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
FECHA DE ENTREGA: 11-NOV-2009
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 Fecha 24-Ago-09 25-Ago-09 26-Ago-09 27-Ago-09 28-Ago-09 31-Ago-09 01-Sep-09 02-Sep-09 03-Sep-09 04-Sep-09 07-Sep-09 08-Sep-09 09-Sep-09 10-Sep-09 11-Sep-09 14-Sep-09 17-Sep-09 18-Sep-09 21-Sep-09 22-Sep-09 23-Sep-09
Tbh Mañana 18,00 18,00 19,00 19,00 19,50 20,50 21,50 19,00 19,50 19,50 21,00 18,00 18,00 20,00 20,00 21,50 17,00 16,00 20,00 21,00 21,50
Tarde 22,50 21,00 21,00 23,50 23,50 23,50 18,50 22,00 23,00 22,00 23,00 24,00 24,00 24,00 24,50 24,00 20,00 21,30 24,50 24,00 23,00
Tbs Mañana 21,00 23,00 20,00 21,00 21,00 22,00 23,00 21,00 22,00 21,00 22,00 19,00 19,00 20,50 21,50 22,00 21,50 22,50 21,50 22,00 22,50
Tarde 24,00 20,00 25,00 25,00 24,00 24,50 20,00 23,00 24,50 23,00 24,00 26,00 25,00 26,00 26,00 26,00 22,00 22,00 26,50 25,00 24,50
24-Sep-09 25-Sep-09 28-Sep-09 29-Sep-09 30-Sep-09 01-Oct-09 02-Oct-09 05-Oct-09 06-Oct-09 07-Oct-09 08-Oct-09 09-Oct-09 12-Oct-09 13-Oct-09 14-Oct-09 15-Oct-09 16-Oct-09 19-Oct-09 20-Oct-09 21-Oct-09 22-Oct-09 23-Oct-09
21,00 21,50 19,50 21,00 19,50 20,00 21,50 21,00 19,00 19,50 21,00 21,50 19,50 19,00 17,00 14,00 15,00 14,00 15,00 17,00 19,00 21,00
Agosto Septiembre Octubre
23,50 23,00 24,00 21,50 22,50 21,20 24,00 23,00 24,00 23,00 24,00 24,50 24,00 21,00 19,00 16,00 17,00 16,00 16,00 18,00 20,00 22,00 Tbs 22 22 21
22,00 22,50 19,50 20,00 21,50 22,00 21,50 22,50 22,50 19,50 20,00 22,50 19,50 20,00 19,50 18,80 19,00 18,00 20,00 20,00 21,00 21,00
24,50 26,00 24,00 23,00 22,50 26,00 22,00 22,00 26,00 24,00 23,00 26,00 24,00 23,00 24,00 25,00 27,00 26,00 27,00 27,00 25,00 24,00
Tbh 24 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 (3799.89) 1.4389 kPa (30 226.35) 4.2162 kPa
ln PAsat (16.2620) PAsat 1.4389
Se convierte a unidades de mmHg 4.2162 kPa 31.8134 mmHg
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: Ys'
PA M A (Pt PA )MB
La siguiente tabla muestra los valores de P° A a cada temperatura que en nuestro caso fue de 5° en 5° C.
tG (°C) 5.00 10.0 0 15.0 0 20.0 0 25.0 0 30.0 0 35.0 0 40.0 0 45.0 0 50.0 0 55.0 0
HR = 10% P°A (mmHg )
HR = 20% P°A (mmHg )
HR = 30% P°A (mmHg )
HR = 40% P°A (mmHg )
HR = 50% P°A (mmHg )
HR = 60% P°A (mmHg )
HR = 70% P°A (mmHg )
HR = 80% P°A (mmHg )
6.54
0.65
1.31
1.96
2.62
3.27
3.93
4.58
5.23
5.89
9.21
0.92
1.84
2.76
3.68
4.60
5.52
6.45
7.37
8.29
12.79
1.28
2.56
3.84
5.11
6.39
7.67
8.95
10.23
11.51
17.53
1.75
3.51
5.26
7.01
8.76
10.52
12.27
14.02
15.78
23.75
2.37
4.75
7.12
9.50
11.87
14.25
16.62
19.00
21.37
31.81
3.18
6.36
9.54
12.73
15.91
19.09
22.27
25.45
28.63
42.16
4.22
8.43
12.65
16.86
21.08
25.30
29.51
33.73
37.95
55.31
5.53
11.06
16.59
22.12
27.65
33.19
38.72
44.25
49.78
71.86
7.19
14.37
21.56
28.75
35.93
43.12
50.30
57.49
64.68
92.51
9.25
18.50
27.75
37.01
46.26
55.51
64.76
74.01
83.26
118.06
11.81
23.61
35.42
47.22
59.03
70.84
82.64
94.45
106.25
PA (mmH g)
HR = 90% P°A (mmHg )
60.0 0 65.0 0 70.0 0 75.0 0 80.0 0
149.40
14.94
29.88
44.82
59.76
74.70
89.64
104.58
119.52
134.46
187.58
18.76
37.52
56.27
75.03
93.79
112.55
131.31
150.06
168.82
233.73
23.37
46.75
70.12
93.49
116.87
140.24
163.61
186.98
210.36
289.14
28.91
57.83
86.74
115.66
144.57
173.49
202.40
231.31
260.23
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. Ys'
PA M A (Pt PA )MB
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 Y´ (Kg agua/Kg Y´ (Kg agua/Kg Y´ (Kg agua/Kg Y´ (Kg agua/Kg aire seco) aire seco) aire seco) aire seco) 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% YS' al10%
(3.18mmHg ) * (18.02 Kg / Kmol ) 0.003401 kg agua / kg aire sec o (585mmHg 3.18mmHg ) * (28.97 Kg / Kmol )
HR = 60% Y´ (Kg agua/Kg aire seco)
HR = 70% Y´ (Kg agua/Kg aire seco)
0.004202 0.00593 0.008265 0.011388 0.015529 0.020981 0.028114 0.037408 0.049495 0.065208 0.085696 0.112565 0.148179 0.196131 0.262232 0.356529
HR = 80% Y´ (Kg agua/Kg aire seco)
0.004908 0.00693 0.009664 0.013327 0.018193 0.024616 0.033049 0.044084 0.05852 0.077429 0.102328 0.13541 0.180023 0.241511 0.329058 0.459883
HR = 90% Y´ (Kg agua/Kg aire seco)
0.005615 0.007932 0.011069 0.015278 0.02088 0.028292 0.038059 0.050897 0.067791 0.090092 0.11976 0.159721 0.214614 0.292221 0.40681 0.587647
HR = 100% Y´S (Kg agua/Kg aire seco)
0.006324 0.008938 0.012481 0.01724 0.023589 0.032011 0.043146 0.057851 0.077318 0.103222 0.138053 0.185645 0.252323 0.349259 0.498407 0.749628
0.007035 0.009947 0.013898 0.019215 0.026321 0.035772 0.048312 0.06495 0.087112 0.116846 0.157271 0.213347 0.293592 0.413887 0.607908 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
Y'
hg kY
* (t t ) H G W R100%
W
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) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
λw (J/Kg) 2489618 2477756 2465894 2454265 2442403 2430541 2418679 2406817 2394723 2382861 2370766 2358439 2346112 2333785 2321225 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 Y' (Kg agua/Kg aire) 0.00703 5 0.00512 7 0.00321 9 0.00131 1
tw = 10°C Y' (Kg agua/Kg aire)
tw = 15°C Y' (Kg agua/Kg aire)
tw = 20°C Y' (Kg agua/Kg aire)
tw = 25°C Y' (Kg agua/Kg aire)
tw = 30°C Y' (Kg agua/Kg aire)
tw = 35°C Y' (Kg agua/Kg aire)
0.01186 0.01775 0.02502 0.04554 0.06009 4 1 1 0.0341 4 6 0.00994 0.01582 0.02308 0.03215 0.04358 0.05813 7 5 6 5 9 2 0.01389 0.04163 0.05616 0.00803 8 0.02115 0.03021 5 8 0.00611 0.01197 0.01921 0.02826 0.03968 0.05420 3 2 5 5 1 4
tw = 40°C Y' (Kg agua/Kg aire) 0.07876 5 0.07679 2 0.07481 8 0.07284 4
-0.0006 -0.0025 0.00441 0.00632 0.00823
0.00419 6 0.00227 9 0.00036 2 0.00156 0.00347
0.01004 6 0.00811 9 0.00619 3 0.00426 7 0.00234 1
0.01728 0.01534 4 0.01340 9 0.01147 3 0.00953 8
0.02632 1 0.02437 6 0.02243 1 0.02048 6 0.01854 1
0.03772 6 0.03577 2 0.03381 8 0.03186 4 0.02990 9
Calculo de Volumen Húmedo Saturado (VH) 1 Y ' RT s MB MA PT
VH
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 1 0.03592 (8.314)(303.15) 1.18451m kgaire_ seco 77993.6 28.851 18.015
V H
tG (°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
VH sat. (m3/Kg aire seco) 1.03462722 1.058111156 1.083538104 1.11156585 1.143061959 1.179184094 1.221493584 1.272132831 1.334149275 1.411946399 1.512249004 1.6457785 1.830956154 2.102154153 2.532260168
0.05224 0.05027 6 0.04831 2 0.04634 8 0.04438 5
0.07087 1 0.06889 7 0.06692 4 0.06495 0.06297 7
80
3.307510855
Calculo Volumen de Aire Seco (Vas) 1 RT MB PT
Vas A una temperatura (30°C):
3 1 (8.314)(303.15) 1.1201m kg aire_ seco 77993.6 28.851
Vas
tG (°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
VH gas seco (m3/Kg aire seco) 1.023056373 1.041456668 1.059856962 1.078257257 1.096657551 1.115057846 1.13345814 1.151858435 1.170258729 1.188659024 1.207059318 1.225459613 1.243859907 1.262260201 1.280660496 1.29906079
Calculo de Entalpia de Aire Saturado (H’s)
H ' s (1005 (1884)(YS' ))t G ( 2502300)(YS' ) H ' s (1005 (1884)(0.03577))(30) ( 2502300)(0.03577) 121678.9914 KJ / Kg aire sec o
tG (°C)
H´S (KJ/Kg aire tG (°C) seco) 5 22695.26558 10 35128.02636
H´S (KJ/Kg aire seco) 45 270590.8786 50 353640.1638
15 20 25 30 35 40
50245.48162 68905.69365 92226.5377 121684.426 159252.7671 207619.4857
55 60 65 70 75 80
465109.5895 618274.4992 835933.3763 1160603.034 1682440.072 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.
