Informe de Laboratorio N1-OPU-2021-01 PDF

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Curso: OPERACIONES UNITARIAS SECCIÓN: IS6B LABORATORIO N° Ciclo: 2021- 01 Profesor: Pedro Pablo Ubillus Purizaca Fecha:07/04/ Rúbrica para la Evaluación del Laboratorio N°1: Parámetros del aireCriterioApellidos y nombresPuntualidad (2 p)Presentación del Informe ( p)Organización de gru po ( p)TotalAs...

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Curso: OPERACIONES UNITARIAS Ciclo: 2021-01

SECCIÓN: IS6B

LABORATORIO N°1

Profesor: Pedro Pablo Ubillus Purizaca

Fecha:07/04/21

Rúbrica para la Evaluación del Laboratorio N°1: Parámetros del aire Organización de gru po (2 p)

Apellidos y nombres Bravo Quispe Juan Castillo López Leonel Ludeña Becerra Teresa PalominoCastiloAriana

Asiste con 10 o más minutos de tardanza a la sesión (0 p)

Asiste a la sesión en hora indicada (2 p)

Criterio

Informe del 1 al 4. (6 p) Los alumnos identifican instrumentos de medición de

(10 p) Informe del 5 al 6. Los alumnos utilizan datos de parámetros del aire para

las propiedades del aire y utilizan los datos tomados para calcular lahumedad relativa y el punto de rocío del aire ambiental. Emplean la carta psicrométrica y/o la tabla de

resolver problemas relacionados con el balance de materia y el balance de energía. Muestran sus cálculos de manera ordenada, clara y expresan sus resultados en las unidades correctas. Proponen con criterio, el usodel

presiones devapor. Expresan correctamente sus resultados.

equpo disponible para diseñar un nuevo experimento o corrida experimental que lleve a conclusiones importantes del estudio del aire húmedo.

Emplean correctamenmte la carta de humedad para determinar las propiedades del aire. Muestran conclaridad cómo obtienen los parámetros del aire mediante la carta psicrométrica (6 -4 p)

Muestran el desarrollo de manera Emplean incorrectamente clara, con el uso de las ecuaciones la carta psicrométrica. No apropiadas. Los resultados son correctos y emplean las unidades muestrancon claridad correspondientes. Proponen el cómo usaron el diagrama diseño de un experimento útil con de humedad. Tienen errores. (3 los equipos disponibles. (10-6 p) -1 p)

No muestran una secuencia clara de sus cálculos. Tienen errores ensus cálculos y/o resultadosy/o unidades. Proponen el diseño de un experimento con los equipos disponibles que no conlleva a conclusiones importantes. (5-1 p)

Muestran poca actitud y poca disposición para realizar el trabajo

Presentación del Informe(16 p)

Trabajan en equipo, discuten, resuelven y contestan

Puntualidad (2 p)

Total

Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIAL Asignatura: OPERACIONES UNITARIAS LABORATORIO N° 1 PARÁMETROS DEL AIRE HÚMEDO: MEDICIÓN, INTERPRETACIÓN Y APLICACIÓN OBJETIVOS: Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de: • Identificar las variables fundamentales (parámetros) en los procesos de acondicionamiento de aire. • Utilizar instrumentos de medición de estas variables para determinar otras empleando tablas o diagramaspsicrométricos. • Proponer algún diseño de experimento con el equipo disponible, para aprovecharlo en el conocimiento delestudio del aire húmedo. • Analizar un proceso de acondicionamiento del aire aplicando correctamente los balances de materia yenergía. FUNDAMENTO TEORICO: El desarrollo de tecnología industrial, como los equipos de aire acondicionado, los secadores, los aparatos de refrigeración, ha requerido el estudio de varios procesos que tienen lugar con aire húmedo; el aire húmedo es una mezcla aire-vapor de agua; estos procesos conllevan operaciones de calentamiento o enfriamiento, humidificación o deshumidificación. El análisis y solución de los problemas que se presentan con estos procesos requiere la aplicación de: a) El principio de conservación de la masa, b) El principio de conservación de la energía y c) El conocimiento de la información de las propiedades del aire húmedo (mezclas aire-vapor de agua).Lectura: Balance de materia y energía en operaciones con aire húmedo. PARTE EXPERIMENTAL: 1) Prender el equipo de aire acondicionado, activar el ciclo de refrigeración para obtener aire frío y fijar un caudal. 2) Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo del aire atmosférico (entrada) y del aire frío(salida) y la caída de presión con el manómetro de agua con la cual se calculará el flujo de masa. 3) Haga girar el instrumento varias veces, luego de lo cual anote las temperaturas de bulbo seco y bulbohúmedo. INFORME: 1) Describa los instrumentos de medición utilizados. 2) Utilizando el diagrama de humedad determine la humedad absoluta, la humedad relativa y el punto derocío del aire atmosférico. 3) Represente en un diagrama de humedad, el proceso seguido por el aire. 4) Determine el flujo másico de agua condensada de darse el caso, por el enfriamiento del aireatmosférico. 5) De qué otra manera se podría aprovechar el equipo de acondicionamiento de aire, con sus instrumentos de medición para realizar alguna corrida experimental que permita llegar a conclusiones importantes en cuanto al estudio del aire húmedo. 6) Resuelva el problema de aplicación que su profesor le entregará. Presente sus cálculos de manera ordenada y secuencial.

PARÁMETROS DEL AIRE HÚMEDO: MEDICIÓN, INTERPRETACIÓN Y APLICACIÓN

Datos experimentales

EQUIPO: GRUPO 3 HORA: 9 am -11 am DATOS:

Aire atmosférico (entrada) Aire frío (salida)

Tbulbo seco ( °C )

Tbulbo húmedo ( °C )

P (mm H2O)

29.6

23.1

16

14.0

14.2

PRESIÓN BAROMÉTRICA:

V (m3/h) 265

744.8 mmHg 744.8 𝑚𝑚𝐻𝑔 ∗ (

101.325𝐾𝑝𝑎 ) = 99.30 𝐾𝑝𝑎 760 𝑚𝑚𝐻𝑔

Integrantes del grupo: Bravo Quispe Juan Castillo López Leonel ___________________________________________ Ludeña Becerra Teresa

Palomino Castillo Ariana

3

INFORME 1) Describa los instrumentos de medición utilizados para tomar los datos: Los instrumentos de medición usados en el laboratorio son: El barómetro: es un instrumento que se utiliza para medir los valores de la presión atmosférica. La termocupla: es un sensor de temperatura, que se elabora a partir de dos alambres de diferentes materiales. Se encarga de detectar la temperatura en la entrada y en la salida del bulbo húmedo y bulbo seco. El manómetro: se encarga de medir la diferencia de presión manométrica entre dos puntos. En el equipo del laboratorio, la solución registro la diferencia de presiones. 2) Con los datos experimentales obtenidos y usando el diagrama de humedad, determine la humedad absoluta, la humedad relativa, humedad molar, temperatura de rocío del aire atmosférico. Grafique en el diagrama los trazos realizados en cada caso.

3) Represente el proceso de enfriamiento. Indique cambios en humedad relativa y temperatura de bulbo húmedo.

4

Gracias al gráfico, se llega a la conclusión que la humedad relativa aumento de 60% a 100%. Así mismo se puede observar que la temperatura del bulbo húmedo en la salida no es igual a la temperatura del bulbo saturado de salida. Esto indica que el aire húmedo no esta saturado y aun puede recepcionar agua. Y la humedad absoluta en la salida es de 0.01. 4) Determine el flujo de agua condensada, de darse el caso, por el enfriamiento del aire atmosférico. 𝐹𝐴𝑆 =

𝑉󰇗

𝑣𝐴𝐻

1

𝐻

Ahora 𝑣𝐴𝐻 = [ 29 + 18] ∗

𝑅∗𝑇 𝑃

𝑣𝐴𝐻 = [

1 0.0151 8.314 ∗ 287 + ]∗ 101.325𝑘𝑝𝑎 29 18 744𝑚𝑚𝐻𝑔 760𝑚𝑚ℎ𝑔

𝑣𝐴𝐻 = 0.8497

Hallar 𝑉󰇗

𝑚3 𝐴𝐻 𝐾𝑔𝐴𝑆

3 𝑉󰇗 = 265 𝑚 ⁄ℎ

Reemplazando en I: 𝐹𝐴𝑆 =

𝑉󰇗 = 𝑣𝐴𝐻

3 265 𝑚 ⁄ℎ 𝑚3 𝐴𝐻 0.8497 𝐾𝑔𝐴𝑆

𝐹𝐴𝑆 = 311.875

𝐹𝐻2𝑂

𝑘𝑔 𝐴𝑆 ⁄ ℎ

Entonces: 𝐹𝐻2𝑂 = 𝐹𝐴𝑆 ∗ (𝐻1 − 𝐻2) 𝑘𝑔 𝐻2𝑂 𝑘𝑔 𝐴𝑆 ⁄ = 311.875 ℎ ∗ (0.0151 − 0.01) 𝑘𝑔 𝐴𝑆 𝐹𝐻2𝑂 = 1.591

𝑘𝑔 𝐻2𝑂 ℎ

El flujo de agua condensada es de 1.591 kg H2O/h.

5

5) De qué otra manera se podría aprovechar el equipo de acondicionamiento de aire, con sus instrumentos de medición para realizar alguna corrida experimental que permita llegar a conclusiones importantes en cuanto al estudio del aire húmedo. Otro modo en el que se podría aprovechar el equipo de acondicionamiento de aire y sus instrumentos seria realizar una corrida experimental para cada diferente temperatura, para que así no haya una condensación del agua. Para determinar el flujo de calor de se debe suministrar al aire, se debe medir mediante otras condiciones y realizar un balance de energía con el flujo de aire seco y las entalpias del aire húmedo.

6) PROBLEMA DE APLICACIÓN: Un sistema de aire acondicionado consiste de dos etapas. En la primera el aire atmosférico, a 38°C con 65% de humedad relativa es enfriado hasta 14°C. Este aire es calentado en una segunda etapa hasta 24°C. Por cada 10 m3 de aire atmosférico: a) Muestre el proceso o trayectoria seguida por el aire en el diagrama adjunto. Fah1 hAH1 ENFRIADOR T1= 38 C = 311 K Hr1= 65%

Fah3 hAH3

Fah2 hAH2

CALENTADOR

T2= 14 C = 287 K

T3= 24 C = 297 K

Agua condensada F Para saber si el agua condensa determinaremos la temperatura de roció (Tr) del aire caliente: 𝑇2 < 𝑇𝑟 Por lo tanto, hay condensación.

6

b) Calcule los kilogramos de agua condensada. Balance de masa total en el enfriador: 𝐹𝑎ℎ1 = 𝐹𝑎ℎ2 + 𝐹 𝐹𝑎𝑠 ∗ (𝐻1 + 1) = 𝐹𝑎𝑠 ∗ (𝐻2 + 1) + 𝐹 𝐹𝑎𝑠 ∗ (𝐻1 − 𝐻2) = 𝐹 … . … . … … . . (𝐼) Calculamos el volumen especifico del aire húmedo en la entrada: 𝐻1 𝑅 ∗ 𝑇 1 )∗ 𝑣𝑎ℎ1 = ( + 29 18 𝑃

𝑘𝑃𝑎 ∗ 𝑚 3 0.0275 8.314 𝐾𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾 ∗ 311 𝐾 1 )∗ = 0.9189 𝑚3 𝐴𝐻/𝑘𝑔𝐴𝑆 𝑣𝑎ℎ1 = ( + 29 18 101.35 𝑘𝑃𝑎

También: 𝑣𝑎ℎ1 = (

𝑉𝑎ℎ1 ) 𝐹𝑎𝑠

10 𝑚3 ) 𝐹𝑎𝑠 𝐹𝑎𝑠 = 10.88 𝐾𝑔𝐴𝑆

0.9189 𝑚3 𝐴𝐻/𝑘𝑔𝐴𝑆 = ( Reemplazando valores en (I):

10.88 𝐾𝑔𝐴𝑆 ∗ (0.0275 − 0.010) = 𝐹 𝐹 = 0.1904 𝑘𝑔𝐴𝑆 Rpta. La masa del agua condensada es de 0.1904 kgAS. c) Los m3 de aire acondicionado (aire a 24°C). 𝐹𝑎ℎ2 = 𝐹𝑎ℎ3 𝐹𝑎𝑠(𝐻2 + 1) = 𝐹𝑎𝑠(𝐻3 + 1) 0.010 + 1 = (𝐻3 + 1) H2=H3=0.010 𝐾𝑝𝑎. 𝑚3 1 0.010 8.314 𝐾𝑚𝑜𝑙. 𝐾 ∗ 297𝐾 𝑚3 𝐴𝐻 𝑣𝑎ℎ3 = ( + = 0.8539 )∗ 29 101.325 𝐾𝑝𝑎 18 𝑘𝑔𝐴𝑆 0.8539

𝑚3 𝐴𝐻 𝑉𝑎ℎ3 = 𝑘𝑔𝐴𝑆 10.88 𝑘𝑔𝐴𝑆

𝑉𝑎ℎ3 = 9.29𝑚3

Rpta Rpta. El volumen del aire acondicionado a 24℃ es de 9.29 m3 7

d) Determine los kWh de energía requerida en el calentamiento Del balance de energía en el calentador: 𝑄 = ∑ 𝐹 × ℎ𝑠 − ∑ 𝐹 × ℎ𝑒 𝑄 = 𝐹𝑎𝑠 × ℎ𝐴𝐻2 − 𝐹𝑎𝑠 × ℎ𝐴𝐻3 𝑄 = 𝐹𝑎𝑠(ℎ𝐴𝐻2 − ℎ𝐴𝐻3) •

•

hAH2=2501.4*0.010+(1.005+1.88*0.010) *(14-0) ℃ hAH2=39.3472 𝑘𝑗/𝑘𝑔𝐴𝑆

hAH3=2501.4*0.010+(1.005+1.88*0.010) *(24-0) ℃ hAH3=49.5852 𝑘𝑗/𝑘𝑔𝐴𝑆

𝑄 = 10.88 𝑘𝑔𝐴𝑆 ∗ (49.5852 − 39.3472)𝑘𝑗/𝑘𝑔𝐴𝑆

𝑄 = 111.3894 𝑘𝑗

Los kWh de energía requerida en el calentamiento 111.3894 𝑘𝑗 ×

1 𝑘𝑊ℎ 3600 𝑘𝑗

0.0309 𝑘𝑊ℎ Rpta. La energía requerida en el calentamiento es de 0.0309 kWh.

8

9

6.-Diagrama de humedad para el sistema aire-vapor de agua a 101 kPa 0.120 0.070 0.110

0.100 0.060

0.050

0.080

0.070 0.040 0.060

0.050

0.030

0.040 0.020 0.030

0.020 0.010 0.010

0.5000

0.000 0

10

20

30

40

50

Temperatura (°C)

60

70

80

90

Humedad (mol agua / mol aire seco)

Humedad (kg agua / kg aire seco)

0.090...