Informe de Laboratorio 1 Psicometría termodinámica aplicada PDF

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Fecha: 2 de Mayo de 2021Departamento de Ingeniería Mecánica Área de TermofluidosNombre: Christian Sanhueza SepúlvedaSección: 2Profesor: Andrés Escalona InzunzaLABORATORIO 1: SICROMETRÍATERMODINÁMICA APLICADAÍndiceÍndice Índice Introducción Objetivos Marco Teórico Memoria de Cálculo Desarrollo..........

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Departamento de Ingeniería Mecánica Área de Termofluidos

LABORATORIO 1: SICROMETRÍA TERMODINÁMICA APLICADA

Nombre: Christian Sanhueza Sepúlveda Sección: 2 Profesor: Andrés Escalona Inzunza

Fecha: 2 de Mayo de 2021

Índice

Índice ............................................................................................................................ 1 Introducción .................................................................................................................. 2 Objetivos ....................................................................................................................... 3 Marco Teórico ............................................................................................................... 4 Memoria de Cálculo ....................................................................................................... 4 Desarrollo...................................................................................................................... 5 Conclusión ................................................................................................................... 11

Introducción En el siguiente informe se estudiará la rama de la termodinámica correspondiente a la sicrometría, la cual es una ciencia que estudia los fenómenos en los que participa el aire húmedo, ya sean sus distintas propiedades, procesos y ciclos. La experiencia de laboratorio consistió en entender y evaluar los parámetros presentes en un banco de ensayo el cual tiene como principales componentes un compresor, un condensador, un evaporador y una válvula de expansión, que en conjunto le brindan distintas propiedades al fluido que entra que en este caso es aire atmosférico. Algunos de los conceptos a estudiar en esta experiencia fueron los de temperatura, ya sea de bulbo seco, bulbo húmedo y saturación, entalpía, humedad específica y relativa, y propiedades del aire dependiendo de su estado, por ejemplo si se encuentra en estado seco o húmedo.

Objetivos •

•

Conocer y usar instrumentos de medición utilizados en sicrometría. Estudiar experimentalmente los procesos sicrométricos conocidos como calentamiento sensible y deshumectación por enfriamiento del aire húmedo.

Marco Teórico La psicometría es una ciencia que forma parte de la termodinámica la cual estudia los procesos y ciclos en los que interviene el aire húmedo, así como conceptos referentes a propiedades del ambiente o contexto del caso a estudiar como lo son la temperatura y la humedad. Para cada uno de estos conceptos existen subdivisiones de conceptos debido a que existen diversos contextos en los cuales se pueden estar registrando, por lo tanto, cuando se mencionen en el enunciado de un ejercicio, los distintos parámetros a estudiar, en conjunto de las ecuaciones anteriormente mencionadas o de la carta sicrométrica se podrá tener una idea o análisis de la sustancia a estudiar. Para lo anterior se considera el concepto de entalpía, el cual en este caso va a estar ligado al aire húmedo, de la misma forma en que las variantes del aire como la anterior estarán definidas, siendo estas el aire seco y el aire húmedo. Para estudiar las propiedades y estado del aire atmosférico se debe aplicar la entalpía la cual corresponde a la cantidad de calor que un sistema termodinámico libera o absorbe al entorno que lo rodea cuando está a una presión constante. En cuanto as la temperatura se puede hablar de temperatura de bulbo seco, la cual corresponde a la temperatura medida solamente en el aire seco, es decir sin agua de por medio, mientras que la temperatura del bulbo húmedo es la que ve sea a encargar de medir la temperatura para el porcentaje de agua en el aire en un lugar húmedo. Luego para la humedad se tiene ésta específica y relativa, siendo la primera correspondiente a cantidad medida en kilógramos de vapor o agua en el aire por cada kilógramo de aire seco, mientras que la humedad relativa hace referencia al porcentaje de vapor o agua presente en el aire , que está cerca del punto de saturación para un ambiente o sistema determinado. Finalmente y no menos importante se tiene la carta sicormétrica la cual teniendo dos o más propiedades intensivas, brinda los todos los datos necesarios mencionados anteriormente, para una evaluación de estado de manera correcta.

Memoria de Cálculo Para las siguientes fórmulas se tiene que el subíndice “a” corresponde aire seco, “v” corresponde a vapor, “ah” corresponde a aire húmedo y “vs” corresponde a vapor saturado. 1.

Balance de Masa:

𝑚𝑎 + 𝑚𝑣 = 𝑚𝑎ℎ

Donde m= Masa en [kg] o [kg/s] en caso de ser flujo másico. 2.

Relación de temperaturas: 𝑇𝑎 = 𝑇𝑉 = 𝑇𝑎ℎ o

Donde T= Temperatura [ C] 3.

Relación de Volumen:

𝑉𝑎 = 𝑉𝑣 = 𝑉𝑎ℎ

Donde V= Volumen. En esta relación se debe tener en cuenta que el volumen del aire húmedo es igual al volumen de aire seco, el volumen de vapor se considera despreciable. 4.

Relación de presiones:

𝑃𝑎 + 𝑃𝑣 = 𝑃𝑎ℎ

Donde P= Presión 5.

Ecuación de Estado: 𝑃𝑎 = 𝜌𝑎 ∗ 𝑅𝑝𝑎 ∗ 𝑇𝑎

Donde P= Presión; Rpa= 237 [J/kgK]; T= Temperatura. 6.

Ecuación de Estado: 𝑃𝑣 = 𝜌𝑣 ∗ 𝑅𝑝𝑣 ∗ 𝑇𝑣

Donde P= Presión; Rpv= 462 [J/kgK]; T= Temperatura. 7.

Humedad Relativa HR: Φ=

𝑚𝑣 𝑃𝑣 = 𝑚𝑣𝑠 𝑃𝑠

Donde m= Masa; P= Presión. 8.

Humedad Específica w: 𝑤=

Donde m= Masa. 9.

Despeje de Ecuación de Estado:

𝑚𝑣 𝑚𝑎

𝑃𝑣 𝑃𝑣 ) 𝑤 = 0,622 ∗ ( ) = 0,622 ∗ (𝑃𝑎ℎ − 𝑃𝑣 𝑃𝑎

Donde P= Presión. 10.

Entalpía del Aire húmedo: ℎ = ℎ𝑎 + 𝑤 ∗ ℎ𝑣

Donde h= Entalpía; w= Humedad Específica. 11.

Calentamiento sensible:

Ilustración 1: Esquema Calentamiento Sensible

•

•

•

12.

Balance de masa aire seco

𝑚𝑎1 = 𝑚𝑎2 = 𝑚𝑎

Balance de masa vapor de agua 𝑚𝑣1 = 𝑚𝑣2 Balance de energía

𝑚𝑎 ∗ 𝑤1 = 𝑚𝑎 ∗ 𝑤2

𝑚𝑎 ∗ ℎ1 + 𝑞 = 𝑚𝑎 ∗ ℎ2

𝑞 = 𝑚𝑎 ∗ (ℎ2 − ℎ1 )

Deshumectación por enfriamiento:

Ilustración 2: Esuqema Deshumectación por Enfriamiento

Caso Ideal: •

•

Balance de masa aire seco:

𝑚𝑎1 = 𝑚𝑎2 = 𝑚𝑎

Balance de masa vapor de agua: 𝑚𝑣1 = 𝑚𝑣2 + 𝑚𝑓

•

𝑚𝑓 = 𝑚𝑎 ∗ (𝑤1 − 𝑤2 )

Balance de energía: 𝑚𝑎 ∗ ℎ1 = 𝑞 + 𝑚𝑎 ∗ ℎ2 + 𝑚𝑓 ∗ ℎ𝑓 ℎ𝑓 ≈ 4.18

𝑇𝑃𝑅1 + 𝑇𝑃𝑅2 2

𝑞 = 𝑚𝑎 ∗ (ℎ1 − ℎ2 − ℎ𝑓 ∗ (𝑤1 − 𝑤2 )) Caso Real: •

Balance de masa aire seco: 𝑚𝑎1 = 𝑚𝑎2 = 𝑚𝑎2´

•

Balance de masa vapor de agua: 𝑚𝑣1 = 𝑚𝑣2 + 𝑚𝑣2´ 𝑤1 ∗ 𝑚2 + 𝑤2 ∗ 𝑚2 = 𝑤2´ ∗ 𝑚2´ 𝑚𝑓 = 𝑚𝑎2 ∗ (𝑤1 − 𝑤2´ )

•

Balance de energía: 𝑚𝑎2 ∗ ℎ1 = 𝑞 + 𝑚𝑎2 ∗ ℎ2 + 𝑚𝑓 ∗ ℎ𝑓 ℎ𝑓 ≈ 4.18

𝑇𝑃𝑅1 + 𝑇𝑃𝑅2 2

𝑞 = 𝑚𝑎2 ∗ (ℎ1 − ℎ2 − ℎ𝑓 ∗ (𝑤1 − 𝑤2 ) 𝑚𝑎1 ∗ ℎ1 + 𝑚𝑎2 ∗ ℎ2 = 𝑚𝑎2´ ∗ ℎ𝑎2´

Desarrollo Se tiene el siguiente esquema de laboratorio correspondiente al banco de ensayo que se utilizó en la experiencia:

Ilustración 3: Banco de Ensayo

En la ilustración 1 se indican los principales componentes del sistema que consisten en un compresor, un condensador, una válvula termostática y un evaporador. •

Procedimiento:

“Para los procesos propuestos de calentamiento sensible y deshumectación por enfriamiento del aire húmedo ambiente se dispone de intercambiadores de calor (condensador y evaporador) en el panel de refrigeración Scott de laboratorio, éste equipo usa refrigerante R – 12. El condensador permite el calentamiento sensible del aire y el evaporador permite enfriar el aire a temperaturas menores que la temperatura de rocío. Además, cada intercambiador (condensador - evaporador) posee un ventilador que permite generar la circulación del aire.” Con los siguientes datos entregados por el profesor a cargo del laboratorio se procedieron a señalar en la carta sicrométrica los parámetros solicitados:

•

Condiciones ambientales:

Temperatura Bulbo seco

20 [°C]

Temperatura bulbo húmedo

15 [°C] Tabla 1: Condiciones Ambientales

*Presión ambiente: 101.325 [Pa] •

Calentamiento sensible:

Temperatura bulbo seco

25 [°C]

Temperatura bulbo húmedo

16,8 [°C]

Velocidad del aire

2 [m/s]

Diámetro ducto

30 [cm] → 0,3 [m] Tabla 2: Calentamiento Sensible

•

Deshumectación por enfriamiento:

Temperatura bulbo seco

5 [°C]

Temperatura bulbo húmedo

5 [°C]

Velocidad del aire

3 [m/s]

Diámetro ducto

30 [cm] → 0,3 [m] Tabla 3: Deshumectación por Enfriamiento

A continuación se tienen los datos ubicados en la carta sicrométrica para cada caso:

Ilustración 4: Carta Sicrométrica para Condiciones ambientales

Temperatura Punto de Rocío

11,5 [°C]

Humedad Específica

0,0085 [kgv/kgas]

Humedad Relativa

58% - 59%

Entalpía

33 ó 42 [kJ/kgas]

Volumen Específico

0,842 [m3/kgas] Tabla 4: Datos obtenidos para Condiciones Ambientales

Ilustración 5: Carta Sicrométrica para Calentamiento Sensible

Temperatura Punto de Rocío

11,5 [°C]

Humedad Específica

0,0085 [kgv/kgas]

Humedad Relativa

43% - 44%

Entalpía

47 [kJ/kgas]

Volumen Específico

0,856 [m3/kgas] Tabla 5: Datos obtenidos para Calentamiento Sensible

Ilustración 6: Carta Sicrométrica para Deshumectación por Enfriamiento

Temperatura Punto de Rocío

5 [°C]

Humedad Específica

0,0055 [kgv/kgas]

Humedad Relativa

100%

Entalpía

18,9 [kJ/kgas]

Volumen Específico

0,794 [m3/kgas] Tabla 6: Datos obtenidos para Deshumectación por Enfriamiento

Conclusión En conclusión se puede mencionar que la consecución de valores gracias a la carta sicrométrica es una aseveración cercana a los valores reales que podrían tener las tres distintas situaciones estudiadas, debido a que el ojo humano no tiene la exactitud necesaria para ubicar las líneas de referencia de forma inequívoca en la carta, por lo que para el caso de un cálculo donde se requiera precisión en el resultado es recomendable utilizar las ecuaciones de estado y balances para cada situación. La toma de datos como lo son principalmente las temperaturas también puede variar según cómo se encuentren los termómetros utilizados, ya que por ejemplo en este laboratorio se utilizó un termómetro bimetálico el cual en general podría haber sido reemplazado por algún termómetro más nuevo y exacto. En general si se toma en cuenta que los resultados son un estimado se puede decir que se cumplen algunas de las propiedades esperadas, y esto se puede ver claramente en el caso de deshumectación por enfriamiento, donde al coincidir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo se pudo llegar a la conclusión de que el aire estaba saturado y la humedad relativa era del 100%....