apuntes_sicrometria

8/18/2019 apuntes_sicrometria

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Reinaldo Sánchez A. 2006

SICROMETRIA

- DEFINICIONES FUNDAMENTALES

- PROCESOS SICROMETRICOS

- CICLOS SICROMETRICOS


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SICROMETRIA

1.- FUNDAMENTOS: Es la ciencia que estudia el comportamiento del aire húmedo y suefecto sobre el confort térmico, procesos que involucran transferencia de materia, etc.

Composición del aire seco: Este se compone principalmente de O2 y N2 además de A,CO2 y H2.

Composición del aire secoAnálisis Volumétrico Fracción Molar Peso Molecular Peso Relativo

O2 20.99 0.2099 32.00 6.717N2 78.03 0.7803 28.016 21.861

A 0.94 0.0094 39.944 0.376

CO2 0.03 0.0033 44.003 0.013H2 0.01 0.0001 2.016 --

100.00% 1.000 29.867*

* peso molecular del aire

En términos prácticos se considera:

En volumen: 21% O2 ⇒ 3.76 kmol N2 / kmol O2

79% N2

Composición del aire atmosférico: Este se compone de aire seco y vapor de agua ⇒ aire atmosférico = aire húmedo.

El estado en que se encuentra el vapor de agua en el aire depende de su presiónparcial y la temperatura de la mezcla, luego

] ] ] ]p p p patm ta ah ta as ta v ta= = +

Nomeclaturas:Subíndices:

− ah = aire húmedo− as = aire seco

− v = vapor de aguaComo el vapor de agua se encuentra a baja presión y su estado es normalmente el deun valor sobrecalentado y como mínimo saturado, su comportamiento es similar al de ungas para esas condiciones.


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2.- DEFINICIONES:

2.1. Punto de rocío: Es el estado que alcanza el aire húmedo si al enfriarlosensiblemente (sin variación en su concentración de vapor de agua) el vapor de aguapresente en él se satura, habiendo estado previamente sobrecalentado. Larepresentación de este proceso se muestra en el diagrama T-S del vapor de agua.

t aire

t rocío

P s

P v

1

2

T

S

Si la temperatura del aire disminuye por debajo del punto de rocío, parte del vapor de

agua condensará y la presión parcial del vapor disminuirá desde p v a p v' .

2.2. Humedad relativa φ : Representa la razón entre la presión parcial de vapor de

agua presente en el aire ( )p v y la presión de saturación ( )p s de éste, ambas medidas ala misma temperatura.

t_sat. P_atm P_sat P_aire_seco W_sat. % de vapor

[°C] kPa Kpa Kpa [kgv/kga] en aire

0 101.3 0.61 100.70 0.0038 0.60%

5 101.3 0.87 100.40 0.0054 0.86%

10 101.3 1.23 100.10 0.0077 1.21%

15 101.3 1.71 99.59 0.0107 1.68%

20 101.3 2.34 98.96 0.0148 2.31%

25 101.3 3.17 98.13 0.0202 3.13%

30 101.3 4.25 97.05 0.0273 4.19%

35 101.3 5.63 95.67 0.0367 5.56%

40 101.3 7.39 93.91 0.0491 7.29%

45 101.3 9.60 91.70 0.0653 9.47%

50 101.3 12.35 88.95 0.0867 12.19%

55 101.3 15.76 85.54 0.1151 15.56%60 101.3 19.95 81.35 0.1531 19.69%

65 101.3 25.04 76.26 0.2051 24.72%

70 101.3 31.20 70.10 0.2781 30.80%

75 101.3 38.60 62.70 0.3848 38.10%

80 101.3 47.42 53.88 0.5505 46.81%

85 101.3 57.87 43.43 0.8346 57.13%

90 101.3 70.18 31.12 1.4167 69.28%

95 101.3 84.61 16.69 3.2112 83.52%

Relación presión de vapor y presión aire seco


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273(0.287* )*(1 )

101.3 0.622ah

t W v

+= +

3.- PROCESO DE SATURACION ADIABATICAEs un proceso en el cual aumenta la humedad específica del aire haciéndolo circular através de un sistema aislado que contiene agua. En este caso el aire y el agua seenfrían al ceder energía al agua que se evapora. Cuando las energías cedidas soniguales a la necesaria para evaporar el agua, se alcanza el equilibrio térmico y latemperatura de esa condición de equilibrio se denomina temperatura de saturaciónadiabática t*.

El índice * representa el estado de saturación.

m m = ma a a2 1

=

- Balances de energía:

av22

*

v2aa

*

f 1v2

*

v1v1v1aa m: / hmhmh)m(m+hmhm +=−+

h w h + (w - w h h + w ha 1 v 2*

1 f

*

a 2

*

v

*

1 1 2 2+ =)

h + (w w h h1 2*

1 f

*

2

*− =)

el término ( )w - w h 02*

1 f

* ≈

luego h h1 2*≈

de donde la entalpía total del aire húmedo en un proceso de saturación adiabáticopermanece aproximadamente constante.

t*

m ha 1 a 1

m hv 1 v 1

( )m m hv*

v f

*

2 1−

m ha a2 2

2v2

*

h mv


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t 1

t *

P v1P v2

1

2

T

S

4.- SICROMETROEs un instrumento que permite medir en forma aproximada la temperatura de saturaciónadiabática. Consiste en un dispositivo con dos termómetros, uno de los cuales mide latemperatura seca y el otro la temperatura húmeda, cubriéndolo con un algodónhumedecido con agua; el que se hace girar a una velocidad de 300 m/min.

Se debe tener en cuenta que existe unadiferencia distintiva entre la temperaturade bulbo húmedo termodinámica y latemperatura de bulbo húmedosicrométrica. La primera es unapropiedad de estado y la segunda está,

además, influenciada por latransferencia de calor y masa queocurre en la medición.

En las cartas sicrométricas, aparece la temperatura de bulbo húmedo termodinámica ylas diferencias con las sicrométricas dependen del rango de temperatura, humedades ytipo de sicrómetro que se emplee.

5.- CARTA SICROMETRICA.


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Ver anexos.

6.- PROCESOS SICROMETRICOS.6.1. Calentamiento o enfriamiento sensible (W = cte)

ma1

t1

W1

h1 h2

ma2

W2

t2q

W1=W2

t2t1

h2

h1

1 2

Balance de energía.

m h = q + m ha 1 1 a 2 2±

Balance de masa.

aire seco : m = m = ma 1 a 2 a

vapor agua : m w = m wa 1 1 a 2 2

luego q = m h - h (kJ / s)a 2 1± ( )

límite del enfriamiento t = t rocío

6.2. Deshumectación por enfriamiento.

W1

h1

t1

ma1

W2

q

h2

t2

ma2

mf

hf

Balance de masa.

aire seco : m = m = ma 1 a 2 a

t2

h1

1

W2

t1

2

h2W1


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vapor agua : m w = m + m wa 1 1 f a 2 2


m h = m h + q + m ha 1 1 f f a 2 2

luego q = m (h - h - m h (kJ / s)a 1 2 f f )

y m = m (w - w (kJ / s)f a 1 1 2 )

6.3. Humectación:

t1

h1

W1

ma1

t2

W2h2

ma2

mv hg

Balance de masa.

aire seco : m m = ma 1 a 2 a=

vapor agua : m w + m = m wa 1 v a 2 2

m = m (w - wm

m = w - wv a 2 1

v

a

2 1) ⇒


m h + m h = m h / ma 1 v g a 2 a

luego,

( )w - w h = h - h2 1 g 2 1 (*)

Forma de humectar.

a) Con líquido subenfriado hg = hf

( )w - w h = h - h2 1 f 2 1 y corresponde a la expresión final obtenida en el proceso

de saturación adiabática donde (w - w h 0 y h = h2 1 f 2 1) ≈


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b) Humectación con vapor.

b.1.) con tv = temperatura bulbo seco = t1

como hv = 2501 + 1.8 . t

y h = ha + w hv = t + w . (2501 + 1.8 . t)

de (*) (w - w h = t + w h - t - w h2 1 g 2 2 v 1 1 v) 2 1

t = t

h = h = h

2 1

v v v2 1

luego,

(w - w h = (w - w h

h = h

2 1 g 2 1 v

g v

) )

∴

de donde el proceso en la carta sicrométrica se indica en la figura másadelante.

b.2) con t tv 1≠

de (*) h w - h w = t + w h - t - w hg 2 g 1 2 2 v 1 1 v2 1

w (h - h = t - t + w (h - h2 g v 2 1 1 g v2 1) )

comom

m = w - w w = w

m

m

v

a

2 1 2 1

v

a

⇒ +

desarrollando

w h - w hm

mh h t t w h w h1 g 1 v

v

a

g v 2 1 1 g 1 v2 2 1+ − = − + −( ) y,

m

m h h t t w h h

v

a

g v 2 1 1 v v( ) ( )− = − + −2 2 1 (**)

como hv = 2501 + 1.8 . t

t1

h1=h2

t2

1

2W2

W1


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- si t2 < t1 hv2 < hv1

signos de la Ec. (**) (-) = (-) + (-)

∴ hg < hv2 < hv1

- si t2 > t1 hv2 > hv1

signos de la Ec. (**) (+) = (+) + (+)

∴ hg > hv2 > hv1

la representación gráfica será:

6.4. Combinación calentamiento y humectación.

W1

h1

t1 q

W2

mv hf

h2

t2

m a1 m a2

Balance de masa.

- aire seco : m = m = ma 1 a 2 a

- vapor agua : m . w m = m . w m = m w wa 1 1 v a 2 2 v a 2 1+ ⇒ −( )


m . h + q m . h = m . ha 1 1 c v f a 2 2+

h1

t1 t2

1

h2

2

W1

W2

h1=h2

2

t1

1W1

W22 2

hghv1


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m . (h - h q + m . h . (w - w = 0 /:m . (w wa 1 2 c a f 2 1 a 2 1) ) )+ −

h hw w

qm

h2 1

2 1

c

v

f −−

= + Ecuación de una recta.

6.5. Mezcla adiabática.

W2

h2

ma2

t2

W3

h3

ma3

t3

ma1

h1

t1

W1

Balance de masa.

- aire seco : m m = ma 1 a 2 a 3+

- vapor agua : m . w + m . w = m . wa 1 1 a 2 2 a 3 3

luego,

m . w + m . w = (m m . wa 1 1 a 2 2 a 1 a 2 3+ )

ordenando,

m . (w w m . (w - wa 1 1 3 a 2 3 2− =) )

m

m

w w

w w

a 1

a 2

3 2

1 3

=−

−

Balances de calor.

m . h m . h m . ha 1 1 a 2 2 a 3 3+ =

donde, m . h m . h m m . ha 1 1 a 2 2 a 1 a 2 3+ = +( )

ordenando,

h1

t1

1

t2

h2

2

W1

W2

W3

h3

t3

3


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m

m

h h

h h

a 1

a 2

3 2

1 3

=−

−

mm

w ww w

h hh h

a 1

a 2

3 2

1 3

3 2

1 3

= −−

= −−

Ecuación de una recta


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7.- CICLOS SICROMETRICOS

7.1. Ciclo para cámara de secado 1 vía (sentido normal)

Proceso 1 - 2 : evaporación agua (saturación adiabática) h = cte

Proceso 2 - 4 - 3 : mezcla adiabática q = 0Proceso 4 - 1 : calentamiento sensible w = cte

1

W3

W1=W4

W2

h1=h2=hs

tbs3

3

h3

2 Ws

tbhtbs4

tbs1tbs2

4

h4


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7.2. Ciclo acondicionamiento en invierno

QS

21 Q

2

A B C

4 3

mL

7.3. Ciclo de acondicionamiento de verano

RECINTO

QL

5


15/21


Qs

21 Q

2

A B C

4 3

mL

RSA/ccm

GUIA Nª1 SICROMETRIA

RECINTO QL

5


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1.- Dada las siguientes condiciones para el aire atmosférico de:

t = 30ºC φ = 50%t = 40ºC tbh = 25ºC (bulbo húmedo)

t = 20ºC tR = 10ºC (punto rocío)Determine, según corresponda, tanto por método analítico y mediante el uso de cartasicrométrica: temperatura bulbo húmedo, humedad relativa, humedad específica, temperaturapunto de rocío, entalpía y presión de vapor.

Resultados:

tbs tbh φ W trocìo h pva

ªC ªC % Kgv /kga ªC kJ/kg kPa

a 30 22 50 0.01338 18.4 64.32 2.133b 40 25 29.7 0.01375 19 75.66 2.19c 20 14.1 52.5 0.007633 10 39.5 1.2281

2.- 80 m3 /min de aire a t = 20ºC y φ = 50% se mezclan adiabáticamente con 20 m

3 /min de aire a t =

70ºC y φ = 20%. Determine las condiciones finales de la mezcla indicando temperatura bulboseco, temperatura bulbo húmedo, humedad relativa, entalpía, humedad específica y presión devapor.

3.- Una corriente de aire de 50 m3 /min con t = 75ºC y φ = 10% es rociada con agua líquida

pulverizada. Si la absorción de humedad es adiabática y la condición final del proceso es de t =45ºC, determine:a) Cantidad de agua que absorbe el aire. (0.595 kg/min)b) Temperatura punto rocío y humedad relativa del aire al final del proceso. (35.1 ªC), (59 %)

4.- Una corriente de aire de 120 m3 /min con t = 60ºC y φ = 60% desea enfriarse hasta la temperatura

de 40ºC con el fin de deshumectarla y reducir su humedad específica, luego debe calentarsesensiblemente hasta la temperatura de 90ºC. Determine:a) Qué cantidad de agua elimina el aire por deshumectación. (3.86 kg/min)


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b) Qué cantidad de energía debe extraerse del aire en ese proceso. (208.6 kW)c) Cuánto calor debe suministrarse en el calentamiento sensible. (102 kW)

5.- Si la reducción de humedad específica del aire del problema anterior se realiza mezclándolo conaire atmosférico a temperatura 25ºC y humedad relativa 40%, para luego eliminar el excedentede la mezcla, determine:a) Qué cantidad de aire atmosférico debe inyectarse al proceso para lograr la humedad

específica deseada. (110 m3/min)

b) Cuál es la temperatura final de la mezcla y su entalpía. (45.8 ªC), (171.7 kJ/kg)c) Cuánto calor debe entregarse a los 120 m

3 /min de aire para alcanzar la temperatura final del

proceso. (91.6 kW)d) Comparando, desde el punto de vista energético y de procesos, los resultados de ambos

problemas, cuál sugiere usted como más conveniente.

6.- Aire a razón de 20 m3 /min con una temperatura inicial de 50ºC y humedad relativa 30% se

mezclan con aire a razón de 10 m3 /min con temperatura 15ºC y humedad relativa 40%,

determine:a) Condiciones finales de la mezcla: t, tbh, w, h, pv,a (40.4 ªC), (27.6 ªC), (0.0182 kgv/kga), (87.4kJ/kg), (2.875 kPa)b) Si luego de la mezcla este aire se calienta sensiblemente hasta la temperatura de 70ºC,

determine cuánto calor debe suministrarse y las condiciones finales del aire. (15 kW)

7.- 50 m3 /min de aire a la temperatura bulbo seco de 80ºC y temperatura bulbo húmedo 40ºC

ingresan a un secador de partículas. Si a la salida del secador la temperatura bulbo seco del airees de 55ºC, determine (considerando proceso de saturación adiabática):a) Cuánta H2O evapora el aire en el secador. (0.485 kg/min)b) Las condiciones del aire a la salida. (t2=55 ªC), (W2=0.0415 kgv/kga), (h2=163.2 kJ/kg)


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GUIA Nª 2 CICLOS SICROMETRICOS

1. 80 m3/min de aire a la temperatura de 40°C y humedad relativa 30% ingresan a un

sistema de refrigeración de un equipo térmico, donde recibe cargas de calor sensible ycalor latente, saliendo de éste con una temperatura de 50°C y humedad relativa 30%. El

aire que sale del equipo debe ser tratado para su reinyección a éste. Si se considera laposibilidad de mezclarlo con aire atmosférico que se encuentra a la temperatura de 15°C

con 50% de humedad relativa, plantee un ciclo de trabajo para el aire con los procesos

que estime necesario con el fin de mantener las condiciones de operación, determinando

además: (por la vía analítica)

a) Ciclo sicrométrico con las condiciones del aire en cada punto.

b) Evalúe los diferentes procesos propuestos calculando los requerimientos de, por ejemplo:

calor requerido, cantidad y porcentajes de aire en la mezclas, otros

c) Determine la carga de calor sensible que recibe el aire en el recinto. (15.16 kW). d) Determine la cantidad de calor latente que recibe el aire en el recinto. (36.98 kW)

e) Determine la cantidad de calor que recibe el aire en el equipo. (12.5 kW)

f) Si el aire en el equipo recibiera solamente calor sensible hasta la temperatura de 50°C,

como lograría llevarlo nuevamente a las condiciones de impulsión de 40°C y 30% dehumedad relativa, explíquelo con palabra, apoyado por esquema y fundamente

adecuadamente su(s) respuesta(s).

2. Al recinto de la figura, el equipo de aire acondicionado entrega un flujo de aire de 70

m3 /min. Las condiciones del aire en algunos estados son las siguientes:

Estado Temperatura °C Humedad relativa

1 40 20

2 25 70

3 10 70

4 20 ---

Los componentes del equipo de aire acondicionado son:

A: Calefactor de calor sensible.

B: Serpentín de enfriamiento con deshumectación.

C: Ventilador centrífugo.

El aire en el recinto pierde calor sensible al ambiente y gana calor latente.

Determine: utilizando Carta Sicrométrica:

QS


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21 Q

2

A B C

4 3

mL

a) Ciclo sicrométrico con las condiciones del aire en cada punto.

b) Calor sensible que pierde el aire en el recinto. (-19.9 kW)

c) Calor latente que gana el aire en el recinto. (15.6 kW)

d) Cantidad de aire de renovación que ingresa por 3. (0.44 kg/s) e) Cantidad de agua que absorbe el aire en el recinto. (0.36 kg/min)

f) Cantidad de calor que cede el aire en el enfriamiento con deshumectación.(-15.6 kW) g) Cantidad de agua que elimina el serpentín enfriador.(-0.142 kg/min)

h) Cantidad de calor que entrega el equipo en el calentamiento sensible.(35.4 kW)

3. Al recinto de la figura, el equipo de aire acondicionado entrega un flujo de aire de 90m

3 /min. Las condiciones del aire en algunos estados son las siguientes:


1 10 60

2 20 50

3 29 40



B: Serpentín de enfriamiento con deshumectación.C: Ventilador centrífugo.

El aire en el recinto gana calor sensible del ambiente y gana calor latente del recinto.

El aire de renovación que ingresa por 3 corresponde a un 40% del impulsado por 1.

Determine, utilizando Carta Sicrométrica:

QS

RECINTO

QL

5

RECINTOQL


20/21


21/21



1 35

2 25 50

3 10 70



B: Serpentín de enfriamiento con deshumectación.

C: Ventilador centrífugo.

Determine: utilizando Carta Sicrométrica:

QS

21 Q

2

A B C

4 3

mL

i) Ciclo sicrométrico con las condiciones del aire en cada punto.

j) Calor total que gana o pierde el aire en el recinto. (- 4 kW)

k) Flujo de aire de impulsión (62.3 m3 /min.)

l) Temperatura del aire después de la mezcla adiabática ( 22 °C) m) Cantidad de agua que absorbe el aire en el recinto. (3.13E-3 kg/s)

n) Cantidad de calor que cede el aire en el enfriamiento con deshumectación. (-20.7 kW)

o) Cantidad de agua que elimina el serpentín enfriador.(-2.07E-3 kg/s) p) Cantidad de calor que entrega el equipo en el calentamiento sensible.(31 kW)

RECINTO

QL

5

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