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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO IV Reporte “Psicrometría”

INGENIERIA QUÍMICA

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 un mes, 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: En el LEM Fecha 13/08/2012 14/08/2012 15/08/2012 16/08/2012 17/08/2012 20/08/2012 21/08/2012 22/08/2012 23/08/2012 24/08/2012 27/08/2012 28/08/2012 29/08/2012 30/08/2012 31/08/2012 03/09/2012 04/09/2012 05/09/2012 06/09/2012 07/09/2012 10/09/2012 11/09/2012 12/09/2012 13/09/2012 14/09/2012 17/09/2012 18/09/2012 19/09/2012 20/09/2012

Tbh Mañana Tarde 16 20 18 21 17 18 16 19 18 21 15 20 19 21 18 20 16 20 16 20 18 21 15 20 19 20 18 20 21 21 19 20 19 21 18 18 17 19 17 18 16 18 17 19 17 20 17 19 17 20 18 20 19 21 17 21 18 22

Tbs Mañana Tarde 19 23 22 28 23 22 23 24 23 24 18 23 23 24 21 24 20 23 20 23 22 24 19 23 25 25 22 23 28 25 25 25 24 24 24 23 24 22 20 25 22 24 21 24 22 24 23 23 21 22 19 22 20 24 20 23 21 24

21/09/2012 22/09/2012 23/09/2012

18 19 17

20 23 22

22 23 19

22 25 24

Temperaturas promedio de bulbo seco y húmedo de cada mes:

Temperaturas promedio tbh Agosto 19 Septiembre 18

tbs 23 22

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 40° C

(

Se convierte a unidades de mmHg 7.3551 kPa=55.1677mmHg

)

(

)



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 porcentuales, únicamente se multiplica el calor de presión de vapor de cada temperatura por el porcentaje deseado. A partir de este cálculo se aplica la siguiente ecuación para determinar las humedades absolutas de saturación a cada temperatura impuesta:

Ys' 

PA M A (Pt  PA )M B

La siguiente tabla muestra los valores de P° A a cada temperatura que en nuestro caso fue de 2° en 2° C. HR = 10%

HR = 20%

HR = 30%

HR = 40%

HR = 50%

tG (°C)

PA P°A P°A P°A P°A P°A (mmHg) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (mmHg) 2.00 5.14 0.51 1.03 1.54 2.05 2.57 4.00

5.94

0.59

1.19

1.78

2.37

2.97

6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00

6.84 7.87 9.02 10.33 11.79 13.43 15.27 17.33 19.62 22.17 25.01 28.15 31.63 35.48 39.72 44.39 49.54 55.18 61.37 68.15

0.68 0.79 0.90 1.03 1.18 1.34 1.53 1.73 1.96 2.22 2.50 2.81 3.16 3.55 3.97 4.44 4.95 5.52 6.14 6.81

1.37 1.57 1.80 2.07 2.36 2.69 3.05 3.47 3.92 4.43 5.00 5.63 6.33 7.10 7.94 8.88 9.91 11.04 12.27 13.63

2.05 2.36 2.71 3.10 3.54 4.03 4.58 5.20 5.89 6.65 7.50 8.44 9.49 10.64 11.92 13.32 14.86 16.55 18.41 20.44

2.74 3.15 3.61 4.13 4.72 5.37 6.11 6.93 7.85 8.87 10.00 11.26 12.65 14.19 15.89 17.76 19.81 22.07 24.55 27.26

3.42 3.93 4.51 5.16 5.90 6.72 7.64 8.66 9.81 11.09 12.50 14.07 15.81 17.74 19.86 22.20 24.77 27.59 30.69 34.07

46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00 60.00 62.00 64.00 66.00 68.00 70.00 72.00 74.00 76.00 78.00 80.00

75.56 83.65 92.47 102.07 112.51 123.85 136.15 149.47 163.88 179.45 196.25 214.37 233.89 254.88 277.44 301.66 327.63 355.46

7.56 8.36 9.25 10.21 11.25 12.38 13.61 14.95 16.39 17.94 19.63 21.44 23.39 25.49 27.74 30.17 32.76 35.55

15.11 16.73 18.49 20.41 22.50 24.77 27.23 29.89 32.78 35.89 39.25 42.87 46.78 50.98 55.49 60.33 65.53 71.09

22.67 25.09 27.74 30.62 33.75 37.15 40.84 44.84 49.16 53.83 58.88 64.31 70.17 76.46 83.23 90.50 98.29 106.64

30.22 33.46 36.99 40.83 45.00 49.54 54.46 59.79 65.55 71.78 78.50 85.75 93.56 101.95 110.98 120.66 131.05 142.18

37.78 41.82 46.23 51.04 56.26 61.92 68.07 74.73 81.94 89.72 98.13 107.19 116.94 127.44 138.72 150.83 163.82 177.73

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. Donde : Pt (mmHg)

585

MA (Kg/Kmol)

18.02

MB (Kg/Kmol)

28.97

HR = 10%

HR = 20%

HR = 30%

HR = 40%

HR = 50%

HR = 60%

Y´ (Kg Y´ (Kg Y´ (Kg Y´ (Kg Y´ (Kg Y´ (Kg agua/Kg aire agua/Kg aire agua/Kg aire agua/Kg aire agua/Kg aire agua/Kg aire seco) seco) seco) seco) seco) seco) 0.000547 0.001094 0.001643 0.002193 0.002743 0.003295 0.000632

0.001265

0.001899

0.002535

0.003172

0.00381

0.000728 0.000838 0.000961 0.0011 0.001256 0.001432

0.001458 0.001677 0.001925 0.002204 0.002518 0.00287

0.00219 0.002519 0.002892 0.003311 0.003784 0.004315

0.002923 0.003364 0.003861 0.004423 0.005056 0.005767

0.003659 0.00421 0.004834 0.005539 0.006332 0.007225

0.004395 0.005059 0.00581 0.006658 0.007614 0.00869

0.001628 0.001848 0.002093 0.002367 0.00267 0.003008 0.003381 0.003795 0.004252 0.004756 0.005312

0.003265 0.003707 0.004201 0.004751 0.005364 0.006044 0.0068 0.007637 0.008563 0.009586 0.010716

0.004911 0.005577 0.006322 0.007154 0.00808 0.009111 0.010256 0.011526 0.012933 0.014491 0.016213

0.006565 0.007459 0.008459 0.009575 0.010821 0.012208 0.01375 0.015463 0.017365 0.019473 0.021807

0.008228 0.009351 0.010609 0.012015 0.013585 0.015335 0.017283 0.01945 0.021859 0.024533 0.027499

0.009899 0.011256 0.012775 0.014474 0.016373 0.018493 0.020855 0.023487 0.026416 0.029673 0.033294

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

  hg       kY Y '      * (t G  tW )  H 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) 2.00

λw (J/Kg) 2505090

4.00

2508743

6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00 60.00 62.00 64.00 66.00

2512396 2516049 2519702 2523356 2527009 2530662 2534315 2537968 2541622 2545275 2548928 2552581 2556234 2559887 2563541 2567194 2570847 2574500 2578153 2581807 2585460 2589113 2592766 2596419 2600073 2603726 2607379 2611032 2614685 2618339 2621992

68.00 70.00 72.00 74.00 76.00 78.00 80.00

2625645 2629298 2632951 2636605 2640258 2643911 2647564

La siguiente tabla muestra las humedades obtenidas para cada valor de temperatura dado , que va de 2°,4°,6°……….80° C

tw = 2°C

tw = 4°C

tw = 6°C

tw = 78°C

tw = 80°C

Y' (Kg agua/Kg Y' (Kg agua/Kg Y' (Kg agua/Kg Y' (Kg agua/Kg Y' (Kg agua/Kg aire) aire) aire) aire) aire) 0.005511 0.007133 0.008873 0.819146 0.991204 0.004752 0.006376 0.008117 0.818428 0.990486 0.003994 0.005619 0.00736 0.817709 0.989769 0.003235 0.004861 0.006604 0.81699 0.989051 0.002477 0.004104 0.005848 0.816272 0.988333 0.001718 0.003347 0.005092 0.815553 0.987616 0.00096 0.002589 0.004335 0.814834 0.986898 0.000202 0.001832 0.003579 0.814116 0.98618 -0.00056 0.001075 0.002823 0.813397 0.985463 -0.00132 0.000317 0.002067 0.812678 0.984745 -0.00207 -0.00044 0.00131 0.81196 0.984028 -0.00283 -0.0012 0.000554 0.811241 0.98331 -0.00359 -0.00195 -0.0002 0.810523 0.982592 -0.00435 -0.00271 -0.00096 0.809804 0.981875 -0.00511 -0.00347 -0.00171 0.809085 0.981157 -0.00587 -0.00423 -0.00247 0.808367 0.980439 -0.00662 -0.00498 -0.00323 0.807648 0.979722 -0.00738 -0.00574 -0.00398 0.806929 0.979004 -0.00814 -0.0065 -0.00474 0.806211 0.978286 -0.0089 -0.00726 -0.0055 0.805492 0.977569 -0.00966 -0.00801 -0.00625 0.804774 0.976851 -0.01042 -0.00877 -0.00701 0.804055 0.976133 -0.01118 -0.00953 -0.00776 0.803336 0.975416 -0.01193 -0.01029 -0.00852 0.802618 0.974698 -0.01269 -0.01104 -0.00928 0.801899 0.973981 -0.01345 -0.0118 -0.01003 0.80118 0.973263 -0.01421 -0.01256 -0.01079 0.800462 0.972545

-0.01497 -0.01573 -0.01648 -0.01724 -0.018 -0.01876 -0.01952 -0.02028 -0.02104 -0.02179 -0.02255 -0.02331 -0.02407 

-0.01332 -0.01407 -0.01483 -0.01559 -0.01634 -0.0171 -0.01786 -0.01862 -0.01937 -0.02013 -0.02089 -0.02165 -0.0224

-0.01155 -0.0123 -0.01306 -0.01381 -0.01457 -0.01533 -0.01608 -0.01684 -0.0176 -0.01835 -0.01911 -0.01986 -0.02062

0.799743 0.799024 0.798306 0.797587 0.796869 0.79615 0.795431 0.794713 0.793994 0.793275 0.792557 0.791838 0.79112

Calculo de Volumen Húmedo Saturado (VH)

 1 Y '  RT VH    s   MB M A  PT Y’S= Humedad de saturación. (kg vapor de agua/kg de aire seco) PT= Presión total. (Pa) T= Temperatura a la 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 (40°C): (

)(

(

tG (°C)

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

)(

VH sat. (m3/Kg aire seco) 1.020859 1.029702 1.038761 1.048065 1.057644 1.067534 1.077773

) )

0.971828 0.97111 0.970392 0.969675 0.968957 0.968239 0.967522 0.966804 0.966086 0.965369 0.964651 0.963934 0.963216

16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00 60.00 62.00 64.00 66.00 68.00 70.00 72.00 74.00 76.00 78.00 80.00 

1.088404 1.099475 1.111039 1.123158 1.135898 1.149335 1.163554 1.178651 1.194735 1.211928 1.230371 1.250225 1.271673 1.294929 1.32024 1.347894 1.37823 1.411651 1.448634 1.489757 1.535719 1.587381 1.645811 1.71235 1.788712 1.877121 1.980513 2.102851 2.24962 2.42863 2.651406 2.935689 3.310287

Calculo Volumen de Aire Seco (Vas)

 1  RT Vas     MB  PT A una temperatura (40°C): (

)(

(

)(

) )

tG (°C)

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00 60.00 62.00 64.00 66.00 68.00 70.00 72.00 74.00 76.00 78.00

VH gas seco (m3/Kg aire seco) 0.001012 0.001019 0.001027 0.001034 0.001041 0.001049 0.001056 0.001063 0.001071 0.001078 0.001085 0.001093 0.0011 0.001108 0.001115 0.001122 0.00113 0.001137 0.001144 0.001152 0.001159 0.001166 0.001174 0.001181 0.001189 0.001196 0.001203 0.001211 0.001218 0.001225 0.001233 0.00124 0.001247 0.001255 0.001262 0.001269 0.001277 0.001284 0.001292

80.00 

0.001299

Calculo de Entalpia de Aire Saturado (H’s) ( )( (

))

(

)(

))

(

)(

)

A 40°C (

(

)(

tG (°C)

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00

H´S (KJ/Kg aire seco) 15820.29 20022.99 24531.19 29382.01 34616.6 40280.6 46424.6 53104.76 60383.47 68330.07 77021.83 86544.92 96995.72 108482.2 121125.9 135063.5 150450.1 167461.7 186299 207192.3 230407 256250.7 285082 317322.2 353469.3 394117.2 439980.4 491926.2 551018.9

)

60.00 62.00 64.00 66.00 68.00 70.00 72.00 74.00 76.00 78.00 80.00

618579.8 696270.7 786211.8 891152.8 1014727 1161836 1339266 1556679 1828331 2176169 2635831

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 Septiembre, por lo cual, estimando la temperatura de bulbo húmedo de diseño de acuerdo a las condiciones climáticas impuestas tenemos un valor aproximado de 19ºC, 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. Comprendimos la importancia que tiene la temperatura de bulbo húmedo, ya que cuanto menor sea la humedad relativa del ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se utiliza para dar una idea de la sensación térmica, o en los psicrómetros para calcular la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío; que fue lo fundamental para la realización de nuestra carta. BIBLIOGRAFIA Treybal R. E., Mass Transfer Operations, 3° Edition, McGraw-Hill, New York, 1981. Foust S. y col., Principios de operaciones unitarias, 2° Edición, Compañía editorial continental, México, 1987