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