Report IV: Air conditioning in industrial processes Informe IV: Acondicionamiento de aire en procesos industriales ROJAS, Nicolás; REYES, David; FORERO, Jorge; BAENA, Alexander Laboratorio de Operaciones de separación, reacción y control. Grupo C Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Universidad Nacional de Colombia RESUMEN En la industria química usualmente se requiere el uso de aire debido a sus bajos costos de procesamiento. Se estudió la posibilidad de acondicionar aire atmosférico en la ciudad de Bogotá hasta 65°C y 5% de humedad relativa, utilizando un equipo de secado directo, obteniendo que no es posible realizar este procedimiento debido principalmente a las condiciones de alta humedad con las que se encuentra el aire en esta ciudad. Se estudió además la posibilidad de enfriar agua con aire atmosférico, desde 38°C hasta 20°C, aunque al final el proceso se desarrolló desde 42°C hasta 38°C, obteniendo que es posible llevar a cabo este proceso con el equipo de secado directo. Palabras clave: Acondicionamiento de aire, enfriamiento, humidificacion, humedad relativa, humedad absoluta. ABSTRACT In the chemical industry, air is usually required because of its low processing costs. It was studied the possibility of conditioning atmospheric air in the city of Bogota up to 65 ° C and 5% relative humidity, using a direct drying equipment, obtaining that it is not possible to perform this procedure mainly due to the conditions of high humidity with which Is the air in this city. It was also studied the possibility of cooling water with atmospheric air, from 38 ° C to 20 ° C, although in the end the process developed from 42 ° C to 38 ° C, obtaining that it is possible to carry out this process with the equipment of Direct drying. Keywords: Air conditioning, cooling, humidification, relative humidity, absolute humidity.
Objetivos específicos:
Objetivos Objetivo principal -
-
Determinar la viabilidad de un proceso de acondicionamiento de aire atmosférico en la ciudad de Bogotá, hacía condiciones de 65°C y humedad relativa de 5%, por medio de una humidificación y un calentamiento. Utilizar el equipo de secado directo como un modelo piloto para la obtención de las condiciones de enfriamiento de agua desde 38°C hasta 20°C con aire atmosférico.
1
-
Determinar las condiciones de saturación del aire con el equipo de secado directo, realizando un ensayo sin alimentar aire fresco, y otro ensayo alimentando aire fresco.
-
Realizar una propuesta adicional para el acondicionamiento de aire a las condiciones esperadas por el cliente, mencionadas previamente.
-
Analizar el comportamiento que ocurre en el proceso de enfriamiento, en cuanto al favorecimiento de condensación de humedad, o de difusión de agua en el aire.
-
Observar el comportamiento términos económicos del proceso enfriamiento en el secado directo, comparación con otro tipo enfriamiento.
en de en de
-
Realizar el balance de energía del proceso de enfriamiento de agua propuesto.
altitud, la humedad y las condiciones geográficas. Al nivel de mar, la temperatura estándar es de 59°F. La presión barométrica estándar es 14,7 psia y cambia con respecto a la altitud siguiendo la ecuación 1: 𝑝 = 14,696 ∗ (1 − 6,8754𝐸 − 06 ∗ 𝑍)5,2559 [1] La presión de saturación del vapor de agua es requerida para determinar propiedades del aire húmedo. La ecuación 2 permite calcular esta presión de saturación con un porcentaje de error admitido por la IAPWS (International Association for the Properties of Water and Steam), para un rango de temperatura de 32 hasta 392°F (ASHRAE, 2013).
Introducción La psicrometría usa propiedades termodinámicas para analizar las condiciones y los procesos que involucran aire húmedo. El aire atmosférico contiene varios componentes gaseosos como vapor de agua y contaminante. El aire seco es aire atmosférico con el vapor de agua y los contaminantes removidos. Su composición es relativamente constante, pero algunos cambios en las composiciones de algunos componentes pueden ocurrir con tiempo, locación geográfica y altitud. Harrison (1965) muestra la composición típica de aire seco en porcentaje volumen, como se muestra en la tabla 1.
ln(𝑃𝑊𝑆 ) =
Donde los valores C8-C13 se reportan en la tabla 2.
Tabla 1. Composición del aire. Componente
Porcentaje Volumen
Nitrógeno
78,0840
Oxígeno
20,9476
Argón
0,9340
Neón
0,0018
Helio
0,0005
Metano
0,0002
Dióxido de azufre
0,0001
Dióxido de carbono
0,0379
Otros componentes
Remanente
𝐶8 + 𝐶9 + 𝐶10 𝑇 + 𝐶11 𝑇 2 + 𝐶12 𝑇 3 𝑇 + 𝐶13𝑙𝑛𝑇 [2]
Tabla 2. Valores para ecuación 2. Nombre
Valor
C8
-1,04E+04
C9
-1,13E+01
C10
-2,70E-02
C11
1,29E-05
C12
-2,48E-09
C13
6,55E+00
Al asumir que el aire húmedo es una mezcla de gases perfectos independientes, cada uno puede asumir la ecuación de estado para gases ideales, como sigue:
El aire húmedo, por su parte, es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor de agua varía desde cero hasta un máximo que depende de la temperatura y la presión. La saturación es un estado de equilibrio entre el aire húmedo y una fase de agua condensada (sólida o líquida).
𝑝𝑑𝑎 𝑉 = 𝑛𝑑𝑎 𝑅𝑇 [3] 𝑝𝑤 𝑉 = 𝑛𝑤 𝑅𝑇 [4] Donde la ecuación 3 pda es la presión parcial del aire, nda es el número de moles de aire seco, y en la ecuación 4 nw es el número de moles de vapor
La temperatura y la presión barométrica del aire atmosférico varía considerablemente con la 2
de agua y pw es la presión parcial del agua. La mezcla a su vez obedece la ecuación de gases ideales:
temperatura de mezclado. aproximación (ASHRAE, 2013):
Como
una
ℎ𝑑𝑎 ≈ 0,2400𝑡 [14] 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 [5]
ℎ𝑔 ≈ 1061 + 0,444𝑡 [15]
(𝑝𝑑𝑎 + 𝑝𝑤 )𝑉 = (𝑛𝑑𝑎 + 𝑛𝑤 )𝑅𝑇 [6]
Donde t es la temperatura de bulbo seco en °F. A través de estas aproximaciones, la entalpía específica del aire húmedo es:
o, De las ecuaciones 3 a 6, las fracciones molares de aire seco y vapor son, respectivamente: 𝑝𝑑𝑎 𝑝𝑑𝑎 [7] 𝑥𝑑𝑎 = = 𝑝𝑑𝑎 + 𝑝𝑤 𝑝 𝑝𝑤 𝑝𝑤 𝑥𝑤 = = [8] 𝑝𝑑𝑎 + 𝑝𝑤 𝑝
ℎ = 0,240𝑡 + 𝑊(1061 + 0,444𝑡)[16] Para cualquier estado de aire húmedo, existe una temperatura t* a la cual el líquido se evapora dentro del aire para llevar a este a la saturación a la misma temperatura y presión total. Durante una saturación adiabática, el aire saturado es llevado a una temperatura igual a la del agua agregada. En esto proceso isobárico:
La relación de humedad W o el contenido de humedad o la humedad absoluta de una muestra de aire húmedo se define como la relación entre la masa de vapor respecto a la masa de aire seco en la muestra:
𝑀𝑤 [9] 𝑊= 𝑀𝑑𝑎
W se puede convertir a fracciones molares si se multiplica por la relación de las masas moleculares: 𝑊=
18,02 𝑥𝑤 𝑥𝑤 ∗ = 0,6220 ∗ [10] 28,97 𝑥𝑑𝑎 𝑥𝑑𝑎
La humedad absoluta aumenta de un valor inicial W hasta WS*, correspondiente a la temperatura de saturación t* La entalpía aumenta de un valor h hasta un valor hs*, que corresponde a la temperatura de saturación t*.
Por lo tanto, si el proceso es estrictamente adiabático, la conservación de entalpía a una presión constante requiere que:
A partir de las ecuaciones 7, 8 y 10, se puede determinar la humedad absoluta en términos de presiones parciales, como se muestra: 𝑝𝑤 [11] 𝑊 = 0,6220 𝑝 − 𝑝𝑤
∗ ℎ + (𝑊𝑠∗ − 𝑊)ℎ𝑤 = ℎ𝑠∗ [17]
Esta ecuación es exacta porque define la temperatura de bulbo húmedo. Sustituyendo la ecuación 16 en 17 para h, al igual que el correspondiente hs*, junto a la relación aproximada para agua saturada líquida:
Para humedad absoluta de saturación: 𝑝𝑤𝑠 [12] 𝑊𝑠 = 0,6220 𝑝 − 𝑝𝑤𝑠 La entalpía de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las entalpías individuales de los componentes. Por lo tanto, la entalpía específica de aire húmedo puede escribirse como:
∗ ℎ𝑤 = 𝑡 ∗ − 32 [18]
ℎ = ℎ𝑑𝑎 + 𝑊ℎ𝑔 [13]
Se obtiene un valor adecuado para la humedad absoluta, en función de la temperatura de bulbo seco, y la temperatura de bulbo húmedo:
Donde hda es la entalpía específica para aire seco y hg es la entalpía específica para vapor saturado a la 3
𝑊=
y/o trabajo de eje es igual a la diferencia entre la velocidad a la cual las cantidades de entalpía, energía cinética y energía potencial son transportadas fuera y dentro del sistema.
(1093 − 0,556𝑡 ∗ )𝑊𝑠∗ − 0,240(𝑡 − 𝑡 ∗ ) [19] 1093 + 0,444𝑡 − 𝑡 ∗
El grado de saturación µ es la relación de la humedad absoluta W con la humedad absoluta de saturación del aire húmedo WS a la misma temperatura y presión:
µ=
En los procesos químicos, el trabajo en eje y los cambios de energía cinética y potencial tienden a ser despreciables frente al calor intercambiado y los cambios de energía interna y entalpía. Es por esto, que el balance de energía se reduce a:
𝑊 [20] 𝑊𝑆
𝑄 ′ = ∆𝐻 ′ [25]
La humedad relativa es la relación de las fracciones molares de vapor xw en una muestra de aire húmedo xws con presión y temperatura constantes: 𝑥𝑤 [21] 𝛷= 𝑥𝑤𝑠
Metodología y diagrama del proceso. Descripción del equipo: El equipo de secado directo cuenta con una cámara de secado, una balanza para medir las pérdidas de humedad, un tablero de control y una recámara de homogenización. Para esta práctica únicamente se empleará el tablero de control y la recámara de homogenización. Esta recámara puede trabajar de dos maneras: la primera de ellas es saturando el aire con humedad, para lo cual se llena la cámara hasta un volumen determinado de agua y a través de unos aspersores se humidifica el aire. La segunda manera de trabajar con este equipo es realizar un calentamiento de aire, sin humedecer el mismo. La figura 1 muestra algunas de las dimensiones de esta recámara.
Y al realizar algunas sustituciones entre ecuaciones ya vistas, se encontrará que:
𝛷=
µ
[22] 𝑝 1 − (1 − µ) ( 𝑤𝑠 ) 𝑝
El balance de energía para un sistema abierto en estado estacionario, se define como entrada=salida. Esto puede ser expresado a través de: ∑ 𝐶𝑡𝑒𝑠. 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝐸´𝑗𝑜𝑢𝑡 −
∑
𝐸´𝑗𝑖𝑛
𝐶𝑡𝑒𝑠. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ′
= 𝑄´ + 𝑊 [23] Donde E’j representa la velocidad total de energía transportada por la corriente de entrada o salida j y Q’ y W’ se definen como velocidad de entrada de calor al sistema y velocidad de producción de trabajo por los alrededores sobre el sistema. Esto también puede ser descrito como: Figura 1. Vista superior recámara. Dimensiones para volumen de agua contenido.
∆𝐻 ′ + ∆𝐸𝐶′ + ∆𝐸𝑃′ = 𝑄 ′ + 𝑊𝑆 [24] Esta ecuación establece que en un sistema abierto en estado estacionario, la velocidad neta a la cual la energía es transferida a un sistema como calor 4
Descripción del procedimiento: La práctica se dividió en dos sesiones, una el día martes 28 de febrero de 2017 y la otra el 7 de marzo de 2017. Inicialmente se esperaba trabajar con el equipo de humidificación disponible en la planta piloto, sin embargo, este equipo no se encuentra en funcionamiento actualmente, así que como plan de contingencia se decidió utilizar el equipo de secado directo, el cual cuenta con una recamara en la que se puede humidificar el aire.
Para la segunda sesión, también se trabajó con el equipo de secado directo, pero en este caso para acondicionar el agua de proceso, a través de un enfriamiento con aire. Se calentó el agua y por problemas con la termocupla se inició desde 42°C. Posteriormente se inició la alimentación de aire atmosférico y se observó la disminución en la temperatura del agua. Listado de empleados:
En la primera sesión se analizaron las variables del equipo, ya que no se había realizado una preparación previa de su operación. Posteriormente se evaluó la viabilidad del proceso a realizar, dadas las condiciones atmosféricas del aire ese día, midiendo las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo que se alimentaban al sistema. Posteriormente se inició el calentamiento de aire hasta 65°C sin humidificar, midiendo su TBulbo húmedo. Luego se realizó un segundo ensayo en el que se deseaba medir la saturación que lograba el aire con el equipo de secado directo con el alimento de aire atmosférico constante. Por último, se desarrolló un ensayo para determinar la saturación del aire, pero sin alimentar aire atmosférico al sistema, es decir realizando un reciclo permanente.
materiales
y
reactivos
Para esta práctica no se emplearon reactivos, salvo el agua de proceso contenida en la recámara del equipo y el aire tomado de la atmósfera. Los materiales empleados se presentan en la tabla 3. Tabla 3. Materiales empleados en la práctica. Materiales empleados Anemómetro Cascos de seguridad Guantes de carnaza Termómetro Algodón
Tabla de datos Para la primera sesión los resultados obtenidos se presentan en la tabla 4. Los datos tomados en la segunda sesión se reportan en la tabla 5.
9:17am
Tabla 4. Datos tomados martes 28 febrero 2017. Hora Descripción TBulb TBulbo Velocida o seco húmed d del o aire 8:30am Condiciones 16°C 14,5°C aire atmosférico 8:37am Calentamient 65°C 27°C 0,086 o de aire m/s
9:58am
9:46am
10:08a m
10:18a m
5
Saturación de aire. Con alimentación aire fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin
65°C
32°C
0,085m/ s
65°C
35°C
-
65°C
36°C
0,086m/ s
65°C
36°C
-
65°C
36°C
-
10:28a m
alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco
65°C
36°C
Posterior a esto se calcula la humedad absoluta de saturación, tanto para el bulbo húmedo como para el bulbo seco empleando la ecuación 12. Para el bulbo seco:
-
𝑊𝑠 = 0,6220 ∗
Tabla 5. Datos tomados martes 7 marzo 2017. Hora Tagua TBulbo TBulbo Velocidad húmedo seco aire (°C) (°C) (ft/min) 8:38am 42 21 22 1380 9:11am 33 19,5 21 1205 9:23am 31,3 19 22 1258 10:04am 26 19 22 1317 10:26am 24,3 19,5 22,5 1156 10:48am 23 19,5 22,5 1186
Se calcula la humedad absoluta a través de la ecuación 19: 𝑊 (1093 − 0,556 ∗ 60,8) ∗ 0,0142 − 0,240(60,8 − 58,1) 1093 + 0,444𝑡 − 𝑡 ∗ 𝒌𝒈𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅 [33] = 𝟎, 𝟎𝟏𝟑𝟔 𝒌𝒈 𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒐 =
Se calcula el grado de saturación por medio de la ecuación 20:
Muestra de cálculos.
µ=
Se requiere calcular la humedad relativa y la humedad absoluta. Para el dato de temperatura tomado a las 8:30am en la tabla 4:
𝑊 0,0136 = = 0,87 [34] 𝑊𝑆 0,0157
Se calcula además la humedad relativa, por medio de la ecuación 22:
1𝑓𝑡 𝑍 = 2600𝑚 ( ) = 8530,18𝑓𝑡 [26] 0,3048𝑚
𝛷=
0,87 1 − (1 − 0,87) (
Aplicando la ecuación 1:
0,26 ) 10,70
∗ 100 = 𝟖𝟔, 𝟗𝟎% [35]
Para realizar el balance de energía del sistema, en primer lugar, se requiere calcular la entalpía específica del agua presente en el tanque. Para esto, en primer lugar se regresó la siguiente función para el calor específico del agua en el intervalo de trabajo, con datos tomados de Aspen properties:
𝑝 = 14,696 ∗ (1 − 6,8754𝐸 − 06 ∗ 8530,18)5,2559 = 10,70 𝑝𝑠𝑖 [27]
Se convierten las temperaturas de °C a °R: 𝑇𝐵𝑢𝑙𝑏𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 = 16°𝐶 = 60,80°𝐹 = 520,47°𝑅 [28] 𝑇𝐵𝑢𝑙𝑏𝑜 𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜 = 14,5°𝐶 = 58,1°𝐹 = 517°𝑅 [29]
𝐶𝑝 = 4018,3 + 4,0279 ∗ 𝑇 [36] 𝐽/𝑘𝑔
Se requiere calcular la presión de saturación para la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo aplicando la ecuación 2. Para el bulbo seco: ln(𝑃𝑊𝑆 ) =
0,24 10,70 − 0,24 𝑘𝑔ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 [32] = 0,0157 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
Sabiendo que la entalpía específica del agua es: 42+273
ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 = − ∫
𝐶8 + 𝐶9 + 𝐶10 ∗ 520,47 + 𝐶11 520,47 ∗ 520,472 + 𝐶12 ∗ 520,473 + 𝐶13 ∗ 𝑙𝑛520,47 [30]
23+273
𝐶𝑝 𝑑𝑇 = −𝟗𝟗𝟕𝟐𝟕
𝑱 [37] 𝒌𝒈
Debido a que no se presenta un cambio de fase. Posterior a esto, se desea encontrar la cantidad de agua presente durante el proceso, así que con los
𝑷𝒘𝒔 = 𝟎, 𝟐𝟒𝒑𝒔𝒊𝒂 [𝟑𝟏]
6
datos presentados en la figura 1, y sabiendo que el nivel del agua fue de 8,7cm:
𝑉=
𝑄 1846 = = 13,99𝑚3 𝐴𝑖𝑟𝑒 [44] 𝑡 132
Multiplicando este valor por la densidad del aire, se obtiene:
𝑉 = [(25𝑐𝑚 ∗ 29𝑐𝑚) + (59𝑐𝑚 ∗ 64𝑐𝑚)] ∗ 8,7𝑐𝑚 = 39158,7 𝑐𝑚3 = 0,0392𝑚3 [38]
𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑉 = 12,43 𝑘𝑔 𝐴𝑖𝑟𝑒 [45] Y luego multiplicando este volumen por la densidad calculada a la temperatura a la que se tomaron los datos:
La entalpía del aire se calcula a través de: 𝐻𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ (ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑜𝑢𝑡 − ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑖𝑛 ) = 𝟖𝟐, 𝟖𝟗 𝑲𝑱 [46]
𝑘𝑔 𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑉 = 0,0392 𝑚3 ∗ 995,42 3 𝑚 = 𝟑𝟖, 𝟗𝟖 𝒌𝒈 𝑨𝒈𝒖𝒂 [39]
Finalmente se calcula el balance de energía siguiendo la ecuación 25:
Por lo que la entalpía del agua queda finalmente: 𝐻𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑸 = ∆𝑯 = 𝑯𝒂𝒊𝒓𝒆 + 𝑯𝒂𝒈𝒖𝒂 = −𝟑𝟖𝟎𝟒 𝑲𝑱 [47]
𝐽 = −99727 ∗ 38,98 𝑘𝑔 𝑘𝑔 = −𝟑𝟖𝟖𝟕𝑲𝑱 [40]
Los resultados obtenidos se encuentran posteriormente en este documento. Resultados.
Para calcular la entalpía del aire se calculó en primer lugar la humedad absoluta, como se mostró previamente utilizando la ecuación 19. Luego de esto se aplicó la ecuación 16. Así, para la entalpía específica de aire a la entrada:
En la tabla 6 se presentan los resultados obtenidos para los ensayos realizados en la primera sesión del laboratorio, en cuanto a las condiciones de humedad relativa y absoluta del sistema.
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑖𝑛 = 0,24 ∗ 𝑇 + 𝑊 ∗ (1061 + 0,444 ∗ 𝑇) 𝐽 [41] = 94073 𝑘𝑔 𝐽 ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑜𝑢𝑡 = 87406 [42] 𝑘𝑔 Con los valores de entrada y salida para la entalpía específica de aire, solo resta determinar la masa utilizada de aire durante la práctica. Se calculó un promedio para las velocidades de aire presentadas en la tabla 5, obteniendo un valor de 1250 ft/min o su equivalente 4102 m/min. Posteriormente se determinó el caudal de aire que fluyó a través del secador, por medio de: 𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 = 4102 ∗ 0,4501 = 𝟏𝟖𝟒𝟔
Tabla 6. Resultados obtenidos 28 febrero-2017. Descripción
TBulb o seco 16°C
TBulbo húmed o 14,5°C
Humeda d relativa 86,90%
Calentamien to de aire
65°C
27°C
7,16%
Saturación de aire. Con alimentación aire fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco
65°C
32°C
12,91%
65°C
35°C
16,98%
Condiciones aire atmosférico
𝒎𝟑 [43] 𝒎𝒊𝒏
Dividiendo este valor por el tiempo de duración de la práctica en minutos se encontró el volumen de aire utilizado para el enfriamiento: 7
Humeda d absoluta 0,0136 kg agua/kg aire seco 0,0155 kg agua/kg aire seco 0,0285 kg agua/kg aire seco 0,0380 kg agua/kg aire seco
Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco Saturación de aire. Sin alimentación fresco
65°C
65°C
36°C
36°C
18,45%
18,45%
65°C
36°C
18,45%
65°C
36°C
18,45%
0,0416 kg agua/kg aire seco 0,0416 kg agua/kg aire seco 0,0416 kg agua/kg aire seco 0,0416 kg agua/kg aire seco
Temperatura del agua (°C)
40 20 0 150
Tiempo (min)
Gráfica 1. Comportamiento enfriamiento agua vs tiempo. y = -0,1388x + 39,234 [48] Tabla 7. Condiciones aire. Segunda sesión Humedad absoluta (kg agua/kg aire seco)
Hora
TBulbo húmedo (°C)
TBulbo seco (°C)
8:38am
21
22
0,0213
9:11am
19,5
21
0,0191
0,0178
10:04am
19
22
0,0178
10:26am
19,5
22,5
0,0185
10:48am
19,5
22,5
0,0185
Para comprobar esta premisa, se inició el proceso de humidificación del aire iniciando el sistema de aspersores disponible. Inicialmente con una alimentación de aire fresco al sistema, se observó que, tal como se esperaba la humedad absoluta aumentó, ratificando que el proceso no podía ser llevado a cabo en este equipo; se deseó entonces observar cual era la máxima cantidad de vapor de agua admisible que se le podía suministrar al sistema a través de los aspersores, cerrando además el alimento de aire fresco. Con estas condiciones se observó que la humedad relativa logró un máximo de 18,45%, y a pesar de que esta se podría tomar como la saturación, hay que recordar que una saturación se consigue cuando la humedad relativa es del 100%, así que para este caso no se consiguió una saturación, sino que se consiguió un punto máximo de vapor que puede entregar el equipo al aire circundante. Esto era de esperarse ya que este equipo no está concebido para ser tratado como humidificador, ya que no es
60
100
22
En primer lugar, para el proceso de acondicionamiento de aire se evidenció que el proceso no fue posible llevar a cabo debido a las condiciones que presentaba el aire al momento de la práctica. La humedad absoluta que debía contener el sistema para llegar a las condiciones especificadas por el cliente se encontraba en un intervalo de 0,0107-0,0129 kg humedad/ kg aire seco, mientras que las condiciones del aire entrada precisaban una humedad absoluta de 0,0136 kg humedad/ kg aire seco, lo cual al consultar alguna de las cartas psicrométricas disponibles en la literatura, conducía a que por el método propuesto (humidificación-calentamiento) no se podía llevar a cabo, ya que al momento de humidificar el aire, este tendría una humedad absoluta mayor a la requerida.
Enfriamiento de agua
50
19
Análisis de resultados.
La gráfica 1 (que se encuentra en el anexo 1) muestra el comportamiento del enfriamiento del agua durante la segunda sesión. Adicional, se generó una posible tendencia para el comportamiento, mostrada en la ecuación 33. Se muestran además los valores calculados de humedad absoluta para el aire en este proceso.
0
9:23am
8
su función principal. Lo ideal hubiera sido comprobar la saturación del aire en un equipo especializado para esta función, como es el caso del humidificador que se encuentra sin funcionamiento en el laboratorio de la planta piloto.
todos los datos tratados (otras tendencias generaban problemas de convergencia). Otro aspecto a considerar para este experimento, es cuál de los dos mecanismos de transferencia se favorece más: si la transferencia de agua hacía el aire, o si la condensación de humedad en el aire. Para esto, se midieron en cada uno de los puntos las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco, y se calculó la humedad absoluta a través del procedimiento ya mencionado. Teóricamente, si la condensación se favorece, se estará retirando humedad al aire que entra al proceso, lo cual ocurre en las primeras tres mediciones, ya que como se observa en la tabla 7, se inicia con una humedad absoluta de 0,0213 y en la tercera medición es de 0,0178. Sin embargo, a partir de este punto el proceso que se favorece es la transferencia de agua, ya que la humedad aumenta en el siguiente dato tomado. Aunque los resultados no sean concluyentes, si se puede mencionar que cuando la condensación se favorece se retira mayor humedad, que cuando la transferencia de masa se produce hacía el aire, donde la humedad absoluta aumenta, pero no en la misma magnitud.
Con los datos obtenidos en esta primera sesión, la solución que se le propone al cliente para que pueda tener el aire a las condiciones esperadas, partiendo del aire atmosférico en Bogotá, es la siguiente: llevar el aire hasta conseguir la temperatura esperada por medio de un calentamiento. En este punto, el valor de humedad relativa es de aproximadamente 7% o un poco más, así que, en vez de humidificar el sistema, se recomienda una deshumidificación hasta conseguir el valor de humedad relativa requerido. También se recomienda consultar diariamente antes de iniciar el proceso las condiciones a las que entrará el aire, ya que humedades por debajo del 60% lograrán cumplir las especificaciones requeridas con el proceso que se especificó, por lo que, en un día seco, el proceso se podrá llevar a cabo. Analizando lo ocurrido en la segunda sesión, concerniente al modelamiento de un proceso de enfriamiento de agua desde 38°C hasta 20°C se puede mencionar en primer lugar que el tiempo que transcurrió para la práctica fue insuficiente, ya que, al momento de apagar el equipo, el agua se encontraba a 23°C, valor que sin embargo se encuentra muy cercano al propuesto por el problema. Uno de los motivos para no haber conseguido la temperatura esperada es que el proceso se inició desde 42°C, debido a problemas en la termocupla durante el inicio de la práctica. Con la ecuación 33, se puede hacer una extrapolación del tiempo extra que tomaría enfriar el agua hasta los 20°C, obteniendo que aproximadamente a los 138 minutos, o lo que quiere decir a las 10:56am de ese día se hubiera obtenido la temperatura. Esta aproximación, sin embargo, se queda corta de fundamentos físicos, ya que a pesar de que matemáticamente es una solución, la tendencia escogida no representa
A pesar de que en esta sesión el objetivo de llevar el agua a 20°C no se logró, si se pudo concluir que el equipo si se presta para llegar a la condición final requerida; sin embargo, cabe resaltar que el consumo de energía del compresor, así como de los sistemas de control y demás accesorios del equipo es alto, y más si se necesita de un tiempo tan largo como el que se trabajó. Se analizó una alternativa para resolver esto sin necesidad de usar el equipo por un tiempo tan largo, y se llegó a la conclusión de que saldría más económico llenar la piscina de agua con hielo y esperar a que este se derrita, ya que el consumo de energía es mucho menor: un compresor común puede gastar aproximadamente 10 kilovatios por hora, mientras que un refrigerador común consume 0,368 kilovatios por hora, lo cual es evidentemente una cantidad de energía mucho menor.
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Dentro de los errores que se presentaron en la práctica, cabe destacar en primer lugar la medición de la temperatura de bulbo húmedo, ya que el algodón que se utilizaba para esta medición pudo estar más húmedo en unas ocasiones que en otras, lo cual pudo haber generado una desviación en cuanto a esta medida. Además, se pudo observar que el equipo no se estabiliza en una temperatura fija, sino que, oscila en un intervalo que contiene a la temperatura que se desea, por ejemplo, en la primera sesión la temperatura de 65°C oscilaba entre 64-66°C. Durante la segunda semana se presentó además un problema con la termocupla encargada de medir la temperatura del agua, ya que al iniciarse el calentamiento la resistencia marcaba una temperatura inferior a la temperatura real con la que trabajaba el sistema; por fortuna, este error se pudo solucionar con ayuda del profesor encargado, que logró ajustar dicha termocupla, ya que no estaba realizando contacto directo con el agua; aún así, la termocupla presentaba un error de 1,5°C respecto a la temperatura real del agua. Durante la segunda semana, además, no se pudo realizar la prueba con aspersores, ya que el nivel de la piscina dentro de la recámara no era suficiente para poder hacer funcionar el sistema de reflujo; esto pudo haber mejorado el tiempo de enfriamiento del agua, aunque se hubieran generado un poco más de pérdidas.
energético (de casi 20°C en el intervalo de trabajo) es mucho más grande que el cambio energético del aire (de apenas 0,5°C) durante el experimento realizado. Conclusiones:
Analizando el balance de energía del sistema se observa un valor negativo del calor, lo cual concuerda con lo esperado ya que el aire está retirándole calor al sistema de agua, por lo cual se debe considerar este flujo de calor como negativo, ya que está saliendo del proceso. Este calor negativo, también se puede atribuir a otros factores, como por ejemplo la transferencia de calor a través de radiación hacía la superficie del equipo, ya que este se mantuvo caliente durante las mediciones, lo cual generó una pérdida adicional de calor. Además, hay que tener en consideración que el valor entálpico para el agua fue mucho mayor que para el aire; esto se debe, a que el agua está en una mayor cantidad en el proceso, pero principalmente a que su cambio 10
Se evidenció que con el equipo de secado directo del laboratorio de ingeniería química no es posible acondicionar el aire a las condiciones especificadas, ya que se llegó a una humedad relativa de 7% y una temperatura de 65°C.
A pesar de no llegar a las condiciones esperadas de temperatura del agua en el segundo problema, se logró evidenciar que el equipo de secado directo si cumple las condiciones adecuadas para realizar este proceso.
Las condiciones del equipo de secado directo impiden realizar una saturación total del agua, ya que este no es el propósito de dicho equipo. Se consiguió una humedad máxima de casi 19%.
Se recomienda realizar una deshumidificación para lograr las condiciones requeridas en el primer problema, ya que la diferencia entre la humedad obtenida en el equipo y la humedad requerida para el proceso es de un poco más de 1%.
Se observó que cuando el proceso de condensación se favorece por encima de la difusión del agua líquida en el aire, el contenido de humedad cambia en una mayor magnitud que cuando el proceso ocurre en el sentido contrario.
Es más caro operar el equipo de secado directo para realizar el proceso de enfriamiento que utilizar una nevera para producir hielo e introducirlo a la piscina
de la recamara de acondicionamiento, ya que el gasto energético es mucho menor.
Se comprobó que el sistema en el proceso de refrigeramiento le retiraba calor a través del aire al agua; sin embargo, no se tuvieron en cuenta posibles pérdidas por radiación que pudieron afectar la medición.
Sugerencias y recomendaciones.
Se espera que, para futuras prácticas, el equipo de humidificación se encuentre en buen estado. Se podría integrar la práctica de humidificación junto con la práctica de secado directo, para economizar costos de operación.
Referencias.
ASHRAE. (2013). ASHRAE 2013 Fundamentals. Atlanta. The University of York. (20 de 02 de 2016). The Essential Chemical Industry . Obtenido de http://www.essentialchemicalindustry.org/ chemicals/hydrogen-peroxide.html Treybal, R. E. (1988). Opereciones de transferencia de masa. McGraw-Hill.
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