Laboratorio 1 - Grupo 3 PDF

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Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIALAsignatura: OPERACIONES UNITARIASLABORATORIO N° 1 PARÁMETROS DEL AIRE HÚMEDO: MEDICIÓN, INTERPRETACIÓN Y APLICACIÓNOBJETIVOS:Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de: Identificar las variables fundamentales (parámetros) en los...

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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 diagramas psicrométricos. • Proponer algún diseño de experimento con el equipo disponible, para aprovecharlo en el conocimiento del estudio del aire húmedo. • Analizar un proceso de acondicionamiento del aire aplicando correctamente los balances de materia y energía. FUNDAMENTO TEÓRICO: 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 bulbo húmedo. INFORME: 1) Describa los instrumentos de medición utilizados. 2) Utilizando el diagrama de humedad determine la humedad absoluta, la humedad relativa y el punto de rocío 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 aire atmosférico. 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. Escriba unidades en sus resultados. BIBLIOGRAFÍA: Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2009). Termodinámica (Sexta ed.). México D.F.: McGraw-Hill Interamericana. Felder, R. M., & Rousseau, R. W. (2004). Principios elementales de los procesos (Tercera ed.). México: Limusa.

PARÁMETROS DEL AIRE HÚMEDO: MEDICIÓN, INTERPRETACIÓN Y APLICACIÓN

Datos experimentales

EQUIPO: Sistema de aire acondicionado HORA: 1-3pm DATOS: Tbulbo seco ( °C ) Aire atmosférico (entrada) Aire frío (salida)

Tbulbo húmedo ( P °C ) (mm H2O)

25.3

20.1

12.4

12.4

15

PRESIÓN BAROMÉTRICA: 742.9 mm Hg

Integrantes del grupo: Grupo 3 ● ● ●

Viviana Jalca Alegre -U20181C550 Sofia Alexandra Ruiz Aguayo-U201819534 Mercy Lucyana Romero Camac - U201822780

V (m3/h) 247 (aprox)

INFORME

1) Describa los instrumentos de medición utilizados para tomar los datos

●

Termocupla: Es uno de los sensores más utilizados en la medición de temperatura. ○ Entrada: T9: Es el que va a registrar la temperatura del bulbo húmedo a entrada T10: Es el que va a registrar la temperatura del bulbo seco a la entrada

○ Salida: T5: Es el que va a registrar la temperatura del bulbo húmedo a salida T6: Es el que va a registrar la temperatura del bulbo seco a la salida

la

la

● Manómetro diferencial: Se utiliza para poder determinar la caída de presión, con eso se va a una tabla para poder registrar el caudal volumétrico del aire.

Mide de manera indirecta el caudal de aire.

● Barómetro: Se utiliza para registrar la presión atmosférica del laboratorio.

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. Aire entrada:

TBH = 20.1 TBS = 25.3 Luego de utilizar estos datos en el diagrama de humedad, se determinó lo siguiente: Humedad absoluta = 0.0128

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎

29

𝑘𝑔 𝑎.𝑠

Humedad molar = 0.0128 x 18= 0.0206 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎.𝑠

Humedad relativa = 63% Punto de rocío = 17.7° C Aire salida:

TBH = 12.4 TBS = 12.4 Luego de utilizar estos datos en el diagrama de humedad, se determinó lo siguiente:

Humedad absoluta = 0.009

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎.𝑠

Humedad molar = 0.009 x

29 18

= 0.0145

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎.𝑠

Humedad relativa = 100% Punto de rocío = 12.4° C

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

𝐻1 = 0.0128 𝐻𝑟1 = 63% 𝐻2 = 0.009

𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 𝑘𝑔 𝐴𝑆

𝑘𝑔 𝐻2𝑂

𝐻𝑟2 = 100%

𝑘𝑔 𝐴𝑆

∆𝐻 = 3.8 ∗ 10−3

𝑘𝑔 𝐻2𝑂 𝑘𝑔 𝐴𝑆

→ ∆𝐻𝑟 = 𝐻𝑟2 − 𝐻𝑟1 = 37%

4)Determine el flujo de agua condensada, de darse el caso, por el enfriamiento del aire atmosférico. 𝑃 = 742.9 mm Hg = 99.045 kPa 𝜈𝐴𝐻 = [ 𝜈𝐴𝐻 = [

1 𝐻 𝑅𝑇 𝑚3𝐴𝐻 + ]∗ 𝑃 𝑘𝑔 𝐴𝑆 29 18

1 𝑚3𝐴𝐻 0.009 (8.314) ∗ (12.4 + 273) 𝑚3𝐴𝐻 = 0.838 + ]∗ 99.045 𝑘𝑔 𝐴𝑆 29 18 𝑘𝑔 𝐴𝑆

Según el gráfico: 247 m3/h

El flujo es 294.75 kg/h

𝑚3 247 ℎ 𝑘𝑔 𝐹𝑎𝑠 = = 294.75 ℎ 𝑚3 0.838 𝐴𝐻 𝑘𝑔 𝐴𝑆

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. El acondicionamiento de aire se puede aprovechar para cambiar las condiciones de temperatura. Por ejemplo, en lugares de bajas temperaturas nos sirve para eliminar la humedad, así como en lugares de altas temperaturas se pueda eliminar el calor.

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.

b) Calcule los kilogramos de agua condensada.

c) Halle los m3 de aire acondicionado (aire a 24°C).

d) Determine los kWh de energía requerida en el calentamiento.

Problema 8: Una pequeña población de 100 familias en un país muy caluroso satisface parcialmente sus requerimientos de agua enfriando el aire atmosférico, el cual está a 48°C con 60% de humedad relativa, enfriándolo hasta 29°C. La población obtiene por este medio aproximadamente 5 L por día y por familia. a) Calcule los kilos de agua que se obtienen, por cada m3 de aire atmosférico, a 101kPa. b) ¿Cuántos m3 de aire atmosférico se utilizan? c) ¿Cuánta energía se consume al día (kWh) si el sistema de refrigeración tiene un COP (Q/W) de1.5? Primero identificamos si se condensará agua en este proceso: Hallamos punto de rocío en la tabla de humedad con HR = 60% y T1 = 48°C

Se identificó que el punto de rocío sucede a la temperatura de 38°C, 38° C > 29 ° C, por lo tanto, el agua se condensa. Además, H1 = 0.044 y H2 = 0.026.

48 ° C 1𝑚3 H1= 0.044 101 KPa

1 0.044 8.314 × 321 + ]× 101 18 29 3 𝑚 𝑎. ℎ 1𝑚3 𝑎. ℎ 𝑉𝑒𝑠𝑝1 = 0.9758 = 𝑘𝑔 𝑎. 𝑠 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎. 𝑠 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎. 𝑠 = 1.026 𝑘𝑔 𝑎. 𝑠

𝑉𝑒𝑠𝑝1 = [

29 ° C H2= 0.026

Balance de agua: 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 = 𝐴𝑔𝑢𝑎1 − 𝐴𝑔𝑢𝑎2

𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎. 𝑠 × 𝐻1 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎. 𝑠 × 𝐻2

𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 = 1.026 𝑘𝑔 × 0.044 − 1.026 𝑘𝑔 × 0.026 = 0.0184 𝑘𝑔 Respuesta: Se obtendrá 0.0184 kg por cada 𝒎𝟑 de aire atmosférico.

Segundo, se identifica el volumen de aire atmosférico que debe enfriarse al día 𝑉=

1𝑚3 𝑎𝑖𝑟𝑒 1𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 5𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 × × 100 𝑓𝑎𝑚 × 0.0184𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑐 𝑑í𝑎 × 𝑓𝑎𝑚 1 𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑉 = 27173.9 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒

Respuesta: Se utilizan 27173.9 𝒎𝟑 de aire atmosférico.

Finalmente, se hallará la energía que se consume al día Q removido

48 ° C 1𝑚3 H1= 0.044 101 KPa

29 ° C H2= 0.026 H agua = 0.018

COP =

𝑄 𝑊𝑐

𝑄𝑟𝑒𝑚 = 𝐻1 − 𝐻2 − 𝐻𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐻1 = ( 1.005 + 1.88 × (0.044))(48 − 0) + 2501.4 × 0.044

H1 = 162.27

𝐻2 = ( 1.005 + 1.88 × (0.026))(29 − 0) + 2501.4 × 0.026

H2 = 95.60

𝐻3 = 4.18 × 29 × 0.018

H3= 2.18

𝑄𝑟𝑒𝑚 = 162.27 − 95.60 − 2.18 = 64.49

𝐾𝐽 𝑚3 𝑎𝑖𝑟𝑒

64.49 𝐾𝐽 = 42.99 3 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 1.5 𝐾𝐽 1𝐾𝑊𝐻 = 324.50 𝐾𝑊𝐻 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = 42.99 3 × 27173.9 𝑚3 × 3600𝐾𝐽 𝑚

𝑊𝐶 =

Respuesta: Al día se consumen 324.50 KWH....