Procesos del aire húmedo en el diagrama psicrométrico

El diagrama psicrométrico muestra cada estado del aire húmedo como un punto y cada proceso termodinámico como una línea. Hay cuatro procesos básicos que forman las piezas de cualquier instalación de tratamiento de aire: calentamiento, enfriamiento, humectación y secado. Cada uno tiene su aspecto en el diagrama, cambia unas magnitudes distintas y tiene un coste energético diferente. Sus combinaciones describen hasta los esquemas de climatización más complejos.

Las direcciones que siguen son las del diagrama de Carrier, el habitual en España y Latinoamérica; entre paréntesis, las del diagrama de Mollier h-x, que tiene los ejes intercambiados.

Calentamiento: el proceso más sencillo del diagrama

El calentamiento en una batería de calor (eléctrica, de agua caliente o de vapor) es una línea horizontal hacia la derecha (en Mollier, vertical hacia arriba). Suben la temperatura y la entalpía, pero la humedad específica $W$ se mantiene constante: no se añade ni se quita agua. El resultado es una bajada de la humedad relativa, porque la capacidad máxima del aire para contener vapor crece con la temperatura y el punto se aleja de la curva de saturación. El tipo de calentamiento se elige según las fuentes de calor disponibles.

Potencia de la batería:

$$P = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \Delta t \quad \text{[kW]}$$

donde $\dot{m}$ es el caudal másico [kg/s], $c_{pa} = 1{,}006\ \text{kJ/(kg·K)}$ y $\Delta t$ el salto de temperatura [K]. Con más precisión, la potencia corresponde a la diferencia de entalpías, $P = \dot{m} \cdot \Delta h$.

Aplicaciones típicas: precalentamiento del aire exterior en invierno y recalentamiento tras la batería de frío en verano.

Enfriamiento: depende de dónde se empiece

El enfriamiento no es simplemente lo contrario del calentamiento: el resultado depende de si la temperatura baja por encima o por debajo del punto de rocío.

Enfriamiento por encima del punto de rocío (enfriamiento sensible)

Si la temperatura no baja del punto de rocío, el enfriamiento es solo sensible. En el diagrama es una línea horizontal hacia la izquierda (en Mollier, vertical hacia abajo): baja la temperatura, $W$ se mantiene constante y la humedad relativa sube, porque el punto se acerca a la curva de saturación. No hay condensación ni se retira humedad.

Enfriamiento por debajo del punto de rocío (enfriamiento con deshumectación)

En cuanto la temperatura alcanza el punto de rocío empieza la condensación. El aire sigue enfriándose junto a la curva de saturación ($\varphi = 100\ \%$): bajan tanto la temperatura como la humedad específica $W$, así que la línea va hacia abajo y a la izquierda. El condensado escurre de la batería como agua. Así funciona la climatización convencional en verano.

La potencia de la batería de frío tiene una componente sensible y otra latente, por eso la magnitud correcta es la entalpía y no la temperatura:

$$P = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

El reparto entre las dos componentes y el factor de calor sensible se explican en el artículo sobre la entalpía del aire húmedo.

Humectación: dos caminos hacia el mismo resultado

Humectación isotérmica (humectador de vapor)

Se aporta vapor de agua a temperatura prácticamente constante: en el diagrama, una línea vertical hacia arriba (en Mollier, horizontal hacia la derecha). Sube $W$, la temperatura apenas cambia y la entalpía aumenta. Los humectadores de vapor eléctricos o de gas consumen más energía, pero se regulan con precisión. Son adecuados para instalaciones con exigencias altas de limpieza, higiene y precisión, como los hospitales.

Humectación adiabática (humectadores de agua)

Se evapora agua líquida en el aire sin aporte de calor exterior: el aire se desplaza a lo largo de la línea de bulbo húmedo constante, prácticamente la de entalpía constante, hacia arriba y a la izquierda (en Mollier, en diagonal hacia abajo y a la derecha). La temperatura baja, la humedad sube y la entalpía se mantiene casi igual. Así funcionan el enfriamiento evaporativo y los pulverizadores ultrasónicos. La energía para la evaporación sale del propio calor del aire, de modo que la humectación adiabática no necesita energía adicional, al contrario que la isotérmica. Los distintos sistemas se comparan en el artículo sobre los tipos de humectación. Se usa sobre todo en la industria, allí donde las condiciones lo permiten: donde ni el producto ni el local se ven afectados por la mayor humedad relativa del aire de impulsión. En los climas secos del interior peninsular es además una forma barata de enfriar.

Secado: quitar humedad al aire

Secado por condensación (enfriamiento por debajo del punto de rocío)

El método más extendido: el aire se enfría por debajo del punto de rocío, la humedad condensa y se evacua, y después el aire suele recalentarse hasta la temperatura necesaria. El resultado es aire a la temperatura requerida pero con menos humedad específica (y, por tanto, menos humedad relativa). Se usa sobre todo cuando las exigencias de deshumectación son moderadas.

Secado con desecante (por adsorción)

El aire atraviesa un material adsorbente (gel de sílice, zeolitas) que retiene el vapor de agua. En el diagrama el aire se desplaza hacia abajo y a la derecha (en Mollier, en diagonal hacia arriba y a la izquierda): la humedad baja, pero la temperatura sube, porque la adsorción libera calor. Puede alcanzar puntos de rocío muy bajos (incluso por debajo de −40 °C) que el secado por condensación no consigue de forma económica. Los detalles están en el artículo sobre la deshumectación por desecante. Se aplica en la industria alimentaria, la farmacéutica y procesos especiales de fabricación o almacenamiento.

Mezcla de aire: un proceso combinado

En la práctica casi siempre se mezclan dos corrientes, por ejemplo aire exterior con aire recirculado del local. El estado de la mezcla está sobre la recta que une los dos estados de entrada, en la posición que fija la proporción de caudales másicos. Si se mezcla ⅓ de aire exterior con ⅔ de aire interior, el punto resultante queda a un tercio del camino entre el estado interior y el exterior.

Procesos combinados: un esquema real de climatización

La climatización de verano de una oficina tiene en el diagrama más o menos este aspecto:

1. Mezcla: el aire exterior (32 °C, 50 %) se mezcla con el aire recirculado (26 °C, 55 %).
2. Enfriamiento con deshumectación: la mezcla se enfría por debajo del punto de rocío, por ejemplo hasta 12–14 °C y 95 %.
3. Calentamiento: el aire se recalienta hasta la temperatura de impulsión (16–18 °C) para no provocar corrientes molestas.
4. Impulsión al local: el aire va absorbiendo las cargas térmicas y de humedad y su estado vuelve hacia las condiciones de proyecto.

Todo el ciclo es una sucesión de líneas que unen los puntos de estado. La forma más rápida de aprenderlo es dibujarlo una vez a mano: hay hojas en blanco del diagrama psicrométrico para imprimir en PDF o SVG. El procedimiento de proyecto, con los datos climáticos de Madrid, está en el artículo sobre el diseño de la climatización en el diagrama, y la guía del diagrama psicrométrico añade un ejemplo de invierno con recuperación de calor.

Preguntas frecuentes

¿Por qué baja la humedad relativa al calentar si no se quita agua? Al calentar aumenta la capacidad del aire para contener vapor. El contenido de agua (la humedad específica) sigue igual, pero su relación con una capacidad mayor, la humedad relativa, baja.

¿Qué diferencia hay entre la humectación isotérmica y la adiabática? La isotérmica (con vapor) añade vapor a temperatura prácticamente constante y gasta energía en producirlo. La adiabática (con agua) evapora agua líquida a lo largo de una línea de entalpía constante: el aire se enfría en el proceso y toma de su propio calor la energía para la evaporación.