Problemas de Psicrometría

Prof. Maria Elena Jin

ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA. FACULTAD DE INGENIERIA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TÉRMICAS. MÉRIDA-VENEZUELA

PROBLEMARIO PSICROMETRÍA Propiedades del Aire y Procesos de Acondicionamiento

Prof. María Elena Jinete [email protected]

Aire Acondicionado Prof. María E. Jinete

Datos: entalpía de vaporización del agua a 0 °C, hfg 0 = 2501,7 kJ/kg; calor específico del aire seco, cp,a = 1,005 kJ/kg K; calor específico del vapor de agua, cp,v = 1,82 kJ/kg K; calor específico del agua, cp,líq = 4,190 kJ/kg K.

PROBLEMAS RESUELTOS Problema 1.Los datos meteorológicos tomados a mediodía de una región en Venezuela, indican los siguientes: Presión a nivel del mar, 1018 mbar; humedad relativa 30%; temperatura del aire 32 °C; del mar 18 °C. Calcular: a) Presión de saturación. b) Presión del vapor de agua. c) Humedad absoluta. d) Volumen específico en m3/kg a.s. e) Densidad en kg de aire húmedo / m3. f) Entalpía (kJ/kg a.s.). g) Temperatura de rocío. h) Calor que hay que retirar a un m3 de aire húmedo para que llegue a saturación. I) Temperatura que alcanzaría un botijo situado a la sombra en una corriente de aire en esas condiciones.

Solución Los datos del enunciado son: P=101,8 kPa; φ=0,30; T=32 °C. La temperatura del mar no tiene relevancia para nuestros cálculos.

a) Presión de saturación:

3928,5  P bar   ln  sat  231,67  T C   140974  Despejando la presión de saturación tenemos:

2




3928,5 

   Ps  e 231,67 T  140974

Ps  140974  e

 3928,5      231,67 T 

 140974  e

3928,5      231 ,67  32  

 0,04769bar  4,769kPa

También la podemos encontrar en la tabla de vapor saturado.

b.) Presión del vapor de agua.

Pv    Psat  0,3  4,769kPa  1,431kPa.

c.) Humedad absoluta.

  0,622

Pv (T ) 1,431  0,622  0,00887 kg.v / kg.a.s P  Pv (T ) 101,8  1,431

d.) Volumen específico en m3/kg a.s.

 1 1  RT1    29 18  P1

h  

 1 0,00887  8,314 x273   0,8713m3 / kg.a.s x 18  101,8  29

h  

e.) Densidad en kg de aire húmedo / m3.





1  1

 h1

1  0,00887  1,158kg / m3 0,8713

f.) Entalpía del aire húmedo (kJ/kg a.s.).

H aire húmedo  H aire sec o  Hvapor de agua 3


Por unidad de masa de aire seco, la entalpía específica se expresa h  has    hv

has  c pa  T C   1,005 32  32,16kJ / Kg.a.s hv  h fg 0  c pv  T C   2501,7  1,82  T (C)  2501,7  1,82 32  2560kJ / Kg.v.

h  32,16  0,00887 2560  54,86kJ / Kg.a.s

g.) Temperatura de rocío.

Ps  Pv  1,431kPa  0,01431bar

3928,5  P bar   ln  s  231,67  Tr C   140974 

Despejamos la temperatura de rocío de la ecuación anterior:

Tr  

3928,5 3928,5  231,67    231,67  12,3C  Psat bar    0,01431  ln  ln     140974   140974 

También de las tablas del vapor, para Ps=Pv=1,431 kPa, Tr=12,3 °C (interpolando).

h.) Calor que hay que retirar a un m3 de aire húmedo para que llegue a saturación.

4


q  h1  hr h  h1  54,86kJ / kg.a.s.

  1  r  0,00887 kg.v / kg.a.s hr  c pa  Tr C   r  2501,7  1,82  Tr (º C )

hr  1,005  12,3  0,00887  2501,7  1,82  12,3  34,75kJ / Kg.a.s

 q  54,86  34,75  20,11kJ / Kg.a.s





Q kJ / m3 





Q kJ / m3 

qkJ / Kg.a.s  vh m3 / Kg.a.s





20,11kJ / Kg.a.s  23,08kJ / m3 0,8713m3 / kg.a.s

I.) Temperatura que alcanzaría un botijo situado a la sombra en una corriente de aire en esas condiciones.

La temperatura que alcanzaría un botijo situado a la sombra en esas condiciones sería la temperatura de bulbo húmedo.

T1=32°C T1 Aire húmedo φ1=30% w1 . h1=54,86kJ/kga.s

1

1

T =?

Agua a T2

Agua líquida Balance másico del aire seco: 





m as  m as1  m as 2

Balance másico del vapor de agua: 





mas  1  m L  m as 2  2 

mL 

 2  1

mas

Balance energético: 5

2 T2 Aire saturado φ1=100% w2 2=100% 2








m as  h1  m L  hL  m as 2  h2

Dividimos la ecuación anterior entre el flujo másico de aire seco, quedando:

h1   2  1   hL  h2 h1   2  1   cpagua  TL  cpas  T2   2  2501,7  cpv  T2  TL  T2  h1   2  1   cpagua  T2  cpas  T2   2  2501,7  cpv  T2    P (T ) P (T ) h1   0,622 s 2  1   cpagua  T2  1,005  T2  0,622 s 2  2501,7  1,82  T2  P  Ps (T2 ) P  Ps (T2 )   Como φ2  100%  Pv 2  Ps T2  2  0,622

Ps (T2 ) P  Ps (T2 )

  P (T ) P (T ) f (T2 )  h1   0,622 s 2  1   cpagua  T2  1,005  T2  0,622 s 2  2501,7  1,82  T2  P  Ps (T2 ) P  Ps (T2 )   Por tanteos:

Le damos valor a T2 hasta que la función se haga cero. Interpolamos T2 (°C)

Ps2 (kpa)

f(T2)

19,4

2,25798

-0,0078

? 19,2

0 2,22999

0,63315

T2  19,39C

De forma más simplificada: aproximando el proceso de saturación adiabática a una isoentálpica, h2=h=54,86 kJ/kg a.s. En las tablas de aire saturado, esa entalpía corresponde a t2=19,2 °C. La precisión es más que suficiente.

6


Problema 2.Cierta sección de un sistema de acondicionamiento de aire consiste en un humidificador de agua líquida con spray, seguido de un enfriador y un ventilador, en ese orden. 1,0 m3/s de aire a 32 °C y 20 % de humedad relativa entran en el humidificador, y después de pasar por el ventilador el estado del aire es 20 °C y 60 % de humedad relativa. El aire absorbe toda el agua aportada por el spray en el humidificador, introducida a 20 °C. La potencia del ventilador es de 1,4 kW. Suponiendo que las velocidades son bajas y que la presión total en el proceso se mantiene constante a 1,0 bar, determine: (a) el caudal másico de spray de agua; (b) el calor transferido en el enfriador; (c) represente el proceso en un diagrama psicrométricos. Serpentín Enfriamiento

1m3/sg T1=32°C φ1=20 %

1,4kW T4=20°C φ4=60%

(1)

(2)

(3)

(4)

Propiedades en la entrada y salida:

1  0,622

Ps (T1 ) 0,20 x4,7648  0,622  0,005984 kg.v / kg.a.s P  Ps (T1 ) 100  0,20 x4,7648





h1  c paT1  1 h fg 0  c pvT1  1,005(T1 /º C)  2501,7  1,82(T1 /º C)

h1  1,005x(32)  0,005984x2501,7  1,82(32)  47,48kJ / kg.a.s.

4  0,622

Ps (T4 ) 0,60 x2,3370  0,622  0,008846 kg.v / kg.a.s P  Ps (T4 ) 100  0,60 x2,3370





h4  cpas  T4 C   4  h fg 0  cpv  T4 C   1,005  T4 C   4 2501,7  1,82  T4 C 

h4  1,005x(20)  0,008846x2501,7  1,82  (20)  42,55kJ / kg.a.s. (a) Caudal másico de spray de agua:

7






Llamaremos m as [kg a.s./s] al caudal de aire seco, y m L [kg/s] al de agua líquida (en 5). Balance de materia de agua: 





m as  w1  m L  m as  w4 



m L  m as  w4  w1  

Cálculo del flujo másico de aire seco m as :

 1 1  RT1  1 0,005984  8,314 x305      0,8828m 3 / kg.a.s x 29 18 P 29 18 100     1

 h1  

3    kg.a.s   m  V  1m 3 / s  m as    h1   s   kg.a.s.  



 m as 

V1

1



1  1,133kg.a.s. / s 0,8828

Por tanto: 

m L  1,33  0,008846  0,005984  3,242  10 3 kg / sg

(b) Calor transferido en el enfriador: Balance de energía en toda la instalación: 









m as h1  m L  hL  Q  W  m as h4 







Q  W  m as  h4  h1   m L  hL 

Q   1,4  1,133  42,55  47,48  3,242  10 3  4,190  20   7,26kW

(c) Diagrama psicrométrico:

8


No es necesario calcular los estados intermedios 2 y 3: basta el balance global de materia y energía.

Problema 4 Uno de los hornos del departamento de Materiales se refrigera con un circuito cerrado de agua, que a su vez se vuelve a enfriar en una torre de refrigeración situada en una terraza del edificio. El caudal de agua es de 300 kg de agua por hora, que experimentan un enfriamiento de 2 °C. Se hacen circular por la torre 0,5 m3/s de aire atmosférico en contracorriente, accionados por un ventilador de 0,1 kW de potencia. Las condiciones atmosféricas de entrada son: 20 °C, 60 % de humedad relativa. El agua entra en la torre a 30 °C. En el proceso de mezcla se pierde el 2 % de agua por evaporación. Se pide: (a) Humedad absoluta y temperatura de rocío de la atmósfera. (b) Densidad del aire a la entrada. (c) Humedad absoluta y temperatura del aire a la salida. (d) Calor total intercambiado en la torre. Suposiciones: El aire y el vapor de agua son gases perfectos con cp = 1,0 y 1,867 kJ/kg K respectivamente. La torre es adiabática, sin pérdidas de presión; la presión atmosférica es de 1 bar.

9


Solución:

a) Humedad absoluta y temperatura de rocío de la atmósfera (1):

t1  20º C,  60%

1  0,622

Ps (T ) 0,60 x2,3370 1,4022  0,622  0,622  0,00885kg.v / kg.a.s P  Ps (T ) 100  0,60 x2,3370 P  1,4022

La temperatura de rocío es aquella en la que la presión de saturación es de 1,4022 kPa. Interpolando en la tabla del vapor, se deduce:

Tr  12º C

b) Densidad del aire a la entrada:

El volumen específico del aire (volumen húmedo), por kg de aire seco, será:

 1 1  RT1  1 0,00885  8,314 x 293      0,8320m 3 / kg.a.s x 29 18 P 29 18 100     1

 h1  

La densidad del aire será:



10

1  1

 h1



1  0,00885  1,184kg / m3 0,8520


c) Humedad absoluta y temperatura del aire a la salida:

Balance de agua en la torre:









m v1  m L3  m v 4  m L 4 

2  1 



mL3  mL 4

[1],



m as







m L3  m L 4  2% m L3  0,02 x300  6kg / h 

6 kg / s 3600



m as , se calcula con el volumen específico y el caudal volumétrico del aire a la entrada:



3 V1 0,5  kg.a.s   m   V  0,5m 3 / s  m as    m as    0,5869kg.a.s. / s 1    1 0,8520  s   kg.a.s.  



Sustituyendo en [1], 2  1 

6 / 3600  0,00284 2  0,01169kg.v / kg.a.s. 0,5869

Balance de energía en la torre: 





m as h1  m L3 hL3  m



agua arrestre

h







 Q  W  m as h2  m L 4 hL 4

agua arrestre



Q  0 







m as (h2  h1 )  m L 4 hL 4  m L3 hL3  m



agua arrestre

h

agua arrestre

 W

La entalpía específica del aire húmedo en el estado (1) es:





h1  c pa t1  1 h fg 0  c pv t1  1,005(t1 /º C)  2501,7  1,82(t1 /º C)

h1  1,005x(20)  0,00885x2501,7  1,82(20)  42,45kJ / kg.a.s.

11


La entalpía específica para el agua líquida en la entrada y salida de la torre la podemos definir como:

hL  c p,líq .t  4,190(t /º C)

La entalpía específica del aire húmedo (aire seco y vapor de agua) a la salida es:





h2  c pa t 2  1 h fg 0  c pv t 2  1,005(t 2 /º C)  2501,7  1,82(t 2 /º C)

300  294  0,5869(h2  42,45)   x 4,19 x 28  x 4,18 x30   (0,1)  3600  3600 

h2  44,14kJ / kg.a.s.  1,005(t 2 /º C)  2501,7  1,82(t 2 /º C)

Despejando T2 , tenemos:

T2  14,6º C

d) Calor total intercambiado en la torre:

El objetivo de la torre es el enfriamiento del agua, no el del aire. Por tanto, el calor intercambiado se refiere al cambio de energía (entalpía) del agua:







Q agua  m L3 hL3  m L 4 hL 4 

300 294 x 4,18 x30  x 4,18 x28  0,8917 KW 3600 3600

Problema 1.Determinar gráfica y analíticamente la humedad absoluta, volumen húmedo, entalpía, temperatura de rocío y temperatura húmeda del aire a 28 °C y 60 % de humedad relativa.

12


Solución: v = 0,8728 m3/kg; w = 0,01423 kg/kg a.s.; h = 64,52 kJ/kg a.s.; Tr = 19,5 °C; Tw =22,1 °C.

PROBLEMAS PROPUESTO Problema 5.Determinar gráfica y analíticamente la humedad absoluta, volumen húmedo, entalpía, temperatura de rocío y humedad relativa del aire con temperatura seca de 35 °C y temperatura húmeda de 20 °C. Solución: v = 0,8849 m3/kg; w = 0,00844 kg/kg a.s.; h = 56,87 kJ/kg a.s.; Tr = 11,5°C; φ = 24,1 %.

Problema 6.Determinar gráfica y analíticamente la humedad absoluta, volumen húmedo, entalpía, temperatura húmeda y humedad relativa del aire con temperatura seca de 26 °C y temperatura de rocío de 8 °C. Solución: v = 0,8566 m3/kg; w = 0,00665 kg/kg a.s.; h = 43,12 kJ/kg a.s.; Tw= 15,5 °C; φ =31,9 %.

Problema 7.Aire a 30 °C con humedad absoluta de 0,010 kg/kg a.s. (estado 1) circula en régimen estacionario a través de un equipo en el que se pulveriza agua a distintas temperaturas (estado e). Determinar en cada caso si el agua aumentará o disminuirá su temperatura (estado s), y si el aire (estado 2) aumentará o disminuirá su temperatura y su humedad absoluta. Temperaturas de entrada del agua: 35, 30, 25, 20, 15 y 10 °C. Solución:

13

Te (°C)

TS

T2

w2

35

˂ Te

?

˂ w1

30

˂ Te

˂ T1

˂ w1

25

˂ Te

˂ T1

˂ w1

20

@ Te

˂ T1

˂ w1

15

˃ Te

˂ T1

˂ w1


10

˃ Te

˂ T1

?

Problema 8.Aire a 5 °C y 80 % de humedad relativa se calienta hasta 49 °C y luego se humidifica adiabáticamente, para posterior calentamiento alcanzando 40 °C y 30 % de humedad relativa. Calcular: a) Temperatura de saturación en el humidificador. b) Temperatura del aire en la salida de la cámara. c) Humedad relativa del aire. d) Volumen ocupado por 100 litros de aire primitivo en cada una de las etapas del proceso. e) Agua evaporada en el humidificador por cada 100 Litros de aire primitivo.

Solución: (a) 20,8 °C; (b) 24,9 °C; (c) 70,3 %; (d) 115,5; 108,5; 114,0 l; (e) 1,21g.

Problema 9.En un deshumidificador que opera estacionariamente entra aire a 25 °C y 65 % de humedad relativa. El aire húmedo saturado y el condensado salen en corrientes separadas, ambas a 12 °C. Hallar: (a) El calor transferido desde el aire húmedo (kJ/kg aire seco). (b) La cantidad de agua condensada (kg/kg aire seco). Comprobar las respuestas usando el diagrama psicrométricos. Solución: (a) -23,77 kJ/kg a.s.; (b) 0,0042 kg/kg a.s.

Problema 10.En un equipo que opera estacionariamente entra aire húmedo a 1 atm con temperatura seca de 55 °C y temperatura húmeda de 25 °C. Se pulveriza agua líquida a 20 °C sobre la corriente de aire, alcanzando 40 °C en la salida. Hallar: (a) La humedad relativa en la entrada y en la salida del equipo. (b) La cantidad de agua líquida rociada, en kg/kg aire seco. Ignorar el calor transferido entre el equipo y su entorno.

14


Problema 11.El aire en un clima desértico (temperaturas altas y humedad baja), se encuentra con temperatura seca a 28 °C. Se propone un sistema de acondicionamiento de aire que consiste en primer lugar, en hacerlo pasar por un cartucho adiabático de humidificación, donde se le agrega con exactitud la cantidad de agua necesaria a una temperatura de 25 °C, logrando que el aire se enfríe hasta 15 °C, para posteriormente calentarlo hasta 25 °C de temperatura seca. Calcular: (a) humedad relativa del aire acondicionado; (b) temperatura húmeda del aire acondicionado; (c) potencia calorífica necesaria en el calentamiento para 2 kg a.s./s de entrada (en kW). Solución: (a) 27,48 %; (b) 13,9 °C; (c) 20,29 kW.

Problema 12.El aire que se suministra a un secador tiene una temperatura seca de 21.1 °C y húmeda de 15.6 °C. Se calienta hasta 93 ºC por medio de serpentines y se inyecta al secador. En éste se enfría adiabáticamente y sale del mismo completamente saturado. Calcule: a) Temperatura de rocío. b) Volumen específico en m3/kg a.s. c) Humedad relativa del aire inicial. d) Humedad absoluta. e) Cantidad de calor necesaria para calentar 100 m3 de aire a 93 ºC. f) Cantidad de agua que se evapora por cada 100 m3 de aire que entran. g) Temperatura a la salida del secador.

Problema 13.Se desea disponer de aire a 131 ºF con una temperatura húmeda de 95 ºF a partir de aire atmosférico a 68 ºF y humedad relativa de 60 %. El proceso completo consta de una precalefacción, seguida de una humidificación adiabática hasta que su humedad relativa sea 90 % y calefacción final hasta las condiciones deseadas. Calcule: a) La temperatura de salida del aire del humidificador. 15


b) La temperatura de precalefacción del aire. c) El calor que es necesario suministrar al sistema por m3 de aire medido en las Condiciones.

Problema 14.Usando el diagrama calcule la humedad y el caudal de aire resultante si 28 m3/hr de aire a 93 ºC de temperatura seca y 43 ºC de temperatura húmeda, se mezclan con aire a 27 ºC de temperatura seca y 50 % humedad relativa. Determine además el caudal de aire de la mezcla para que la misma salga a 49 ºC de temperatura seca.

Problema 15.En un sistema en operación continua, 6000 lb/h de aire a Tbs = 40 ºF y φ= 60 % se mezclan con 4000 lb/h de aire a tbs = 80 ºF y φ = 50 %. Encuentre las siguientes características de la mezcla: a) Temperatura y Entalpía. b) Humedad específica y Humedad relativa. c) Represente en la carta psicométrica el proceso de mezcla de dos flujos de aire.

Problema 16.200 lb/h de una corriente de aire que se encuentra a 71 ºC y 30 % de humedad se mezclan con otra que está a 38 ºF y 70 % de humedad. El aire resultante se hace pasar por unos serpentines donde se calienta hasta 93 ºF y 10 % de humedad. Determine: A. La cantidad de aire de la segunda corriente que se requiere. B. El calor que se requiere agregar en los serpentines.

Problema 17.Explicar y dibujar el proceso seguido para bajar las condiciones de un aire que se encuentra a 21 ºC y 90 % de humedad relativa hasta 15,5 ºC y 40 % de humedad relativa. Calcular cuánto calor y cuánta humedad se retira, tomando en cuenta que se procesan 497 lb/h de aire, medidos en las condiciones iniciales.

Problema 18.16


A partir de 100 m3 de aire que se encuentra a 7 ºC y 20 % de Humedad se desea obtener aire a 38 ºF y 25 % de humedad, haciéndolo pasar por un proceso que consta de una precalefacción, seguida de una humidificación adiabática y un posterior calentamiento. El aire sale del humidificador con un 90 % de humedad. Determine: a.- El proceso sobre la carta psicrométrica. b.- El calor requerido en el precalentador, en KJ. c.- La cantidad de humedad agregada, en libras. d.- La temperatura de salida del precalentador, en ºC.

Problema 19.Se necesita introducir aire al interior de un salón de conferencias a una temperatura de bulbo seco, Tbs, de 16 ºF y una humedad relativa de 50 %. El aire en el exterior está a Tbs = 90ºF y humedad relativa de 40 %, por lo cual debe hacerse pasar por un sistema de acondicionamiento de aire que consiste en un enfriamiento hasta la temperatura de rocío, seguido de una etapa de condensación-enfriamiento, para luego calentar el aire hasta la temperatura deseada. Calcule: (a)

La temperatura a la entrada del calentador.

(b)

El calor removido en la etapa de enfriamiento y el calor agregado en el calentador.

(c)

La cantidad de agua retirada.

Problema 20.Se desea obtener 100 m3 de aire a 30 ºC y 40 % de humedad a partir de aire atmosférico que se encuentra a 10 ºC y 30 % de Humedad. Para ello la alimentación de aire se hace pasar por un proceso que consta de una precalefacción, seguida de una humidificación adiabática y un posterior calentamiento. El aire sale del humidificador con un 90 % de humedad. Determine: a.- El proceso sobre la carta psicrométrica. b.- El calor requerido en el precalentador, en Btu. c.- La cantidad de humedad agregada, en libras. 17


Problema 21.En un proceso de enfriamiento y deshumidificación una corriente de 1000 lb/h de aire que se encuentra inicialmente a una temperatura de bulbo seco de 32 ºC y una temperatura de bulbo húmedo de 21 ºC se hace pasar a través de un serpentín de enfriamiento a una temperatura efectiva en su superficie de 10 ºC. Si el aire sale con una temperatura de bulbo seco de 14,4 ºC, determine: A.- El proceso sobre la carta psicrométrica. B.- El calor removido en el serpentín, en KW. C.- La cantidad de humedad condensada, en kg de agua/hora.

Problema 22.En un sistema de aire acondicionado se recicla parte del aire que sale del edificio climatizado, a 26,6 ºC y 55 % de humedad, para mezclarlo adiabaticamente con aire fresco a 5 ºC y 40 % de humedad. 1 m3/min de la mezcla resultante se calienta hasta las condiciones de confort que se requieren en los salones del edificio, es decir, a 24 ºC de bulbo seco y 14,4 ºC de bulbo húmedo.

a) Determine la cantidad de calor, en KW, que se requiere en el proceso. b) Calcule la razón en peso, de reciclo a aire fresco, que se debe alimentar al sistema

Problema 23.Se desea implementar un sistema de aire acondicionado para obtener 160 m3/h de aire a 26,6 °C y 50 % de humedad. Para ello se ha propuesto un sistema de humidificación que consta de tres etapas: un precalentamiento del aire que se encuentra a 13°C y 40 % de humedad, seguido de una humidificación adiabática hasta que el aire alcance un 85 % de humedad relativa y una calefacción final hasta las condiciones deseadas. a) Trace el proceso sobre la carta de humedad. b) Determine la cantidad de calor, en Btu/h, que se debe agregar en la etapa de precalefacción. 18


c) Determine la cantidad de agua que se debe agregar en la etapa de humidificación adiabática, en lb/h.

Problema 24.Diseñe un proceso de acondicionamiento de aire que permita introducir un volumen de 5 m3/h de aire a un salón de conferencias, a una temperatura de 15,5 °C y una humedad del 50 %, si el aire en el exterior está a una temperatura de 32 °C y una humedad del 40 %. Calcule: a) La cantidad de calor que se debe remover o agregar, según corresponda. b) La cantidad de agua que se debe agregar o retirar, según corresponda.

Problema 25.70 m3/h de una corriente de aire que se encuentra a 40,5 °C y 40 % de humedad se mezclan con otra que está a 24 °C y 50 % de humedad. El aire resultante se hace pasar por intercambiador de calor, de donde sale a 26,6 °C y 70 % de humedad. Trace el proceso sobre la carta de humedad y determine: a) La cantidad de aire de la segunda corriente que se requiere, expresada en m3/h. b) El calor que se requiere agregar (o quitar) en el intercambiador de calor, en KW.

Problema 26.Se desea implementar un sistema de aire acondicionado para obtener 100 m3/h de aire a 10 °C y 40 % de humedad. Para ello se ha propuesto un sistema de deshumidificación que consta de tres etapas: un enfriamiento del aire que se encuentra a 24 °C y 60 % de humedad hasta su temperatura de rocío, seguido de una condensación y una calefacción final hasta las condiciones deseadas. Determine la cantidad de calor que se debe agregar en la etapa de calefacción y la cantidad de agua que se debe condensar.

Problema 27.-

19


Empleando la carta de humedad, determine la temperatura de bulbo seco que alcanzarían 500 ft3/h de aire, que se encuentran a 50 F y 60 % de humedad, si se les pone en contacto con una resistencia eléctrica que le proporciona 400 Btu/h de calor.

Problema 28.Se desea obtener aire a 86 F y 40 % de humedad a partir de aire atmosférico. Para ello 1000 ft3/h de aire se alimentan a un proceso que consta de una precalefacción, seguida de una humidificación adiabática y un calentamiento final. El aire sale del humidificador con un 90 % de humedad. Determine: a.- El proceso sobre la carta psicrometrica. b.- El calor requerido en el calentador final, en Btu/hora. c.- La cantidad de humedad agregada o retirada, según sea el caso, en libras/hora.

Problema 29.0,2 kg/s de aire húmedo a 40 °C y con una humedad desconocida se ponen en contacto con agua a 30 °C, humidificándose y saliendo el aire también a 30 °C y humedad relativa del 80 %. La presión del aire es constante de 1,48 atm. Se pide: (a) Represente el proceso en un diagrama psicométrico. (b) Calcule los kg/h de agua tomada por el aire. (c) Calcule la temperatura de saturación adiabática del aire saliente. (d) Calcule la densidad del aire saliente.

Problema 30.Un sistema de acondicionamiento de aire opera a una presión total de 1 atm (101,325 kPa). Se compone de una sección de calentamiento y de un humidificador que suministra vapor de agua saturado a 100 °C. El aire entra en la sección de calentamiento a 10 °C, 70 % de humedad relativa y un caudal volumétrico de 35 m3/min, y sale de la sección de humidificación a 20 °C y 60 % de humedad relativa.

20


Se pide: 1. Represente el proceso en un diagrama psicométrico y en un diagrama T-s del agua. 2. Temperatura y humedad relativa del aire cuando éste abandona la sección de calentamiento. 3. Potencia térmica que hay que aportar en la sección de calentamiento. 4. Caudal másico de vapor añadido en la sección de humidificación.

Problema 31 Aire del ambiente en invierno a 1 bar, 5 ºC y 80 % de humedad relativa (estado 1), se acondiciona para que entre en una habitación a 1 bar, 30 ºC y 60 % de humedad relativa (estado 3). El proceso de acondicionamiento del aire se realiza en dos etapas: 1-2: Flujo a través de un calentador de resistencia eléctrica. 2-3: Inyección de agua pulverizada a 20 ºC. En la habitación se requiere un caudal volumétrico de 90 l/min de aire.

(4)

T1=5°C φ1=80%

21

(1)

(2) AIRE 1bar

Agua 20°C

(3)

T3=30°C φ3=60%


Problema 32 En una central de potencia, el agua de refrigeración sale del condensador a 35 °C y entra en una torre de enfriamiento (1), con un caudal de 100 kg/s. El agua se enfría en la torre hasta 22 °C (2), gracias a una corriente de aire que entra (3) a 101 kPa, 20 °C, 60% de humedad relativa, y sale (4) saturado a 30 °C.

Suponiendo que la torre es de tiro natural, se pide: a) Caudal másico de agua que es necesario reponer en el circuito del condensador. b) Caudal volumétrico de aire que entra en la torre. c) Diámetro de la sección superior de la torre, si el aire debe salir a una velocidad de 2 m/s. d) Represente el proceso experimentado por el aire en un diagrama psicrométrico.

Problema 33 En un intercambiador de calor agua-aire de mezcla entran 30 m3/s de aire húmedo a 30°C y 70 % de humedad relativa, condensándose parte de esta humedad (del vapor de agua que lleva el aire) mediante una corriente de agua fría. El aire sale a 20 °C y humedad relativa del 40 %. El agua utilizada se calienta hasta 25 °C, siendo su caudal de 25 kg/s. Esta agua se recircula, después de enfriarla en una torre de refrigeración.

22


En invierno, el aire entra en la torre a 10 °C y con una humedad relativa del 10 %, saliendo de la misma a 15 °C y saturado de humedad. La temperatura del agua de reposición es de 6 °C. Si la temperatura del agua de refrigeración a la entrada del intercambiador (7) es constante, hallar: (a) temperatura del agua a la entrada del intercambiador; (b) caudal másico del agua que es necesario aportar (6) (kg/s); (c) caudal másico del aire húmedo que debe entrar en 8 (kg a.h./s).

Solución: (a) 11,4 °C; (b) 0,044 kg/s; (c) 48,96 kg/s.

Problema 34 En una torre de enfriamiento entran 1.300 kg/min de agua a 45 °C (1) que se enfría hasta 25 °C (2). Se evaporan 2.250 kg/hora. La torre tiene un diámetro en la sección de salida de 3 m. Por el fondo de la torre entran 1235 m3/min de aire (3) a t = 29°C y tw = 21°C. La torre es de tiro forzado; el motor del ventilador es de 10 kW, siendo su rendimiento de 0,93. Determinar la velocidad de salida y la humedad relativa del aire que sale de la torre (4). Solución: 3,15 m/s; 78,9 %.

23

Problemas de Psicrometría

Recommend Documents