informe de termodinamica humedad usm

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  • 8/19/2019 Informe de termodinamica humedad usm

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    Termodinámica II – Informe de laboratorio

    Determinación de la humedad relativa del aire

    Iván Benítez Morales, Jaime Reyes Lira, Alejandro Peña Aguirre 

    Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica Federico Santa Mara, Valparaíso, Chile.

    17 de Diciembre, 2013

    Resumen: El aire es una mezcla de gases

    que constituye la atmósfera terrestre y

    que está compuesta por 78% de

    Nitrógeno (N2), 21% de oxígeno y

    pequeñas cantidades de otros gases.

    Generalmente el aire de la atmósfera

    contiene una cantidad de agua (humedad)

    es por esto que en termodinámicaconviene tratar el aire como una mezcla

    de vapor de agua y aire seco (aire sin

    presencia de humedad, es decir humedad

    relativa cero). En esta experiencia como

    objetivo principal se verificó

    empíricamente la existencia de dicha

    humedad, y la cuantificación de esta,

    mediante la medición de temperatura

    ambiental en el laboratorio antes de

    realizar la experiencia (presión y

    temperatura atmosférica, para

    comprobar: la humedad relativa del aire)

    para posteriormente medir: flujo de aire

    del sistema y la masa de agua atrapada

    por el cloruro de calcio (CaCl2) a través de

    la determinación de variación de masa de

    dicha sal en las trampas. Fué necesario

    apoyarse del programa “PsychroCalc” 

    para mayor exactitud en los cálculos

    proporcionados (disminuir el error) y

    otorgarle una mayor validez a estos.

    1) 

    Formulación teóricaEl objetivo de este trabajo es determinar

    experimentalmente la humedad relativa

    del aire en las condiciones ambientales

    del laboratorio (Temperatura=25°C y

    Presión= 760 mmHg). Se requiere conocer

    la masa de agua contenida en el flujo de

    aire y para este tipo de medición se utilizó

    una trampa de sales higroscópicas, en

    este caso, cloruro de calcio, la cual tiene la

    propiedad de absorber el vapor de agua,

    reteniéndolo y permitiendo que se

    obtenga aire con 0% de humedad relativaes decir, aire seco. Para determinar el

    flujo másico que

    paso por las trampas de agua se utiliza la

    siguiente relación:

    ̇ = []

    []∗

    1[]60[]

    ∗1[]

    1000[]

    ∗1 [3]

    1000 [] 

    [][3]

    ∗ 20[]

    ∗60 []

    1 [] 

    Donde Q es el caudal medido en el

    laboratorio mediante un rotámetro, en[]

    []y   es la densidad del aire en las

    condiciones del laboratorio en[]

    [] 

    obtenida mediante el software

    PsychroCalc.

    La masa de agua contenida en el aire se

    obtiene de

    = ( − )+ (

    − ) Donde mtrampa1 y mtrampa2 corresponde a la

    masa de la trampa 1 y 2 antes y después

    de hacer pasar el flujo de aire.

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    Para determinar la masa de aire seco

    basta con restar a la masa de aire húmedo

    la masa de agua que quedo atrapada en

    las trampas:

    = −  

    La humedad absoluta del aire ω

    representa la masa de agua total que se

    encuentra en la masa de aire y viene dada

    por la ecuación

    =

     

    ‘’El estado del aire a una presión

    especificada se establece por completo

    mediante dos propiedades intensivas

    independientes”  La carta psicométrica

     juega un rol importante a la hora de

    ahorrar tiempo en cálculos innecesarios

    ya que estos han sido tabulados y

    graficados en esta para determinar ciertas

    propiedades de una mezcla de gas-vapor,

    como lo es por ejemplo: la entalpía, el

    volumen específico, la humedad relativa,

    temperatura de bulbo seco, temperaturade bulbo húmedo, humedad absoluta etc.

    En nuestro caso, usaremos el programa ya

    mencionado para una mayor

    aproximación ingresando los valores de

    presión atmosférica, temperatura del aire

    (bulbo seco) y humedad relativa

    (condiciones iniciales de laboratorio).

    2) 

    Procedimiento Experimental

    Se utiliza un sistema lo más hermético

    posible compuesto con los siguientes

    accesorios:

    (1) Compresor de aire (ventilador)

    Marca: JK

    (2) Rotámetro

    Marca: Cole - Parmer

    N° 052-01

    Rango: 0 – 60 [mm]

    Resolución: 1 [mm]

    (3) Termómetro

    Marca: Brannan

    Rango: -20 - 110 [°C]

    Resolución: 1 [°C]

    (4) Cronometro

    Marca: Lab Alert

    (5) Trampas de Agua

    Material: vidrio

    Material absorbente: cloruro de

    calcio (Ca Cl2)

    Adicionalmente se tiene un pedestal, piso

    para termómetro, instrumentos para

    medir condiciones ambientales

    (termómetro e higrómetro) y balanzaanalítica.

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    Termómetro e Higrómetro

    Balanza analítica

    Marca: Met

    Rango: 0 – 160 [gramos]

    Resolución: 0,001 [mg]

    Se pesan las trampas con el cloruro de

    calcio antes de iniciar el experimento en

    la balanza analítica, luego se enciende el

    ventilador por 30 minutos

    cronometrados, se registra la

    temperatura con el termómetro. Se

    regula el flujo de aire constante a 336

    [ml/min] y finalmente después de 30

    minutos se pesan nuevamente las

    trampas de agua para así luego calcular la

    diferencia de masas la cual

    correspondería a la masa de agua

    absorbida por las sales.

    3) 

    ResultadosSe miden las condiciones ambientales

    iniciales, previas a la experiencia: 

    Tabla 1: Condiciones iniciales

    laboratorio

    Presión [mmHg]: 764

    Humedad (%): 60

    Temperatura [⁰C]:  21

    Caudal medido (Q) utilizando la tabla

    mostrada en el laboratorio se obtiene

    un caudal de:

    Q= 336 [ml/min]

    Utilizando el software se obtiene lo

    siguiente:

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    Del cual extraemos “Moist Air  Density”

    (densidad de aire húmedo)

     = 1,1996[kg/m^3]

    Tabla de masa de trampas de agua antes

    y después de la medición:

    Tabla 2: Mediciones de trampas

    Masainicial

    [gr]

    MasaFinal

    [gr]

    Variaciónde masa

    [gr]

    Trampa 1 53,68674 53,77872 0,09198

    Trampa 2 52,32261 53,32522 0,00261

    Utilizando la ecuación se obtiene la masa

    del aire:

    = −  

     = 0,012091 [kg] = 12,091968[gr]

    = 0,09198 + 0,00261[]

    = 0,09459 []  = 12,091968 − 0,09459= 0,01199 [] 

    Por consiguiente se obtiene la humedad

    absoluta del aire :

    =

    =

    0,09459 0,01199

     

    = 7,884 [gr/kg]

    Finalmente entramos a la carta

    psicométrica mostrada a continuación

    con los datos de bulbo seco y la humedad

    absoluta calculada para obtener la

    humedad relativa obtenida

    empíricamente.

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    Obteniendo un valor de O = 48%

    (Aproximado) Para analizar la validez de la

    Experiencia se obtiene el error porcentual

    de la humedad relativa.

    % ∅ =0,6 − 0,48

    0,6 100 = 20 %

    Tabla de condiciones ambientales finales

    para suponer condiciones ambientales

    constantes

    Tabla 3: Condiciones finales

    laboratorio

    Presión [mmHg]: 763

    Humedad (%): 60

    Temperatura [⁰C]:  21

    4) 

    Análisis y Conclusiones

    El error obtenido en el cálculo empírico de

    la humedad con respecto al instrumento

    del laboratorio fue de un 20%. Esto valida

    el método de calcular la humedad relativadel aire mediante el cloruro de calcio, ya

    que se considera lo suficientemente

    cercano al valor real considerando las

    fallas humanas y de resolución de los

    instrumentos. Analizando mas a fondo los

    posibles errores, cabe destacar que el

    flujo de aire no fue relativamente

    constante durante los 30 minutos de

    medición, si no, que hubo pequeñas

    variaciones en ella.

    También se debe considerar que las

    trampas al tener una masa tan pequeña

    puede existir un error en

    la lectura de estas. Y finalmente el

    error humano de la lectura de la humedad

    en el instrumento de laboratorio y una

    mejor resolución del mismo. En resumen

    considerando estos errores y generando

    algún mecanismo que los elimine, se

    puede llegar un resultado más exacto de

    la humedad relativa del aire.

    5)  Bibliografía y referencias

    [1] Yunus A. Cengel  –  Michael A.Boles,

    McGraw-Hill, 6° edición, capítulo 14-5