para
  repartir uniformemente el agua caliente sobre el relleno. Se
  emplean tuberías con toberas de presión para
  pulverizar el agua.

• Separador de gotas, situado encima de la entrada de
  agua y antes de que la corriente de aire abandone la torre.
  Evitan el arrastre de gotas de agua fuera de la
  torre.

• Balsas para la recogida del agua
  fría.

• En las torres de tiro forzado, ventilador o
  extractor (torres grandes).

• Todo soportado sobre estructuras construidas de
  hormigón armado, ladrillos,
  poliéster.

•  Tipos de torre de
  enfriamiento

•  Torre de enfriamiento de tiro natural.-
  Las torres pueden ser de tiro natural, figura Nº 13, el
  aire circula por el efecto chimenea producido por la
  presencia en la torre de aire y vapor con una temperatura
  más alta y que por tanto es menos densa que el aire
  atmosférico y es capaz de ascender. Alcanzan alturas
  entre 100 y 140 m. El 10 o 12 % de la altura lo ocupa el
  relleno, la parte superior está vacía y sirve
  para aumentar el tiro.

Figura Nº 13. Torre de enfriamiento
de tiro natural.

Figura Nº 14. Torre de enfriamiento
de tiro natural.

•  Torre de enfriamiento de tiro
  forzado o inducido.- En las que el aire circula por la
  acción de un ventilador o un extractor.

Figura Nº 15. Torre de enfriamiento
a contraflujo de tiro inducido.

• Descripción del funcionamiento de la torre
  de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido

• Enfriador evaporativo semiencerrado.

• El aire entra en la torre por la parte
  inferior y sale por la superior.

• El agua caliente (proceso) se bombea hacia la
  parte superior y se rocía sobre la corriente de
  aire.

• Una pequeña masa de agua se evapora y se
  enfría el agua restante.

• La temperatura y contenido de humedad del aire
  aumentan durante el proceso.

• El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre
  y se envía a proceso.

• El agua de reemplazo debe añadirse
  para sustituir el agua perdida por evaporación y por
  el arrastre de agua.

Mecanismos de
interacción del gas y del líquido

En las figuras 16, 17, 18 y 19 se representan las
distintas medidas en dirección perpendicular a la
interfase en abscisas y las temperaturas y humedades en
ordenadas. ?x es la temperatura global del líquido; ?i es
la temperatura de la interfase; ?y es la temperatura global del
gas; Hi es la humedad en la interfase; H es la humedad global del
gas.

El trazo discontinuo representa difusión de vapor
a través de la fase gaseosa; el trazo continuo indica
flujos de calor latente y sensible a través de las fases
líquida y gaseosa.

La figura Nº 16, corresponde a un proceso de
humidificación, el flujo de calor latente de
vaporización desde el líquido hacia el gas es igual
al flujo de calor sensible desde el gas hacia el líquido.
La temperatura del gas ha de ser mayor que la temperatura en la
interfase; la humedad es mayor en la interfase.

Figura Nº 16. Condiciones de
humidificación adiabática.

En la figura Nº 17, se representan las
condiciones de deshumidificación, en este caso la humedad
es mayor en el gas que en la interfase, y por tanto, el vapor
difunde hacia la interfase. Hi y ?i representan un gas saturado y
?y tiene que ser mayor que ?i. Lo que indica que para retirar
vapor de un gas no saturado hay que ponerlo en contacto directo
con un líquido suficientemente frío.

Figura Nº 17. Condiciones de
deshumidificación.

En una torre de enfriamiento en contracorriente las
condiciones dependen de que la temperatura del gas sea superior o
inferior a la temperatura de la interfase. En la parte superior
de la columna la temperatura del gas es inferior a la de la
interfase; los fenómenos que tienen lugar se muestran el
la figura Nº 18.

El líquido se enfría por
evaporación y por transmisión de calor sensible
desde la interfase hasta el gas; la bajada de temperatura a
través del líquido tiene que ser suficiente para
producir una velocidad de transmisión de calor que asegure
los dos flujos de calor.

Figura Nº 18. Condiciones en la
parte superior de una torre de enfriamiento.

En la parte inferior de una torre de enfriamiento la
temperatura del gas es superior a la temperatura de la interfase,
figura Nº 19. El líquido se enfría, la
interfase tiene que estar más fría que la masa
global de líquido, de forma que el gradiente de
temperatura a través del líquido es hacia la
interfase. Existe un flujo de calor sensible desde la masa global
del gas hacia la interfase. El flujo de vapor hacia fuera de la
interfase transporta, como calor latente, todo el calor sensible
suministrado a la interfase desde ambos lados.

Figura Nº 18. Condiciones en la
parte inferior de una torre de enfriamiento.

Bibliografía

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  de ingeniería química". 3ª edición.
  Editorial Aguilar. Madrid – España.

• Singh, R. y Heldman, D. (1998).
  "Introducción a la ingeniería de los alimentos"
  Editorial ACRIBIA S.A. Zaragoza –
  España.

• Amigo, P. (2000). "Termotecnia,
  aplicaciones agroindustriales". Ediciones Mundi-Prensa.
  Madrid – España.

• Coulson, J. y Richardson, J. (1979 –
  81). "Ingeniería química" Volumen 1 y 2.
  Editorial Reverté. España.

• McCabe W. y Smith J. (1991).
  "Operaciones Básicas de Ingeniería" Editorial
  Reverté. España.

• Perry, D. y Chilton C. (1982). "Manual
  del Ingeniero Químico" Ed. Mc Graw-Hill.

• https://www.montes.upm.es/Dptos/DptoIngForestal/OperacionesBasicas/Docencia/PDF/OpBas%20pdf/Tema%208.pdf

• http://www.emersonclimatemexico.com/mt/mt_cap_13.pdf

Autor:

Ing. Agroind. Palmer Vicente Pulla
Huillca

UNIVERSIDAD NACIONAL AMAZÓNICA DE
MADRE DE DIOS

Facultad de Ingeniería

Escuela Académica Profesional de
Ingeniería Agroindustrial

Curso:

Ingeniería de Operaciones
Agroindustriales II

Puerto Maldonado –
Perú

2010