Kitabı oku: «ABC del aire acondicionado»

Capítulo 1
Principios básicos del aire acondicionado
1.1 El aire atmosférico

La idea básica del aire acondicionado es aplicar la tecnología para modificar las condiciones del aire con el fin de hacerlas más placenteras generalmente en un espacio cerrado. De ahí que sea importante tener una idea consistente del aire atmosférico. Se trata de una mezcla de gases constituida principalmente por nitrógeno y oxígeno, en la que pueden encontrarse ciertas partículas en suspensión (pequeñas gotas de agua, polvo, sustancias contaminantes, etc.). La densidad, temperatura y composición no son constantes a lo largo de su anchura, que puede estimarse en algo más de cien kilómetros, aunque los más importantes son los primeros veinte.

Los gases componentes de la atmósfera se pueden agrupar en dos categorías:

 Los que tienen una concentración invariable en las capas bajas de la atmósfera. Los más importantes son el nitrógeno, el oxígeno, el argón, el neón, el helio y el hidrógeno, con bastante predominio de los dos primeros. Los cuatro restantes apenas representan el 1% del total.

 Aquellos cuya concentración es variable, como el vapor de agua, el bióxido de carbono y el ozono, aunque la importancia de este último es más significativa en la parte alta de la atmósfera.

Desde un punto de vista práctico podemos considerar el aire húmedo atmosférico como una mezcla de dos gases, el aire seco y el vapor de agua. El primero de composición constante, y el segundo de concentración variable. En la tabla 1.1 se indica el contenido, en volumen, de los componentes del aire, sin contar el vapor de agua.

Tabla 1.1 Composición del aire en volumen

1.2 Radiación solar

El sol emite radiación que se propaga en todas las direcciones del espacio. Es importante matizar algunos términos relacionados con la radiación solar:

Radiación directa. Es la que llega procedente directamente del Sol.

Radiación difusa. La que llega desde el cielo en todas direcciones, excepto la directa del Sol.

Radiación global. La suma de las dos anteriores.

Irradiancia. Es la energía radiante recibida por unidad de tiempo sobre una unidad de área. Se expresa en W/m². Es un valor que varía a lo largo del tiempo. Suele darse en media horaria. El instrumento para medirla se llama piranómetro.

Irradiación. Es la energía radiante recibida durante un cierto intervalo de tiempo sobre una unidad de área. Se expresa en J/m².

Insolación. Es el intervalo de tiempo durante el cual el Sol está despejado. Se expresa en horas. El instrumento de medida se llama heliógrafo. El heliógrafo más corriente es el de Campbell-Stokes, denominado de bola, que consiste en una lente situada de manera que, cuando luce el Sol, su imagen quema una banda de papel situada convenientemente en la que están rotuladas las horas.

1.3 La capa de ozono

A raíz de su parcial destrucción por causa de algunos agentes frigoríficos, se ha hecho muy popular generando mucha controversia e incluso movilización de la opinión pública. No es propiamente una capa, sino una zona de la parte alta de la atmósfera, donde se encuentra en una cierta concentración. Su principal función es detener la radiación ultravioleta procedente del Sol que, de llegar a la superficie de la Tierra, podría producir mutaciones en las especies y tener efectos potencialmente cancerígenos sobre plantas y animales, incluido el hombre. En 1979 se puso de manifiesto que algunos refrigerantes del tipo de los derivados halogenados que contienen cloro o bromo en su molécula, al ser liberados de los equipos que los contienen, se difunden por la atmósfera y, al llegar a la capa de ozono, la destruyen en una reacción en cadena de efectos muy contundentes. Por este hecho, la comunidad internacional ha establecido una serie de normas y protocolos para prohibir la fabricación y utilización de estos productos de forma paulatina. Paralelamente, los técnicos y científicos relacionados con el mundo de la refrigeración se han encontrado con el reto de buscar unos sustitutos a corto plazo de los refrigerantes que ya han sido prohibidos, y de los que lo serán de aquí a unos años. Los refrigerantes de sustitución inmediata se llaman “drop in”; no necesitan grandes cambios en la instalación.

1.4 El efecto invernadero

Algunos gases, como el CO₂, tienen la propiedad de impedir la salida de la radiación térmica de mayor longitud de onda procedente de la superficie de la Tierra, con el efecto de provocar un calentamiento de la atmósfera y del agua del mar. Este fenómeno todavía está en estudio, pero de ser cierto, provocaría un cambio climático de efectos devastadores en buena parte de la superficie terrestre; por ejemplo, en España tendríamos el clima actual del norte de África.

Hay algunos refrigerantes que no son nocivos para la capa de ozono, pero sí que lo son para el efecto invernadero por este motivo el tema de la refrigeración que parecía técnicamente cerrado ha entrado de nuevo en efervescencia.

1.5 Parámetros fundamentales

Podemos suponer que el aire atmosférico está formado por aire seco y vapor de agua; una masa m de aire húmedo, será la suma de la parte de aire seco, ma y de la de vapor de agua, m_w:

m = m_a + m_w

El aire seco se considera de composición constante: 79% de N₂ y 21% de O₂, con una masa molecular de 28,96 kg/kmol. Su pongamos que el aire ocupa un volumen V a la temperatura T y está a la presión p; si aisláramos el aire seco en el mismo volumen y a la misma temperatura su presión sería p_a < p y si aisláramos el vapor de agua en el mismo volumen a la misma temperatura su presión sería p_w. Se cumple que:

p = p_a + p_w

Las presiones p_a y p_w se llaman presión parcial del aire seco y presión parcial del vapor de agua, respectivamente.

La humedad absoluta, W, se define como el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y la masa de aire seco. Así pues:

W = m_w / m_a

que se mide en kg_w/kg_a. También se llama humedad específica.

El vapor de agua contenido en el aire se supone que está disuelto en el aire pero la capacidad de disolución del aire no es muy grande; si aumentase la cantidad de vapor llegaría un momento en que éste condensaría, para transformarse en agua líquida.

Cuando llegamos a esta situación, decimos que se ha alcanzado el estado de saturación.

Cuando se llega al estado de saturación la presión parcial del vapor de agua se llama presión de saturación; dado que se llega a esta situación a una temperatura determinada, la presión de saturación depende de esta temperatura; es decir, que la capacidad de disolución del aire respecto al vapor de agua varía con la temperatura y, en consecuencia, la presión de vapor de saturación varía también con la temperatura.

La relación entre la presión de saturación y la temperatura se llama curva de tensión de vapor. Esta relación puede darse de forma gráfica, mediante tablas, o bien mediante una ecuación. En la tabla 1.2 presentamos una selección de valores de la curva de tensión de vapor; en el apéndice se ha incluido una lista más completa de propiedades del aire húmedo.

Tabla 1.2 Tabla de valores de la presión de vapor de saturación

(*) 100 kPa son, aproximadamente, 1 kg/cm²

Hay fórmulas para obtener la relación presión de vapor-temperatura. Las hemos incluido en uno de los anexos al final de esta obra.

La humedad relativa se define como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación. Para representar la humedad relativa utilizaremos el símbolo φ. Así pues:

φ = p_w/p_ws

Este cociente siempre es menor que la unidad. Si lo multiplicamos por 100 tendremos la humedad relativa expresada en tanto por ciento. La humedad relativa indica lo cerca o lejos que estamos del estado de saturación. Así por ejemplo, una humedad relativa del 65% quiere decir que todavía falta un 35% para alcanzar el estado de saturación. Hay una noción que conviene que tengamos clara: una humedad relativa alta no es indicativa de que el aire tenga mucho vapor de agua, excepto en el caso de que comparemos dos estados de aire húmedo a la misma temperatura.

Para medir la humedad relativa se pueden utilizar dos tipos de aparatos:

 El psicrómetro, que funciona según dos principios diferentes que describiremos a continuación. Es un conjunto formado por dos termómetros de mercurio, colocados uno al lado del otro y sometidos a una suave corriente de aire. Uno de ellos es un termómetro normal que nos da la temperatura del aire. El otro termómetro lleva una gasa humedecida envolviendo el bulbo de termómetro (la cazoleta que contiene el mercurio). Este segundo termómetro marca una temperatura algo inferior a la que marca el primero. La diferencia entre ambas temperaturas nos permite, mediante una tabla, saber la humedad relativa. También puede utilizarse, además de la tabla, un diagrama psicrométrico. La temperatura leída en el primer termómetro se llama temperatura seca y la leída en el segundo termómetro, temperatura húmeda. Aunque la primera se llame temperatura seca, es la temperatura normal del aire. El conjunto de los dos termómetros debe colocarse en un lugar en el que haya una suave corriente de aire. A veces el sistema lleva incorporado un pequeño ventilador que la produce. El termómetro húmedo marca una temperatura inferior debido al fenómeno de evaporación del agua presente en la mecha que envuelve el bulbo del termómetro. En la medida que el aire esté más seco, se evaporará más agua y la temperatura será menor; este es el principio de funcionamiento del psicrómetro.

 El medidor de fibra. Algunas fibras (un cabello humano, por ejemplo) tienen la propiedad de variar de longitud con la humedad y por lo tanto pueden utilizarse potencialmente para determinar la humedad relativa; el problema principal estriba en si existe alguna otra propiedad (como la temperatura) que produzca el mismo efecto y enmascare la primera variación. Supongamos una fibra que sólo varíe con la humedad relativa. Si se ajusta con un mecanismo que la mantiene tensa, de forma que una contracción de su longitud actúe sobre la aguja indicadora en una escala graduada, dispondremos de un medidor de la humedad. Estos aparatos no son muy exactos.

La densidad del aire es otro parámetro importante, pero suele considerarse constante y se toma el valor 1,2 kg/m³. El inverso de la densidad es el volumen específico.

Estos parámetros, muy importantes en aire acondicionado, están relacionados mediante el diagrama psicrométrico o carta de Carrier (ver figura 1.1 en la página siguiente). En el eje vertical tenemos la humedad absoluta, W, y en eje horizontal la temperatura centígrada, t. Las curvas ascendentes nos dan la humedad relativa. La más exterior corresponde al aire saturado. Generalmente se situa un punto o estado del aire en el diagrama mediante la temperatura y la humedad relativa. Una vez situado el punto se obtiene en el eje vertical la humedad absoluta. Las lineas rectas mas inclinadas descendentes corresponden a volúmenes específicos. Las menos inclinadas corresponden a temperaturas húmedas. Una vez situado un punto, nos fijamos en la línea menos inclinada que pasa por el punto. Cuando la línea intersecciona a la curva de saturación, desde este punto trazamos una perpendicular al eje horizontal; la temperatura leída allí nos da la temperatura húmeda que corresponde al estado de aire considerado. Fijémonos que para situar un estado en el diagrama también puede hacerse con la temperatura normal (llamada seca) y la temperatura húmeda.

Figura 1.1 Diagrama psicrométrico

El punto de rocío del aire, la temperatura a la cual empieza a producirse la condensación del vapor de agua. Una vez situado un estado de aire húmedo en el diagrama se traza una horizontal por el punto hasta cortar la curva de saturación. En el punto de corte tendremos la temperatura correspondiente al punto de rocío. Es un concepto que el proyectista y el instalador han de tener muy presente porque tiene mucho que ver con el diseño de las instalaciones de aire acondicionado. Imaginemos el aire húmedo de una habitación en un estado de humedad relativa inferior al 100%, es decir, en estado no saturado. Si enfriásemos el aire de la habitación, disminuiría la capacidad de disolución del aire y llegaría un momento en que el vapor de agua se condensaría. La temperatura a la cual se produce este fenómeno se llama punto de rocío o temperatura de rocío.

Ejemplo

a) Supongamos que la temperatura del aire es de 25 °C y la humedad relativa del 50%. ¿Cuál será la temperatura húmeda? ¿Cuánto valdrá la humedad absoluta?

Con la temperatura de 25 °C y la humedad relativa del 50% situamos el punto A, nos fijamos en la línea de temperatura húmeda que pasa por él, obtenemos la intersección con la curva de saturación y bajamos la perpendicular. Obtenemos: t_h = 18 °C.

Una vez situado el punto nos fijamos en la línea horizontal que pasa por el punto y la llevamos hasta el eje vertical. Obtenemos aproximadamente una humedad absoluta de W = 10 g_w/kg_a.

b) La temperatura seca del aire es de 20 °C y la temperatura húmeda de 15 °C ¿cuánto vale la humedad relativa? ¿Cuánto vale la humedad absoluta?

Utilizando el diagrama psicrométrico del anexo situamos el estado del aire, con los 20 °C de temperatura seca, medida en el eje horizontal y la línea húmeda de 15 °C. El estado correspondiente del aire sería la intersección de la vertical con la línea de temperatura húmeda. Se obtiene: W = 0,0087 kg_w/kg_a y φ = 58%, aproximadamente.

c) Imaginemos que estamos en invierno y que en el interior de una habitación con calefacción tenemos 21 °C y un 50% de humedad relativa. La habitación está provista de grandes ventanas con vidrio ordinario (no son de doble vidrio). La temperatura de la superficie interior del vidrio es de 6 °C, ¿se producirá condensación del vapor de agua del aire de dentro de la habitación sobre el vidrio de las ventanas?

Este tema es típico del acondicionamiento de aire. Se trata de obtener el punto de rocío que corresponde a las condiciones del aire interior de la habitación.

Situamos el punto representativo del aire del local, con los 21 °C y el 50% de humedad relativa; luego trazamos la horizontal y la vertical y obtenemos t_R = 10,5 °C.

Dado que la temperatura del vidrio es de 6 °C, es decir, inferior a la de rocío, sí se produce condensación. Si la ventana fuera de doble vidrio, la cámara de vacío impediría que el vidrio del lado de la habitación estuviera a una temperatura tan baja. Con doble vidrio probablemente no habría condensación del vapor de agua.