2. Explique que es: A) Vapor saturado. saturado. El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de un estado liquido a uno gaseoso. A un nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones (ej. Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas. B) Vapor sobrecalentando. El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calders de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión. C) La calidad de un vapor. Es la fracción másica de vapor, x (también llamada "calidad de vapor" o título de vapor; lo de calidad se refiere al interés práctico de conseguir vapor puro, sin gotitas de líquido), Y que se define por:
= + í D) Cantidad de energía requerida en un proceso reversible (presión y temperatura constantes) de evaporación (o condensación) por unidad de masa líquida (o vapor). Se mide en J/g (4'18julios=1caloría) 3. En base a la ecuación general de energía deduzca la expresión representativa del balance de energía para un intercambiador de calor.
+ + = +
4. Elabore una tabla que contenga los renglones y columnas necesarias para vaciar en ellas los datos experimentales indispensables para realizar los balances de materia y energía.
Temperaturas T1 T2 t1 t2
C
1 2
Temperaturas Experimentales. Corrida 1 [°C] Corrida 2 [°C] Corrida 1 [°F]
Fluido
Caliente Frío Caliente Frío
Datos Experimentales. Volumen [mL] Tiempo [s]
Corrida 2 [°F]
Flujo Volumétrico [
]
5. ¿Cuáles son las propiedades fisicoquímicas que necesita evaluar y cómo lo hace (gráficas, fórmulas y nomogramas)? Flujo másico, presión, densidad, temperatura, entalpia, etc Por ejemplo: Si se especifica el valor de temperatura, se puede buscar valores de volumen específico, energía interna, entalpía y la presión de vapor que corresponde a la T. Las tablas de vapor sobrecalentado, muestran valores tanto para el agua líquida como para el vapor. Si se desea determinar entalpía para el agua a una temperatura y presión se pueden calcular de la siguiente forma: (1) buscar el valor de energía interna y de volumen específico para el líquido saturado a la T específica en la tabla de propiedades del vapor saturado donde consideramos estos valores independientes de la P y se calcula H (P, T) = U + PV. Además si la presión no es muy grande se puede despreciar la corrección PV y utilizar la entalpía del líquido saturado. También se utilizan los diagramas de flujo apropiadamente trazado y etiquetado es esencial, debe incluir toda la información que se necesita para determinar la entalpía específica de cada componente del flujo, y las presiones y temperaturas conocidas. Si el balance es un sistema con reacción química, se debe presentar los estados de agregación. Además podemos usar el diagrama de Mollier, donde se determina la entalpía y entropía a partir de la temperatura y presión, existen para pocas sustancias y el más utilizado es el de vapor saturado de agua.
1.- Dibuje el diagrama de flujo del secador rotatorio.
2. Tomando como base el diagrama de flujo de secador rotatorio obtenga:
a) Balance de agua.
Donde:
+ = +
= ó
= ó ℎ
= ℎ
2 =
− = −
b) Balance total de materia.
++=++
a) El balance de aire seco
=ℎ −
También con base al diagrama de flujo del secador rotatorio, obtenga: b) En el secador rotatorio
Donde “ m”
+ = 0 = ̇ − = ̇ −
va a ser el flujo másico.
c) En el intercambiador de calor
+ = 0
= ̇ − Se obtiene de tablas
= ̇ − La encontramos de Carta psicométrica d) En todo el sistema
+ = + = − = 0
3. Con base a los incisos anteriores, construya una tabla de datos experimentales donde se indiquen las variables a medir, que se necesiten para la solución del balance.
Líneas Vapor
P( kg/cm3)
V(L)
Tiempo (s)
✓
--
--
--
--
--
Condensado
--
✓
✓
--
--
--
Aire del intercambiador Aire salida del intercambiador Aire entrada en el secador Aire seco del secador Solido húmedo
--
--
--
✓
--
--
--
--
--
✓
--
--
✓
--
--
✓
✓
--
--
--
✓
--
--
--
--
✓
✓
--
✓
--
--
--
✓
--
✓
Solido seco
Temp (°C) ΔH (inHg)
✓
Masa (gr)
4 Si una mezcla gaseosa tiene una temperatura de bulbo seco (Tbs) de 27°C, una temperatura húmeda de vulva húmedo (Tbh) de 12°C y la presión barométrica es de 585mm de Hg determine: a) Húmeda absoluta Se determinó a partir de la carta psicométrica, el valor es 0.006Kg agua/Kg As. b) Húmeda molar
=
Donde: HM = H =
Humedad molar.
Humedad absoluta (el valor se obtiene de la gráfica psicométrica).
MB =
Peso molecular de aire.
MA =
Peso molecular de agua.
Sustituyendo los valores: HM =
(0.006) (28.97/18.02) = 9.6459 x 10-03 Kmol agua/Kmol aire seco.
c) Volumen húmedo
= 0.00283+0.00456+273
= Volumen húmedo. H = Humedad (el valor se obtiene de la gráfica psicométrica) Tbs = Temperatura de bulbo seco. Sustituyendo valores: VH
= 0.00283 + 0.00456 0.006 573 = 1.63723/.
d) Húmeda relativa Se obtiene de la gráfica psicométrica donde vale 20% e) Húmeda porcentual 18 %, se establece a partir de la carta psicométrica f) Entalpia Determinado por la carta psicométrica, 104KJ/Kg As g) Calor húmedo Cp, permanece constante a intervalos pequeños de T y P por lo que se considera que los incrementos son pequeños, por lo tanto se toma el Cp a 1 atm.
=+
Donde: Cs = Calor húmedo CB = Calor específico del aire. H = Humedad. CA = Calor específico del agua.
= 1005 + 1884 0.006 = 1016.34 / °
5 Calcule la cantidad de calor requerida para calentar 300Kg/h de aire, con Tbs = 27°C Tbh = 12°C hasta una temperatura de 80°C q (G / s) * (Cs) * (T ) /
G s
masa de aire seco
Cs calor húmedo T
Kg h
J kg
ºC
80 27ºC 53
º C
G / s 300
kg
Cs 0.285
h
1 0.003103 299.068
kg h
J kg º C
q 299.068
J J 4517.43 * (53 º C ) * 0.285 h kg º C h
kg
1. ¿Por qué el agua se enfría en una torre de enfriamiento? Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento
ocurre
a
través
de
una
pared.
En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. En las torres se colocan deflectores o eliminadores de niebla que atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la posible pérdida de agua. El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas
para
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 de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre. El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares. Cuando el agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de sí misma el calor que necesita, esto origina que el agua se enfríe y por lo tanto que su temperatura disminuya.
2 ¿Cómo se mide la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de bulbo seco? Medición de la humedad. Psicrometría. El instrumento que se utiliza en la práctica de aire acondicionado y calefacción para medir la humedad es el psicrómetro. El mismo consta de dos termómetros idénticos en o referente a graduación y precisión, montados en un soporte común.El bulbo de uno de ellos está recubierto por un liencillo mojado con agua y se denomina termómetro húmedo. El otro es un termómetro común que mide la temperatura y se le denomina termómetro seco. Girando los dos termómetros a la misma velocidad (psicrómetro derevoleo) o haciendo pasar una corriente de aire a una velocidad definida por algún otro método, siempre que el aire del ambiente no esté saturado, el termómetro húmedo irá bajando su temperatura hasta un cierto valor y luego quedará estacionario. Esta temperatura que se lee en el termómetro húmedo se denomina temperatura de bulbo húmedo (TBH). Por el contrario, la temperatura que se lee en el termómetro seco es la temperatura de bulbo seco (TBS)·Esa disminución de temperatura del bulbo húmedo se produce por efecto de la evaporación del agua del liencillo que se agrega al aire del ambiente. Para la evaporación del agua requiere calor latente que aporta la misma masa del agua en forma de calor sensible, disminuyendo su temperatura. De esamanera se infiere que todo proceso de vaporización implica una acción de enfriamiento del líquido. Como el calor de vaporización es igual al calor sensible, a estos procesos se los denomina adiabáticos, o sea a calor constante. La cantidad de agua evaporada está en función de la capacidad del aire circulante de absorber humedad, o sea, dependerá del tenor de humedad que contenga.Si el aire del ambiente estuviese saturado, no admite más humedad, por lo tanto, no se produce la vaporización del agua delliencillo, por lo que ambos termómetros, el seco y el húmedo indicarán el mismo valor. A esta temperatura en
particular del aire saturado se la denomina punto de rocío o temperatura de puntode rocío(TpR). O sea: TBS = TBH = TpR 3 ¿Cómo se utiliza la carta psicométrica para determinar la humedad y entalpia en una mezcla de vapor-gas?
La carta psicométrica no es más que un método gráfico que nos ayuda a ejecutar balances de materia y de energía en las mezclas aire-vapor de agua. Su estructura básica consiste en un conjunto de coordenadas humedad
ℋ-
temperatura junto con los siguientes parámetros adicionales:
Humedad relativa constante indicada por ciento.
Volumen mojado constante (volumen húmedo).
Lías de enfriamiento adiabático, que son las mismas (sólo para vapor de agua) que las líneas de bulbo húmedo o psicométricas.
La curva de 100% de humedad relativa (idéntica a la de 100% de humedad absoluta), es decir, la curva de aire saturado.
Si conocemos dos valores cualesquiera, podemos localizar la condición airehumedad en la carta y determinar los demás valores asociados. Cabe señalar que las condiciones de referencia para la carta de humedad son agua líquida a 0°C y 1 atm (no la presión de vapor del agua) para el agua y 0°F y 1 atm para el aire. La carta solo es útil en condiciones atmosféricas normales, y debe modificarse si la presión difiere significativamente de 1 atm.
Humedad en una mezcla de vapor-gas.
Suponiendo que una determinada corriente de aire no saturado tiene una temperatura
T y un porcentaje de humedad ℋ. El punto a representa este aire
en la gráfica y corresponde a la intersección de la línea de la temperatura constante para
T con la línea de porcentaje d humedad constante para ℋ. La
humedad del aire viene dada por el punto b, que es la coordenada de humedad del punto a.
Entalpía en una mezcla de vapor-gas.
La entalpía (relativa) de una mezcla vapor-gas es la suma de las entalpías (relativas) del contenido en gas y en vapor. La entalpía
H para una mezcla puede ′
aumentarse incrementado la temperatura a humedad constante; o elevando las dos. La entalpía se puede determinar en la carta psicométrica leyéndola directamente de esta, el valor dado es una entalpía relativa.
Así mismo, cuando la entalpia no está escrita en la carta psicrométrica se puede obtener de la siguiente manera: se determina tanto el valor de la entalpia de aire seco como la entalpía de aire saturado e interpolamos tomando en cuenta la humedad de la mezcla.
4. Dibuje el diagrama de flujo de la torre de enfriamiento indicando válvulas e instrumentos requeridos para realizar la experimentación y lleve a cabo las actividades de los siguientes incisos:
a) Realice el balance total de agua en la torre El balance total de agua para la torre de enfriamiento es el siguiente:
entrada F Agua entra en F + Agua entra en F + 1 +humedad humedad entrada salida en F = Agua sale en F + 1 +humedad humedad salida + Agua de arrastre + Agua que se purga b) Realice el balance de dureza de agua El agua que está siendo enfriada en la torre sigue un proceso de circulación en el cual el mismo fluido pasa por el equipo varias veces, generando así concentración de sales no solubles, es decir, el agua adquiere cierta dureza. Para evitar esto, se abre una válvula de purga en donde se desecha el agua con exceso de sales insolubles. Por lo tanto, el balance de materia en el agua no es posible ya que esta propiedad se mantiene constante gracias a la entrada de agua de reposición.
c) Escriba la ecuación de carga térmica de la torre Para poder escribir la ecuación de carga térmica de la torre, es decir, el calor que el agua cede al agua es necesario emplear un balance de energía.
( + + 12 ) −( + + 12 ) + − =++ 12 Considerando: El Se
sistema
es
desprecia
estacionario: la
energía
++ = 0 , = 0 cinética:
Se
desprecia
la
energía
El sistema está a volumen constante:
potencial:
=0
, = 0
La ecuación de carga térmica es de la siguiente forma:
− = − Obtenemos lo siguiente:
= − Dado que desconocemos la entalpía específica del agua, se usa la capacidad calorífica de esta a presión constante, la ecuación es:
= ∆ d) Realice el balance de entalpia Al igual que para la carga térmica se usa un balance de energía y así se determina el balance de entalpía del aire:
( + + 12 ) −( + + 12 ) + − =++ 12 Considerando:
++ = 0 , = 0 Se desprecia la energía cinética: , = 0 Se desprecia la energía potencial: El sistema está a volumen constante: = 0 El
sistema
es
estacionario:
El balance de entalpía del aire es:
− = − Obtenemos lo siguiente:
= − = ∆
e) Indique las variables a medir para poder efectuar los balances de materia y energía Las variables a medir durante la experimentación para poder llevar a cabo los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento son: Temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento.
Temperatura de bulbo seco del aire a la entrada y la salida de la torre de enfriamiento.
Temperatura del agua a la entrada y la salida de la torre de enfriamiento.
Flujo másico de aire y de agua que circula por la torre de enfriamiento.
Flujo másico de agua que sale de la válvula de purga de la torre de enfriamiento.
Flujo másico de agua de reposición que entra a la torre.
Algunas de estas variables proporcionaran más datos para resolver el balance de materia y energía correspondiente. Bibliografía.
Warren L. Mc. Cabe / Julian C. Smith. Operaciones Básicas de Ingeniería Química, Editorial Reverté, 1998 Valiente Antonio, Rudi Primo Stivalet. Problemas de Balance de Energía, Editorial Alambra Mexicana, 1987.
