UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO IV
INFORME EXPERIMENTAL. PSICROMETRÌA
ALUMNOS: ASCENCIO FLORES LUIS ALBERTO ESCAMILLA MEJIA YESENIA
MONTERO GUIDO GRECIA
SANDOVAL VÁZQUEZ JUAN FRANCISCO MARQUEZ VELÉZ DIANA JAZMÍN
MARTÍNEZ GARCÍA MONTSERRAT
GRUPO: 1658
PROFESOR: ESTRADA LUCAS EDILTRUDIS
PSICROMETRÌA
OBJETIVOS:
Comprender el significado de la temperatura de bulbo húmedo y las condiciones necesarias para su medición. Familiarizarse con las propiedades más importantes de las mezclas aire-vapor de agua y el uso de la carta psicrométrica.
Comprender la importancia de la temperatura de bulbo húmedo para una torre de enfriamiento.
INTRODUCCIÒN
Definimos Psicrometría como una rama de la ciencia que trata de las propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y sobre el confort humano. Este aire, conocido como aire húmedo está constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua, donde el aire seco esta compuesto por Nitrógeno, Oxígeno y Dióxido de carbono, como se sabe, el aire tiene la capacidad de retener una cantidad variable de vapor de agua en relación a la temperatura del aire, a menor temperatura, menor cantidad de vapor y a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua; a presión atmosférica constante.
Los procesos de calefacción, refrigeración, humidificación y deshumidificación que tienen lugar en el acondicionamiento del aire modifican la condición del aire desde la representada por el punto de estado inicial en el ábaco hasta una condición diferente, representada por un segundo punto en el ábaco.
Existen cinco procesos posibles:
1. Procesos de calor sensible constante (indicados por una temperatura de bulbo seco constante).
2. Procesos de calor latente constante (indicados por un contenido de humedad constante y una temperatura de punto de rocío constante).
3. Procesos de entalpía constante o adiabáticos (indicados por una temperatura de bulbo húmedo constante).
4. Procesos de humedad relativa constante (todos los demás factores varían). 5. O, finalmente, una modificación que representa una combinación cualquiera de
los anteriores y que no procede a lo largo de ninguna de las líneas de procesos anteriores.
Para esto debe observarse nuevamente:
1. Las líneas de bulbo seco son líneas de calor sensible constante. 2. Las líneas de punto de rocío son líneas de calor latente constante.
3. Las líneas de bulbo húmedo son líneas de calor total constante (entalpía constante).
También es considerado un método para controlar las propiedades térmicas del aire húmedo y se representa mediante una carta Psicrométrica, la cual es el objetivo de este trabajo.
En muchas de las operaciones de Ingeniería Química, el control de las propiedades de las mezclas aire-vapor son determinadas para lograr un funcionamiento satisfactorio del equipo. En el caso de las torres de enfriamiento, por ejemplo, las propiedades ambientales de la temperatura y humedad determinan el diseño y operación del equipo. En otras aplicaciones las condiciones del aire se deben modificar para su utilización, por ejemplo, en el secado de sólidos, el aire se calienta para aumentar la velocidad de transferencia de calor hacia el sólido y mejorar la velocidad de evaporación o velocidad de secado. En cualquier caso es necesario conocer las propiedades del aire.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1.- Hacer mediciones de temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo con el psicrómetro todos los días durante el semestre, por la mañana y por la tarde, registrando la hora y el lugar de las lecturas.
2.- Cálculo y elaboración de la carta de humedad aire-vapor de agua a la presión existente en Cuautitlán (P=585mmHg, intervalo de temperaturas de 0° a 80°C).
PRESENTACIÒN DE DATOS EXPERIMENTALES: Dentro del LEM
Tbh Tbs
Fecha Mañana Tarde Mañana Tarde
24-Ago-09 18,00 22,50 21,00 24,00 25-Ago-09 18,00 21,00 23,00 20,00 26-Ago-09 19,00 21,00 20,00 25,00 27-Ago-09 19,00 23,50 21,00 25,00 28-Ago-09 19,50 23,50 21,00 24,00 31-Ago-09 20,50 23,50 22,00 24,50 01-Sep-09 21,50 18,50 23,00 20,00 02-Sep-09 19,00 22,00 21,00 23,00 03-Sep-09 19,50 23,00 22,00 24,50 04-Sep-09 19,50 22,00 21,00 23,00 07-Sep-09 21,00 23,00 22,00 24,00 08-Sep-09 18,00 24,00 19,00 26,00 09-Sep-09 18,00 24,00 19,00 25,00 10-Sep-09 20,00 24,00 20,50 26,00 11-Sep-09 20,00 24,50 21,50 26,00 14-Sep-09 21,50 24,00 22,00 26,00 17-Sep-09 17,00 20,00 21,50 22,00 18-Sep-09 16,00 21,30 22,50 22,00 21-Sep-09 20,00 24,50 21,50 26,50 22-Sep-09 21,00 24,00 22,00 25,00 23-Sep-09 21,50 23,00 22,50 24,50
24-Sep-09 21,00 23,50 22,00 24,50 25-Sep-09 21,50 23,00 22,50 26,00 28-Sep-09 19,50 24,00 19,50 24,00 29-Sep-09 21,00 21,50 20,00 23,00 30-Sep-09 19,50 22,50 21,50 22,50 01-Oct-09 20,00 21,20 22,00 26,00 02-Oct-09 21,50 24,00 21,50 22,00 05-Oct-09 21,00 23,00 22,50 22,00 06-Oct-09 19,00 24,00 22,50 26,00 07-Oct-09 19,50 23,00 19,50 24,00 08-Oct-09 21,00 24,00 20,00 23,00 09-Oct-09 21,50 24,50 22,50 26,00 12-Oct-09 19,50 24,00 19,50 24,00 13-Oct-09 19,00 21,00 20,00 23,00 14-Oct-09 17,00 19,00 19,50 24,00 15-Oct-09 14,00 16,00 18,80 25,00 16-Oct-09 15,00 17,00 19,00 27,00 19-Oct-09 14,00 16,00 18,00 26,00 20-Oct-09 15,00 16,00 20,00 27,00 21-Oct-09 17,00 18,00 20,00 27,00 22-Oct-09 19,00 20,00 21,00 25,00 23-Oct-09 21,00 22,00 21,00 24,00 Tbs Tbh Agosto 22 24 Septiembre 22 21 Octubre 21 19,5
Esta ultima tabla muestra las temperaturas promedio de bulbo seco y hùmedo de cada mes.
METODOLOGÌA PARA LA CONSTRUCCIÒN DE LA CARTA PSICROMÈTRICA
Calculo Presión de vapor del agua. Se usa la ecuación de Antoine, cuya forma es:
Donde:
Presión del componente A en kPa A,B y C Constantes para cada sustancia. T Temperatura en grados Centígrados. Para el caso del agua:
A=16.2620 B=3799.89 C=226.35
De la fórmula de Antoine se obtiene la presión de vapor del componente A para un intervalo de temperaturas (de 0°C a 80°C).
Ejemplo a 30° C kPa Psat A 1.4389 ) 35 . 226 30 ( ) 89 . 3799 ( ) 2620 . 16 ( ln kPa Psat A 4.2162 4389 . 1 Se convierte a unidades de mmHg mmHg kPa 31.8134 2162 . 4
Calculo humedad absoluta de saturación
Una vez que se obtuvieron las presiones de vapor a distintas temperaturas (intervalo de 5° a 80° C) se procede a calcular la presiones porcentules ,unicamente se multiplica el calor de presiòn de vapor de cada temperatura por el porcentaje deseado. A partir de este calculo se aplica la siguiente ecuación para determinar las humedades absolutas de saturación a cada temperatura impuesta:
' ( A )A t A B P M Ys P P M
La siguiente tabla muestra los valores de P°A a cada temperatura que en nuestro
caso fue de 5° en 5° C. HR = 10% H20%R = H30%R = H40%R = 50%HR = H60%R = 70%HR = H80%R = H90%R = tG (°C) PA (mmH g) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) P°A (mmHg ) 5.00 6.54 0.65 1.31 1.96 2.62 3.27 3.93 4.58 5.23 5.89 10.0 0 9.21 0.92 1.84 2.76 3.68 4.60 5.52 6.45 7.37 8.29 15.0 0 12.79 1.28 2.56 3.84 5.11 6.39 7.67 8.95 10.23 11.51 20.0 0 17.53 1.75 3.51 5.26 7.01 8.76 10.52 12.27 14.02 15.78 25.0 0 23.75 2.37 4.75 7.12 9.50 11.87 14.25 16.62 19.00 21.37 30.0 0 31.81 3.18 6.36 9.54 12.73 15.91 19.09 22.27 25.45 28.63 35.0 0 42.16 4.22 8.43 12.65 16.86 21.08 25.30 29.51 33.73 37.95 40.0 0 55.31 5.53 11.06 16.59 22.12 27.65 33.19 38.72 44.25 49.78 45.0 0 71.86 7.19 14.37 21.56 28.75 35.93 43.12 50.30 57.49 64.68 50.0 0 92.51 9.25 18.50 27.75 37.01 46.26 55.51 64.76 74.01 83.26 55.0 0 118.06 11.81 23.61 35.42 47.22 59.03 70.84 82.64 94.45 106.25
60.0 0 149.40 14.94 29.88 44.82 59.76 74.70 89.64 104.58 119.52 134.46 65.0 0 187.58 18.76 37.52 56.27 75.03 93.79 112.55 131.31 150.06 168.82 70.0 0 233.73 23.37 46.75 70.12 93.49 116.87 140.24 163.61 186.98 210.36 75.0 0 289.14 28.91 57.83 86.74 115.66 144.57 173.49 202.40 231.31 260.23 80.0 0 355.23 35.52 71.05 106.57 142.09 177.62 213.14 248.66 284.19 319.71
La siguiente tabla muestra las humedades absolutas de saturación a partir de las presiones porcentuales obtenidas en la tabla anterior y en base a la ecuación anteriormente escrita. ' ( ) A A t A B P M Ys P P M donde : Pt (mmHg) 585 MA (Kg/Kmol) 18.02 MB (Kg/Kmol) 28.97 HR = 10% HR = 20% HR = 30% HR = 40% HR = 50% Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) 0.000696 0.001394 0.002094 0.002795 0.003498 0.000981 0.001964 0.002951 0.003941 0.004934 0.001362 0.002731 0.004105 0.005486 0.006872 0.00187 0.00375 0.005642 0.007546 0.009461 0.002535 0.005092 0.007669 0.010268 0.012888 0.003401 0.00684 0.010316 0.013832 0.017386 0.004516 0.009097 0.013746 0.018464 0.023253 0.005937 0.011989 0.018158 0.024448 0.030864 0.007736 0.015667 0.0238 0.032144 0.040706 0.009995 0.020316 0.03098 0.042004 0.053407 0.012812 0.026162 0.040086 0.054622 0.06981 0.016302 0.033482 0.051612 0.070774 0.091058 0.020606 0.042624 0.066204 0.091519 0.118767 0.025887 0.054021 0.08471 0.118318 0.155282 0.032343 0.068233 0.10829 0.153281 0.20418 0.040214 0.085986 0.138556 0.199559 0.2712
Ejemplo a temperatura de 30° C para el calculo de Y’ a 10%
o aire kg agua kg Kmol Kg mmHg mmHg Kmol Kg mmHg YSal 0.003401 / sec ) / 97 . 28 ( * ) 18 . 3 585 ( ) / 02 . 18 ( * ) 18 . 3 ( % 10 '
HR = 60% HR = 70% HR = 80% HR = 90% HR = 100% Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´ (Kg agua/Kg aire seco) Y´S (Kg agua/Kg aire seco) 0.004202 0.004908 0.005615 0.006324 0.007035 0.00593 0.00693 0.007932 0.008938 0.009947 0.008265 0.009664 0.011069 0.012481 0.013898 0.011388 0.013327 0.015278 0.01724 0.019215 0.015529 0.018193 0.02088 0.023589 0.026321 0.020981 0.024616 0.028292 0.032011 0.035772 0.028114 0.033049 0.038059 0.043146 0.048312 0.037408 0.044084 0.050897 0.057851 0.06495 0.049495 0.05852 0.067791 0.077318 0.087112 0.065208 0.077429 0.090092 0.103222 0.116846 0.085696 0.102328 0.11976 0.138053 0.157271 0.112565 0.13541 0.159721 0.185645 0.213347 0.148179 0.180023 0.214614 0.252323 0.293592 0.196131 0.241511 0.292221 0.349259 0.413887 0.262232 0.329058 0.40681 0.498407 0.607908 0.356529 0.459883 0.587647 0.749628 0.961696
Para realizar la carta psicométrica se tomo un intervalo 10 al 90% de humedad, por lo que el 100% corresponde a la humedad absoluta de saturación.
Para obtener el calor húmedo:
Curvas de Saturación Adiabática
Para obtener el valor de la curva de saturación se utiliza la siguiente expresión:
Donde:
Temperatura del gas
Temperatura de saturación (a una Y’as dada). Humedad de saturación.
Humedad a .
Calor latente de vaporización. Calor húmedo a Y’1
% 100 ) ( * ' G W R W Y g H t t k h Y
De esta ecuación lo único que se desconoce es el valor del calor latente de vaporización λas a cada temperatura de saturación adiabática por lo que es necesario consultar la
literatura. Donde:
hG/kY (J/Kg K) 950
Esta secuencia se realiza para cada temperatura Tabla de valores de λa en J/ Kg tG (°C) λw (J/Kg) 5 2489618 10 2477756 15 2465894 20 2454265 25 2442403 30 2430541 35 2418679 40 2406817 45 2394723 50 2382861 55 2370766 60 2358439 65 2346112 70 2333785 75 2321225 80 2308665
La siguiente tabla muestra las humedades obtenidas para cada valor de temperatura dado , que va de 5°,10°,15°……….80° C tw = 5°C tw = 10°C tw = 15°C tw = 20°C tw = 25°C tw = 30°C tw = 35°C tw = 40°C Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) Y' (Kg agua/Kg aire) 0.00703 5 0.01186 4 0.01775 1 0.02502 1 0.0341 0.04554 4 0.06009 6 0.07876 5 0.00512 7 0.009947 0.015825 0.023086 0.032155 0.043589 0.058132 0.076792 0.00321 9 0.00803 0.013898 0.02115 0.03021 0.041635 0.056168 0.074818 0.00131 1 0.006113 0.011972 0.019215 0.028265 0.039681 0.054204 0.072844
-0.0006 0.00419 6 0.01004 6 0.01728 0.02632 1 0.03772 6 0.05224 0.07087 1 -0.0025 0.002279 0.008119 0.015344 0.024376 0.035772 0.050276 0.068897 -0.00441 0.000362 0.006193 0.013409 0.022431 0.033818 0.048312 0.066924 -0.00632 0.00156- 0.004267 0.011473 0.020486 0.031864 0.046348 0.06495 -0.00823 0.00347- 0.002341 0.009538 0.018541 0.029909 0.044385 0.062977 Calculo de Volumen Húmedo Saturado (VH)
' 1 s H B A T Y RT V M M P
Y’S= Humedad de saturación. (kg vapor de agua/kg de aire seco)
PT= Presión total. (Pa)
T= Temperatura ala cual se va a calcular el volumen. (°K) R= Constante de los gases. (m3Pa/kmolK)
MA= Peso molecular del agua. (kg/kmol)
MB= Peso molecular del aire. . (kg/kmol)
A una temperatura (30°C): 3 _ sec 1 0.03592 (8.314)(303.15) 1.18451 28.851 18.015 77993.6 H aire o m V kg tG (°C) VH sat. (m3/Kg aire seco) 5 1.03462722 10 1.058111156 15 1.083538104 20 1.11156585 25 1.143061959 30 1.179184094 35 1.221493584 40 1.272132831 45 1.334149275 50 1.411946399 55 1.512249004 60 1.6457785 65 1.830956154 70 2.102154153 75 2.532260168
80 3.307510855
Calculo Volumen de Aire Seco (Vas)
1 as B T RT V M P A una temperatura (30°C): 3 _sec 1 (8.314)(303.15) 1.1201 28.851 77993.6 as aire o m V kg tG (°C) VH gas seco (m3/Kg aire seco) 5 1.023056373 10 1.041456668 15 1.059856962 20 1.078257257 25 1.096657551 30 1.115057846 35 1.13345814 40 1.151858435 45 1.170258729 50 1.188659024 55 1.207059318 60 1.225459613 65 1.243859907 70 1.262260201 75 1.280660496 80 1.29906079
Calculo de Entalpia de Aire Saturado (H’s)
o aire Kg KJ s H Y t Y s H S G S sec / 9914 . 121678 ) 03577 . 0 )( 2502300 ( ) 30 ))( 03577 . 0 )( 1884 ( 1005 ( ' ) )( 2502300 ( )) )( 1884 ( 1005 ( ' ' ' tG (°C) H´S (KJ/Kg aire
seco) tG (°C) H´seco)S (KJ/Kg aire
5 22695.26558 45 270590.8786
15 50245.48162 55 465109.5895 20 68905.69365 60 618274.4992 25 92226.5377 65 835933.3763 30 121684.426 70 1160603.034 35 159252.7671 75 1682440.072 40 207619.4857 80 2631798.99
De acuerdo a los datos de temperatura obtenidos diariamente, el mes mas caliente, en este periodo, fue el de Agosto y el mes mas húmedo es el de Octubre, por lo cual, estimando la temperatura de bulbo húmedo de diseño de acuerdo a las condiciones climáticas impuestas tenemos un valor aproximado de 20ºC, la cual nos impone una temperatura máxima de enfriamiento para la instalación de la torre.
CONCLUSIÒN
La Psicrometría, la cual puede considerarse una ciencia, interviene de manera importante en los procesos industriales, ya que por medio de ésta y con ayuda de la carta psicrométrica puede ayudarnos a decidir si montar o no una torre de enfriamiento, regular la calefacción o el tipo de aire acondicionado en un edificio.
En la cuidad de México, específicamente en la cuidad de Cuautitlán Izcalli, por medio de las temperaturas registradas a lo largo de estos tres meses, es posible montar una torre de enfriamiento, donde el refrigerante sea el aire mismo, ya que se tienen buenas temperaturas en el ambiente durante estos meses así que podemos llevar a un
enfriamiento óptimo para los servicios requeridos en el LEM. Un ejemplo de una mala decisión sería en zonas áridas o muy húmedas, debido a que las temperaturas mínimas tienden a exceder de los 30ºC, la cuál nonos serviría de mucho, entonces es ciando se debe utilizar otro tipo refrigerante, por ejemplo gases o químicos especiales.
Como conclusión final decimos que las condiciones en el LEM (ambientales) son las óptimas para utilizar la torre de enfriamiento con el aire como refrigerante.
BIBLIOGRAFIA.
Perry R. H., y col., Manual del Ingeniero Químico, 5a edición, Editorial Uteha, México 1997.
Smith, Van Ness y Abbott, Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, 6a edición, Editorial McGraw-Hill, México 2006.
Treybal R. E., Operaciones de Transferencia de Masa, 2a edición, McGrawn Hill, México 1998.
