HUMEDAD DEL AIRE
El agua proviene del hecho de que el aire comprimido a 7 bar no puede
contener todo el vapor de agua que fácilmente absorbe el aire a presión
atmosférica. Parte de este vapor de agua se licúa a medida que va
enfriándose el aire por las tuberías, ocasionando daños en los elementos
neumáticos, como desgaste y oxidación.
Aire atmosférico:
Es sabido que el aire atmosférico contiene cierta proporción de humedad.
Esta proporción es mayor o menor según el país, la localidad, las
condiciones climáticas y de acuerdo con las estaciones del año. Por
ejemplo, en la Primavera y el Otoño el conflicto de la humedad en el
aire se hace más patente ya que, en virtud de las temperaturas
relativamente bajas de la noche, se disfrutan de unos amaneceres con
elevados índices de humedad. Igualmente, la humedad constituye, como es
lógico, un inconveniente mucho más serio en los climas húmedos que en
los secos.
La aptitud del aire para retener agua vaporizada está relacionada con la
temperatura y presión, pero principalmente con la primera, admitiendo
más vapor de agua cuando aumenta su temperatura. Un aire saturado (100 %
de humedad) puede retener más humedad si aumenta su temperatura o
desciende la presión, y, por el contrario, desprende parte de su
contenido de humedad si baja la temperatura o sube la presión.
Aire comprimido:
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor
entra a la presión y temperatura ambientes o atmosféricas, con su
consiguiente humedad relativa. Entonces, se le comprime a una presión
más alta que la atmosférica; este ciclo de compresión lleva consigo una
elevación de temperatura y, como consecuencia, un calentamiento del aire
hasta un grado tal que toda la humedad contenida en el mismo pasará por
el compresor al ser aspirado.
Se comprende, por lo tanto, que este aire comprimido caliente que
descarga el compresor y que lleva vapor de agua, al irse enfriando por
radiación y convección en el depósito y tuberías de distribución, y
descender su temperatura hasta igualar la temperatura ambiente que
exista en la nave o zona industrial, condensará parte de este vapor de
agua en forma de gotas de agua, las cuales serán arrastradas por el
mismo flujo de aire hacia los lugares de utilización.
Psicrometría:
Por psicrometría se entiende todos aquellos procedimientos relacionados
con la medida del contenido de vapor de agua que porta el aire, sea
comprimido o no. Aunque, en términos generales, la psicrometría puede
referirse a cualquier vapor comprendido en cualquier gas.
Es importante distinguir entre el agua líquida, constituyente de las
gotas, nieblas o núcleos de condensación, y el vapor de agua.
Vapor de agua: El vapor de agua está configurado por moléculas
independientes de agua. Las distancia entre molécula y molécula son
considerables y varían sin cesar debido al libre movimiento de las
mismas.
Agua líquida: El agua líquida, tanto en su modo habitual como cuando se
presenta en forma de gotas, microgotas o nieblas, está constituida por
agrupaciones de moléculas que han perdido la mayor parte de su energía.
La condensación se refiere al paso de vapor a líquido, implicando con
ello una pérdida de energía denominada calor de condensación.
En el agua líquida las moléculas están a muy corta distancia entre sí y
poseen un movimiento propio bastante restringido. El agua líquida es
estable si no hay aporte externo de energía. Cuando ello ocurre, esta
energía se emplea para activar las moléculas que entonces escapan libres
y pasan a vapor.
Por lo tanto, el término Humedad se refiere exclusivamente a la
presencia de vapor de agua; en cambio cuando se mencionan términos como
condensados, arrastres, nieblas o microgotas se está haciendo referencia
al agua líquida.
De acuerdo con el grosor de las partículas de agua líquida se utiliza,
como unidad de medida, el micrón; igual a la milésima del milímetro (1µ
= 0,001 mm).
Ejemplos:
- Gotas de lluvia, de 100 a 3000 µ.
- Pulverizaciones de agua, hasta 10 µ.
- Nieblas atmosféricas, de 1 a 100 µ.
- Microgotas recién condensadas, a partir de 0,1 µ.
Humedad absoluta:
La palabra Humedad expresa la condición del aire con respecto a la
cantidad de vapor de agua que contiene.
La Humedad absoluta (densidad del vapor) se refiere a la cantidad de
vapor de agua contenido en una determinada cantidad de aire seco.
De acuerdo con esta definición, se describe la humedad absoluta como la
cantidad de vapor de agua expresada en kg, contenida en 1 kg de aire
seco.
hab = Humedad absoluta en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
Pa = Presión parcial del vapor de agua.
P = Presión total del sistema, en las mismas unidades que Pa.
Pb = Presión parcial del aire seco.
Humedad de saturación:
La humedad de saturación podría plantearse como la máxima cantidad de
vapor de agua que puede caber en una concreta cantidad de aire.
Ello significa que un volumen determinado de aire seco puede contener, a
una presión y temperatura dadas, cualquier cantidad de vapor de agua
siempre que no supere un valor máximo, el valor de saturación. Como
consecuencia, el peso del vapor de agua contenido en el aire a una
temperatura y presión referidas, podrá variar, desde cero para el aire
seco, hasta el máximo admisible.
hs = Humedad de saturación en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
Pa = Presión del vapor de agua a la temperatura considerada, leída en la
tabla correspondiente.
P = Presión total del sistema, en las mismas unidades que Pa.
(normalmente en mm Hg).
Pb = Presión parcial del aire seco.
Si en un ambiente de aire saturado se agrega más agua líquida, la
humedad de saturación permanecerá constante y la totalidad del agua
añadida se mantendrá en su estado líquido sin evaporarse.
En la práctica, las unidades, para la humedad absoluta o de saturación,
son normalmente gramos de agua (gr/m3) en lugar de kilos, a la presión
considerada.
Ejemplo para calcular la humedad de saturación del aire a 7 atm.
efectivas y 30º C:
Empleando la ecuación (B), y hallando en la tabla de presiones de vapor
la que corresponde a 30 º C, se tendrá,
Pa = 31,8 mm Hg.
Por otro lado, la presión del sistema es de 7 atm efectivas, que
corresponderá a 8 atm absolutas (ATA), con lo que: 8 x 760 mm Hg = 6080
mm Hg.
Por lo tanto,
Tablas de Humedad de Saturación
Los valores que figuran en las siguientes tablas están dados en gramos
de vapor de agua por kilo de aire seco. El cálculo está realizado a
partir de la fórmula (B).
Presión:
Cada tabla se refiere a una determinada presión absoluta P, dada en
atmósferas e indicada en la zona central superior. Así, para encontrar
una humedad de saturación a presión atmosférica, se utilizará la tabla
correspondiente a 1 ATA, y para encontrar el valor a 7 atm. efectivas,
se utilizará la tabla correspondiente a 8 ATA.
Solo figuran los valores correspondientes a 6,7 y 8 atmósferas efectivas
(7,8 y 9 ATA) por ser las presiones de trabajo más usuales en las
instalaciones de aire comprimido.
Temperatura:
Cada tabla está dividida en dos partes. La primera corresponde a las
temperaturas inferiores a 0ºC y la segunda, a temperaturas superiores a
0ºC.
La columna única de la izquierda señala las decenas de grado, y las que
encabezan cada una de las dos partes, las unidades de grado. Cuando en
la tabla figuran asteriscos debe interpretarse que el valor de la
humedad de saturación es excesivamente grande o que no tiene ningún
significado por ser Pa>P.
Ejemplo: Si deseamos encontrar la humedad de saturación del aire a 7 atm
efectivas y 30ºC, buscaremos en la tabla de 8 ATA, la cifra 3 en la
columna de la izquierda y la cifra 0 en las que encabezan la zona de las
temperaturas superiores a 0ºC. Encontramos la cantidad de 3,27807 g/kg,
que equivale a 3,28 g/kg. (Igual al ejemplo de cálculo anterior).
Se entiende que un aumento de la temperatura en un sistema de aire húmedo implica un aumento del contenido energético de las moléculas de vapor de agua que conforman la humedad del aire. Es lógico que, para una determinada cantidad de aire, se incremente con un aumento de temperatura la capacidad para contener un mayor número de moléculas de agua, y suceda a la inversa, si se ocasiona una reducción de la temperatura.
En un ambiente saturado, bien sea de aire comprimido o de aire a presión atmosférica, la humedad absoluta llega a ser el valor de la humedad de saturación, verificándose que hab = hs.
Si en éste ambiente se realiza un aumento de la temperatura, la humedad absoluta continuará siendo la misma, hab, pero la de saturación se incrementará según lo dicho anteriormente, y se confirmará que hs > hab, con lo cual el ambiente considerado dejará de ser saturado.
Por el contrario, si en el aire comprimido saturado se produce una disminución de la temperatura, se comprobará que la humedad de saturación disminuye, pero como existe una determinada humedad inicial absoluta, no habrá otra posibilidad que la de proceder a una continua disminución de la misma. Esta disminución se materializará en condensación, es decir, por paso de fase vapor a fase líquida.
Esto significa que todo descenso de temperatura en un sistema de aire comprimido saturado implicará un desprendimiento de agua líquida.
Ejemplo:
En un sistema de aire comprimido a 7 atm. efectivas, saturado y con temperatura de 50ºC, la humedad absoluta de saturación (por tabla de humedades de saturación) es de 9,62 gr/m3.
Si se produce un enfriamiento hasta 25ºC, la humedad de saturación a esta nueva temperatura es de 2,44 gr/m3
Por lo tanto, en el enfriamiento realizado habrá una condensación correspondiente a
9,62 – 2,44 = 7,18 gr/m3.
Influencia de la presión en la humedad de saturación, a temperatura constante:
A medida que la presión aumenta, a temperatura constante, se produce un continuo acercamiento mutuo de las moléculas de agua constituyentes de la humedad, por lo cual la capacidad del aire para contener moléculas de agua desciende. Al producirse una disminución de la presión y estar más libres las moléculas de agua, la capacidad de contener humedad en el sistema aumenta.
En un ambiente saturado, bien sea de aire comprimido o de aire a presión atmosférica, la humedad absoluta llega a ser el valor de la humedad de saturación, verificándose que hab = hs.
Si en éste ambiente se origina una expansión, es decir, una reducción de la presión, el valor hs aumentará y, puesto que el aire contiene realmente una humedad absoluta hab , se cumple que hs > hab y el aire dejará de ser saturado.
Contrariamente, si se produce un aumento de la presión, resultará que el valor hs va bajando y, puesto que el aire contiene una humedad absoluta, no habrá otra posibilidad que la continua disminución de esta humedad. Si la humedad absoluta disminuye, significa que se produce una formación de agua líquida, en definitiva, se produce una condensación.
Esto significa que todo aumento de presión supondrá la formación de agua líquida, siempre que se parta de aire saturado.
Ejemplo:
Un sistema de 25ºC a presión atmosférica y saturado, posee una humedad absoluta de 14,7 gr/m3.
Si se le comprime a 7 atm. efectivas, y por un procedimiento adecuado se mantiene la misma temperatura, la humedad de saturación del aire será de 2,44 gr/m3
Por lo tanto, la condensación equivale a 14,7 – 2,44 = 12,3 gr/m3. Ahora bien, la humedad absoluta que tendrá el aire así comprimido será hab = hs = 2,44 gr/m3.
En resumen, la humedad de saturación es un valor concreto que solamente depende de la presión y la temperatura, pudiendo adoptar cualquier valor siempre que no supere el de saturación. La máxima humedad absoluta que pueda contener un ambiente dado será el de su humedad de saturación en las condiciones de presión y temperatura establecidas.
Humedad relativa:
Para tener una visión inmediata del estado de humedad del aire se recurre a establecer una relación entre la humedad existente, hab, y el máximo valor de la humedad que el aire puede contener a la misma temperatura, cuando dicho aire está saturado hs. Se representa hr, y se da en tanto por ciento:
Una humedad relativa del 100% denota que se trata de un ambiente saturado, es decir, en el que hab = hs.
Una humedad relativa del 0% testimonia que concurre un ambiente de aire totalmente libre de humedad.
El tanto por ciento asignado para la humedad relativa nos permite conocer el grado de saturación.
Ejemplo:
La humedad de saturación del aire, a 50ºC y 7 atm. efectivas, es de 9,63 gr/m3. Supongamos que la humedad absoluta del aire, en el sistema considerado, es de 6,22 gr/m3.
La humedad relativa del aire con estas propiedades debe ser:
En dichas condiciones, el aire podría contener aún 9,63 – 6,22 = 3,41 gramos de vapor de agua por m3 de aire.