HUMIDIFICACIÓN
Ing. Desireé Álvarez Macías MSc.
OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE
MASA
Cuando las operaciones incluyen cambios en la
composición de las soluciones se las conoce como operaciones con transferencia de masa.
Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por la transferencia en escala molecular, de una sustancia a través de otra.
HUMIDIFICACIÓN
Las operaciones de humidificación y deshumidificación (según la dirección de la transferencia de masa), implican transferencia de materia entre una fase líquida pura (un solo componente) y un gas permanente que es insoluble en el líquido.
Esta operación comprende la operación de humidificación del gas (Intercambio de masa) y el enfriamiento del líquido (Intercambio de energía).
OPERACIONES DE CONTACTO GAS-LÍQUIDO
El contacto de un gas con un líquido puede tener la siguiente finalidad:
Enfriar un gas caliente
Humidificar un gas
Deshumidificar un gas
AIRE HÚMEDO
El aire húmedo se supone que está constituido por una
mezcla de aire seco y vapor de agua. Si llamamos ma a la
fracción de aire seco y mw a la fracción de vapor de
agua, se cumplirá:
a
w
m
m
SEPARACIÓN DEL AIRE Y DEL VAPOR DE AGUA EN
DOS RECIPIENTES
Supongamos que podamos separar el aire seco y el vapor de agua.
Debe cumplirse por la Ley de
DALTON que la suma de presiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en el aire atmosférico.
w
a
p
p
SEPARACIÓN DEL AIRE Y DEL VAPOR DE AGUA
EN DOS RECIPIENTES
Para el aire seco contenido en el recipiente B podemos aplicar la ecuación de estado.
Para el vapor de agua contenido en el recipiente C, podemos aplicar la ecuación de estado.
Donde Ra =287 [J/kg K], es la constante característica del aire seco.
Rw =461,5 [J/kg K], es la constante característica del vapor de agua.
T
R
m
V
p
a
a aT
R
m
V
p
w
w wPROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
a) Temperatura de bulbo seco (BS).
b) Temperatura de bulbo húmedo (BH)
c) Temperatura del punto de rocío
d) Relación de humedad
e) Humedad relativa
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Temperatura de bulbo seco
(BS).-La temperatura medida por el bien conocido termómetro de
mercurio se describe técnicamente como temperatura seca.
Temperatura de bulbo húmedo
(BH).-Se determina esta temperatura colocando un paño sobre el bulbo de un termómetro corriente de mercurio, humedeciéndolo con agua y haciendo que el aire que deba medirse pase sobre el bulbo mojado a gran velocidad.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Temperatura del punto de rocío
(Tr).-Se denomina punto de rocío del aire, o temperatura de rocío del aire, la temperatura a la cual empieza a producirse la condensación del vapor de agua. La representamos con el símbolo Tr.
Relación de humedad
(w).-La representamos con el símbolo w y se define con el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y la masa de aire seco. seco aire de kg agua de vapor de kg a w m m w a w p p w 0,622 w a
p
p
p
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Humedad relativa
(HR).-Significa el grado de saturación de determinada muestra de aire y se expresa en tanto por ciento. La humedad relativa depende de la presión del vapor de agua presente y de la temperatura seca.
La humedad relativa se define, como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación.
ws w
p
p
HR
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Humedad
relativa.-El vapor de agua contenido en el aire se supone que está disuelto en el aire. 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.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Las ecuaciones para obtener la relación presión de vapor-temperatura son bastante complicadas, sin embargo podemos utilizar la siguiente expresión:
Donde: A=6861,28 ºK B=5,2776 C=54,2598
[kPa]
ln
T B T C A wse
p
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Entalpía del aire
húmedo.-Es la entalpía del aire húmedo (es decir la entalpía de una masa unitaria de aire seco más la masa X de vapor de agua contenida).
Primero se determinará la entalpía del vapor de agua, luego la del aire, sumándose posteriormente las dos.
𝑯𝒘 = y 𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔 (𝒕 − 𝟎) = y (𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔𝒕) Donde:
calor latente de vaporización del agua a 0°C = 597,2 kcal/kg Calor especifico promedio del vapor de agua = 0,46 kcal/kg°C Humedad especifica (y) = kg vapor de agua/kg de aire seco
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
ATMOSFÉRICO
Entalpía del aire
húmedo.-𝑯𝒂 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝒕 − 𝟎 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝒕 Donde:
Calor especifico promedio del aire seco= 0,24 kcal/kg°C
La entalpía del aire húmedo será la suma de los dos:
𝐇 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝐭 + 𝒚 𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔𝐭 𝐇 = 𝟎, 𝟐𝟒 + 𝟎, 𝟒𝟔𝐲 𝐭 + 𝟓𝟗𝟕, 𝟐𝐲
PSICOMETRÍA
La psicrometría es la ciencia que estudia las mezclas de aire y vapor de agua.
La cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera es de gran importancia en el acondicionamiento del aire, ya que afecta al confort humano y determina la calidad de muchos productos manufacturados.
DIAGRAMA PSICOMÉTRICO
Es un diagrama que relaciona múltiples parámetros
relacionados con una mezcla de aire húmedo:
temperatura, humedad relativa, humedad absoluta, punto de rocío, entalpía específica o calor total, calor sensible, calor latente y volumen específico del aire.
El diagrama no es constante, ya que es variable con la altura sobre el nivel del mar. Es usual en la bibliografía encontrarlo para la altura a nivel del mar.
Temperatura de Bulbo Seco Curva de saturación TG1=50ºC HR=50% Humedad absoluta Y Humedad de saturación
CA
RT
A
P
SI
CO
M
ÉT
RI
CA
CA
RT
A
P
SI
CO
M
ÉT
RI
CA
Temperatura de Bulbo Seco
Curva de saturación
TG1=50ºC HR=50%
Temperatura de Bulbo Seco Curva de saturación TG1=50ºC HR=50% tR tR˂tw1
CA
RT
A
P
SI
CO
M
ÉT
RI
CA
Temperatura de Bulbo Seco Curva de saturación TG1=50ºC HR=50% Bulbo seco V espe. A.seco V espe. A.saturado
CA
RT
A
P
SI
CO
M
ÉT
RI
CA
TALLER
1.- Que entiende por temperatura de bulbo seco, ponga un ejemplo. 2.- Que entiende por temperatura de bulbo húmedo ponga un ejemplo. 3.- Que entiende por humidificación
4.- Que entiende por humedad relativa 5.- Que es la entalpia de aire húmedo
6.- Para que se utiliza el equipo de torre de enfriamiento, ponga tres ejemplos. 7.- Para que se utiliza la carta psicométrica y que determinamos con ella.
8.- Como se determina la relación de humedad
9.- Como se da la transferencia de masa y energía en la humidificación 10.- Que equipo se utiliza en la humidificación y que partes lo componen 11.- Cual es la temperatura limite de enfriamiento del agua
TALLER
13.- Se tiene aire húmedo con tg1= 38°C y tw1=25. Determinar:
a. Humedad relativa b. Humedad absoluta c. Humedad saturación d. Volumen especifico e. Calor especifico f. Temperatura de rocío g. Entalpia
14.- Determine gráficamente las siguientes propiedades del aire húmedo a 40°C y 760mm Hg
a. Humedad absoluta en condiciones de saturación
b. Volumen especifico a saturación
c. Temperatura húmeda
d. Humedad relativa si la Tr es 20°C
e. Humedad relativa y Tr si la temperatura húmeda es 25°C
OPERACIONES DE CONTACTO GAS-LÍQUIDO
El contacto de un gas con un líquido puede tener la siguiente finalidad:
Enfriar un gas caliente
Humidificar un gas
Deshumidificar un gas
ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE
Es la más importante de las operaciones Gas- Liquido. El agua, caliente por haber pasado a través de intercambiadores de calor, condensadores y dispositivos semejantes se enfría por contacto directo con el aire atmosférico, para ser nuevamente utilizada.
El calor latente del agua es tan grande que la evaporación de pequeñas cantidades de agua produce enfriamientos muy grandes. Generalmente es pequeño el régimen de transferencia de masa.
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-DEFINICIÓN
Esta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección (se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos) y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación.
El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire.
Las torres de enfriamiento son equipos utilizados en la industria con la finalidad de enfriar el agua en grandes volúmenes, de los diferentes procesos para su reutilización. Si se compara con otros equipos de enfriamiento, son el medio más económico para cumplir con el propósito de retirar el calor.
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-FUNCIONAMIENTO
En el interior de las torres se monta un empaque (relleno), aumenta la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.
Se colocan eliminadores de gotas o niebla (deflectores) atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la pérdida de agua.
El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos (boquillas) distribuir el agua en la mayor superficie posible.
El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua caliente.
En estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de
masa (evaporación) y por
transferencia de calor sensible y latente del agua al aire.
Lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda. La temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura d bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-FUNCIONAMIENTO
DIAGRAMA DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-COMPONENTES
1. Estructura metálicas, madera o plástico.
2. Parte Mecánica:
a. Extractor de aire
b. Motores
3. Material de relleno.- Aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.
4. Sistema de distribución de agua:
a. Líneas de agua (caliente – fría)
b. Linea de agua de compensación
c. Linea de purga
d. Linea de llenado
5. Cubierta de distribución
6. Desviadores de flujo de aire
7. Eliminadores de gota (deflectores)
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-COMPONENTES
EXTRACTOR
Puede ser centrífugo o axial.
DISTRIBUIDOR DE AGUA
El distribuidor es un tubo o un canal que contiene las boquillas de aspersión de agua o los puntos de caída de agua.
Debe lograr una distribución uniforme
del agua sobre toda la sección
transversal de la torre.
Ventilador centrífugo de una Torre de tiro forzado y
contraflujo.
Extractor Axial de una Torre de tiro inducido y
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-COMPONENTES
ELIMINADOR DE GOTA (CORTA GOTAS)
Sirven para evitar que el aire que sale de la torre acarree pequeñas gotas de agua.
RELLENOS
El relleno es el componente más
importante de una torre de
enfriamiento.
Utilizar rellenos permite diseñar torres más compactas (pequeñas).
Su función es lograr una mayor
superficie de contacto aire-agua (maximizar la interfase) y prolongar el tiempo de caída del agua.
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-COMPONENTES
RELLENOS COMERCIALES
Existen diversos modelos según la aplicación (temperaturas, tipo de agua, impurezas en el agua, tipo de torre, etc.).
Para seleccionar el relleno adecuado para determinada aplicación hay que recurrir al catálogo del fabricante.
EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA
CON AIRE-COMPONENTES
RELLENOS ALTERNATIVOS
Son alternativas disponibles fácilmente en el Ecuador.
Un opción común es la utilización de hueveras plásticas pegadas unas con otras para generar el relleno.
Este relleno es resistente a la corrosión y tiene buenas características para la transferencia de calor y masa en torres de enfriamiento.
CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE
ENFRIAMIENTO
Tor re s de enfr iamiento Movimiento de aire Circulación Natural Atmosféricas Tiro natural Tiro Mecánico Tiro Inducido Contraflujo Flujo Cruzado Tiro forzado (Solo contraflujo)TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL
Atmosféricas Tiro naturalTORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL
Atmosféricas
Básicamente es una ducha de
agua caliente.
No tienen ventiladores, el aire
proviene de corriente
atmosféricas (viento).
No tienen relleno.
Torres atmosféricas. Son simples duchas de agua caliente dentro de caja, sin relleno y sin ventilador. Las barajas sirven para evitar que gotas de agua salpiquen.
TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL
Tiro Natural
Llamadas también torres «hiperbólicas», por su forma.
El aire es succionado por diferencias de densidad de aire entre base y tope (como en chimeneas) + efecto Venturi.
Para grandes flujos de aguas (centrales térmicas).
TORRES DE TIRO MECÁNICO
Tiro Inducido Tiro forzadoTORRES DE TIRO MECÁNICO: INDUCIDO
Contraflujo
El ventilador está arriba y
SUCCIONA el aire a través de la torre (P negativa).
Tienen rellenos compactos.
TORRES DE TIRO MECÁNICO: INDUCIDO
Flujo cruzado
El aire circula perpendicular al flujo
de agua.
Son de baja altura.
TORRES DE TIRO MECÁNICO: FORZADO
Contraflujo
El aire es forzado por el ventilador
que está abajo.
Usan rellenos compactos.
El ventilador puede ser axial o
centrífugo (usualmente).