Termodinamica - semana 7 PDF

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Mezcla de gases, gases-vapores y acondicionamiento de aire.Termodinámica Insituto IACC 14-12-Desarrollo  ¿Cuál es la diferencia entre aire seco y aire atmosférico? Puedo decir que, el aire seco no coniene ningún vapor de H 2 O, en cambio el aire atmosférico si lo iene en su composición. Se iene un...

Description

Mezcla de gases, gases-vapores y acondicionamiento de aire.

Termodinámica Instituto IACC 14-12-2020

Desarrollo 

¿Cuál es la diferencia entre aire seco y aire atmosférico?

Puedo decir que, el aire seco no contiene ningún vapor de H2O, en cambio el aire atmosférico si lo tiene en su composición.

Se tiene una mezcla de gases en la cual todos los componentes tienen la misma masa.



a) ¿serán idénticas todas las fracciones másicas? b) ¿Y qué sucede con las fracciones molares? a) Puedo analizar que, si los componentes tienen la misma masa denominada “m”, y que halla un componente llamado “q”, entonces las masas totales serán “qm”. Ahora bien, busco la fracción másica de cualquier componente llamado “i”. Expresión: (fm)i = masa del componente i / masa total (fm)i = m/qm = 1/q

∀i, 1 ≤i ≤ q En resumen, todas las fracciones másicas son iguales. b) Ahora la masa molecular del componente “i”, “Mi”, entonces el numero de moles del componente “i” es “ni = m/Mi”, se entiende que los moles totales serian: nT = n1 + n2 + n3 +……+ ni + ni+1 + ..... + mq. nT = m/m1 + m/m2 +..... + m/Mi + m/Mi+1 + .... + m/mq. Expresión (fm)i = ni / ntotal (fm)i = (m/Mi) / (m/m1 + m/m2 +..... + m/Mi + m/Mi+1 + .... + m/mq). (fm)i = (1/Mi) / (1/m1 + 1/m2 +..... + 1/Mi + 1/Mi+1 + .... + 1/mq). Según lo expuesto puedo decir que los “Mi” son diferentes.



Una mezcla de gases consiste en 5 kg de O2, 8 kg de N2 y 10 kg de CO2. Determine a) la fracción másica de cada componente, b) la fracción molar de cada componente,

c) la masa molar promedio y la constante del gas de la mezcla. Información: 5 Kg de O2

Mezclas de Gases 8 Kg de N2 10 Kg de CO2

(fm)i = mi / mtotal

(fn)i = ni / ntotal

M02 = 32 g/mol

Mn2 = 28 g/mol

Mco2 = 44 g/mol

Tabla: i O2 N2 CO2 Totales

mi(kg) 5 8 10 23

(fm)i 0,2174 0,3478 0,4348 1

ni 156,25 285,71 227,27 669,23

(fn)i 0,2335 0,4269 0,3396 1

Respuestas: a) 1 b) 1

c) Mmezcla = 23000 / 669,23 = 34,4 g/mol d) Rmezcla = 8,314 / 34,4 = 0,242 kJ/Kg K



Un recipiente rígido que contiene 2 kg de N2 a 25 °C y 550 kPa está conectado a

otro recipiente rígido que contiene 4 kg de O2 a 25 °C y 150 kPa. Se abre la válvula que conecta los dos recipientes y se permite que los dos gases se mezclen. Si la temperatura

final de la mezcla es de 25 °C, determine el volumen de cada recipiente y la presión final de la mezcla. Información: mn2 = 2 Kg Mn2 = 0,028 Kg/mol T = 25°C = 298 k Pn2 = 550 kPa Desarrollo Pn2 Vn2 = mn2 / Mn2 RT 550 * Vn2 = 2/0,028 * 8,314 * 298 550* Vn2 = 71,43*2477,77 550* Vn2 = 176969,43 Vn2 = 176969,43/550 Vn2 =321,76 l

mO2 = 4 kg. MO2 = 0.032 Kg/mol T = 25°C = 298 K PO2 VO2 = mO2 / MO2 RT 150* VO2 = 4/0,032 *8,314 *298 150* VO2 = 125 *8,314 *298 150* VO2 = 125 *2477,57 150* VO2 = 309696,5 VO2 = 309696,5 / 150

VO2 = 2064,64 l

PROCESO ISOTERMICO (Pn2 * Vn2)/ Nn2 = (Pf (Vf))/ Nf (Pn2 * Vn2)/ Nn2 = (Pf (Vn2 + VO2))/ Nn2+ No2 (550*321,76) / (2000/28) = Pf (321,76+2064,64) / (2000/28 + 4000/32) 176.968 / 71,43 = Pf *2386,4 / 71,43 + 125 2477.5 = Pf *2386,4/196,43 2477.5 = Pf *12,15 Pf = 2477.5 / 12,15 Pf = 203,91 kPa



Un recipiente contiene 21 kg de aire seco y 0,3 kg de vapor de agua a 30 °C y 100

kPa de presión total. Determine a) la humedad específica, b) la humedad relativa, y c) el volumen del recipiente información: mas = 21 Kg aire seco mv = 0,3 Kg vapor agua T =30°C = 303K P =100 KPa a) w = mv / mas w = 0,3 / 21

w = 0,014 b) T = 30°C

Tabla A-4

Pg = 4,2469 KPa

w = 0,622 (Pv / P – Pv) 0,014 = 0,622 (Pv / 100 – Pv) Pv = 2,251 KPa Ø =Pv / Pg = 2,251 / 4,2469 Ø = 0,53 = 53% c) Pv V = (mv/18) *RT 2,251 V = (0,3/18) *8,314*303 2,251 V = 0,017 * 2519,14 2,251 V = 42,83 V = 42,83 / 2,251 V = 19,03 L



Una casa contiene aire a 25 °C y 65 por ciento de humedad relativa. ¿Se condensará

humedad en las superficies internas de las ventanas cuando la temperatura de la ventana baja a 10 °C? Argumente su respuesta incluyendo los cálculos realizados.

Si la condensación será en la ventana = Ø = 100% T = 25°C

tabla A-4

Pg = 3,1698 kPa.

T = 10°C

tabla A-4

Pg = 1,2281 kPa.

T = 25°C Ø = 65%

Desarrollo

T = 10°C

T = 25°C

Ø = 100%

Ø = Pv / Pg 0,65 = Pv / Pg 0,65 = Pv / 3,1698 Pv = 0,65 * 3,1698 Pv = 2,06037 kPa W = 0,622 Pv / P-Pv W = 0,622 * (2,06037 / (101,325 – 2,06037)) = 12,91 g de vapor / Kg de aire seco T = 10°C Ø = 100%

Pv = Pg = 1,2281 kPa.

W = 0,622 Pg / P – Pg W = 0,622 * (1,2281 / (101,325 – 1,2281)) = 7,63 g de vapor / Kg de aire seco Entonces como w a 25°C > 10°C, Si se condensa agua. W = 12,91 – 7,63 W = 5,28 g de agua que se condensa / 1 Kg de aire seco El aire de un cuarto tiene una presión de 1 atm, una temperatura de bulbo seco de 24 °C y una temperatura de bulbo húmedo de 17 °C. Usando la carta psicrométrica, determine: a. la humedad específica, b. la entalpía, en kJ/kg aire seco, c. la humedad relativa,

d. la temperatura de punto de rocío y e. el volumen específico del aire, en m3 /kg aire seco. Información:

Ø=50%

h=48

P = 1 atm

Vr=0,86 W=9

TbS = 24°C

Tbh=17°C

Tbh = 17°C Vr=0,85 Tpr=12,5°C

Tbs=24°C

Desarrollo a) w = 9 g de vapor / Kg de aire seco b) h = 48 kJ / Kg de aire seco c) Ø = 50% d) Tpr = 12,5°C e) Vr = 0,853 m3 / Kg de aire seco



Un sistema de acondicionamiento de aire opera a presión total de 1 atm y consiste

en una sección de calentamiento y un humidificador que agrega vapor de agua saturado a 100 °C. El aire entra a la sección de calentamiento a 10 °C y 70% de humedad relativa, a razón de 35 m3/min, y sale de la sección de humidificación a 20 °C y 60% de humedad relativa.

Determine:

a. la temperatura y la humedad relativa del aire cuando sale de la sección de calentamiento, b. la tasa de transferencia de calor en la sección de calentamiento y c. el flujo de adición de agua al aire en la sección de humidificación. Información: 3) Vapor Saturado T3 100°C

Calentamiento

Humidificador

1) T1 = 10°C

2)

T1 = 10°C Ø1 = 70%Tabla 1,2281 kPa

4) T4 = 0°C

A-4

Ø4 = 60% 3

V = 35 m /min

Ø1 = 70%

Pg1 =

Pv1 = Ø1

Pg1 = 0,7 (1,2281) = 0,85967 kPa

W1 = 0,622 Pv1 / P - Pv1 W1 = 0,622 (0,85967) / (101,325 – 0,85967) = 5,32*10-3 Kg/Kg aire seco KgAS= Kilogramo de aire seco Pv1 V1 = mv / Mh2o RT1 (0,85967) V1 = 5,32*10-3 / 18 (8,314)(10 + 273) V1 = 0,80927 m3/KgAS mAS = V1 / V1 = 35 / 0,80927 = 43,248 KgAS/min W2 = W1 Hgi = 2500,9 + 1,82 T1 Hgi = 2500,9 + 1,82 (10) = 2159,1 kJ / Kg H1 = Cp T1 + W1 hg1 H1 = 1,005 (10) + 5,322*10-3 (2519,1)= 23,4576 kJ/KgAS Punto 3 Vapor Saturado 100°C

Tabla A-4

hg3 = 2675,6 kJ/Kg

Punto 4 T4 = 20°C

Tabla A-4

Ø4 = 60%

Pv4 = Ø4 Pg4

Pg4 = 2,3392 kPa

Pv4 = 0,6*2,3392 = 1,40352 kPa W4 = 0,622 Pv4 / (P-Pv4) = 0,622 (1,40352)/(101,325-1,40352) = 8,73675*10-3 Kg/KgAS Hg4 = 2500,9 + 1,82 (T4) Hg4 = 2500,9 + 1,82 (20) = 2537,3 kJ/Kg H4 = Cp T4 + w4 hg4 H4 = 1,005 (20) + 8,73675*10-3 (2537,3) = 42,2677 kJ/ KgAS a) T2 = ? Ø2 = ? Balance de Energía H3 + H2 = H4 Mh2o hg3 + mas H2 = mas H4 H2 = H4 – hg3 (w4 – w2) H2 = 42,2677 – 2675,6 (8,73675*10-3 – 5,322*10-3) H2 = 33.13 kJ/KgAS Carta PSICROMÉTRICA H2 = 33.13 kJ/KgAS

T2 = 19,5°C

w2 = w1 = 5,32*10-3 Kg/KgAS

Ø2 = 37%

b) Q° = ? Calentador Q° = (h2 - h1) mas Q° = (33,13 – 23,4576) (43,248)

Q° = 418,32 kJ/min

c) mh2o = ? es el que ingresa mh2o = (w4 – w2) mas mh2o = (8,7367x10-3 – 5,32*10-3) (43,248) mh2o = 0,1477 Kg/min

Bibliografía IACC (2018). Mezcla de gases, gases-vapores Termodinámica. Semana 7.

y acondicionamiento de aire....