2. psicrometria

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INGENIERA SECCIN INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE ENERGA

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MEC208 TERMODINMICA2

I I . PSICROMETRA

1. OBJETIVO

Estudiar el efecto de adicin y sustraccin de calor y humedad sobre una masa de aire hmedo en movimiento.

Investigar las propiedades psicromtricas del aire hmedo con ayuda de la carta psicromtrica.

2. EQUIPO A EMPLEAR

La planta de psicrometra del laboratorio (Figura 1) es una unidad didctica de

acondicionamiento de aire marca P.A. HILTON LTD., compuesta de dos sistemas:

Figura 1. Vista general de la planta de Psicrometra del Laboratorio

Sistema de tratamiento del aire.

A largo de un ducto cuadrado de 10 de lado, estn instalados los siguientes elementos:

Ventilador tipo Sirocco en la seccin A y control de velocidad por medio de un transformador "Variac.

Dos calentadores de aire (resistencia elctrica) en la seccin B de 1 kW cada uno y dos en la seccin E de kW cada uno.

Sistema de inyeccin de vapor en la seccin C y evaporador de agua por medio de tres resistencias de inmersin: dos de 2 kW y una de 1kW.

Evaporador del sistema de refrigeracin en la seccin D.

Una placa orificio para la medicin del caudal de aire con un manmetro inclinado.

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Sistema de Refrigeracin.

Con R-12 como portador de energa, consta de:

Evaporador instalado en la zona D con tubo extractor de condensado.

Unidad compresor condensador. Vlvula de expansin termosttica.

Control e instrumentacin.

Estos dos sistemas, se pueden observar en el esquema tcnico de la figura 2. Los controles se encuentran en dos paneles, en el panel de la izquierda se ubican los interruptores de los tres calentadores de inmersin y los cuatro calentadores de aire, mientras que en el panel de la derecha se ubican los interruptores del ventilador y de la unidad compresor condensador, as como el dial de control de velocidad del ventilador.

3. INSTRUMENTACIN:

(01) Termmetro de bulbo seco.

(01) Termmetro de bulbo hmedo.

(01) Manmetro inclinado.

(01) Un rotmetro para refrigerante R-12.

(01) Una termocupla de inmersin.

(04) Pozos trmicos en el sistema de refrigeracin.

(04) Manmetros de Bourdon.

(01) Probeta regulada.

(01) Cronmetro.

(01) Ampermetro de pinza con puntas de medicin de voltaje.

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Figura 1. Esquema de la planta de Psicrometra del Laboratorio

A B C D E 2 Calentadores

de 1kW c/u

2 Calentadores

de kW c/u

2 kW 2 kW 1kW

Ventilador

Mando de

velocidad del

ventilador

Salida

de aire

Manmetro

inclinado

Compresor Condensador Recipiente de

lquido

Vlvula de expansin

Evaporador

Ingreso

aire

Placa Orificio

Medicin

p1A, T1

Medicin p1B

Medicin p2, T2

Medicin p3, T3

Medicin T4

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4. FUNDAMENTOS TERICOS

El aire hmedo, o aire atmosfrico es una mezcla de aire seco y vapor de agua. Los procesos

en los que interviene el aire hmedo tienen una gran importancia en meteorologa, as como en

los casos particulares de aire acondicionado y de secado. La zona de temperaturas que

poseen importancia en las aplicaciones del aire hmedo se extiende desde unos -40C hasta

unos +50C. En la tcnica del secado se llegan a temperaturas superiores (100C a 300C).

Siendo la temperatura crtica del aire seco aproximadamente 140C, este puede ser

considerado como un gas ideal, siempre que su presin parcial no sea superior a 20 bar;

adems al encontrarse el vapor de agua a presiones bastante pequeas, al estar ejerciendo su

presin parcial, su comportamiento se puede aproximar al de un gas ideal.

Propiedades del aire hmedo

Humedad relativa () - Es el cociente de la presin parcial del vapor en la mezcla (pv), entre la

presin de saturacin del vapor a la temperatura de la mezcla (ps).

s

v

p

p

Tambin es la razn de la masa de vapor en una unidad de volumen (mv), a la masa de vapor

que dicho volumen podra contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la mezcla

(ms).

Punto de roco- Se define como la temperatura de saturacin del vapor, correspondiente a la

presin parcial de este en la mezcla. Tambin se define como la temperatura a la cual el vapor

empieza a condensarse cuando la mezcla es enfriada isobricamente. En el punto de roco =

100%.

Humedad absoluta o humedad especifica (x)- Se define como el cociente entre la masa de

vapor y la masa de aire seco.

0,622v s

as s

m PX

m P P

Temperatura de bulbo seco (TBS)- Es aquella indicada por un termmetro colocado en una

mezcla aire seco-vapor.

Temperatura de bulbo hmedo (TBH) - Es aquella indicada por un termmetro con bulbo

sensor humedecido, colocado en una corriente de aire hmedo. La TBH no es, estrictamente

hablando, una propiedad del aire, sino que una medida del efecto del aire sobre el agua

cuando est en ntimo contacto con l.

Los termmetros secos y hmedos nos proporcionan los datos necesarios para determinar la

humedad relativa y la humedad absoluta del aire atmosfrico, con ayuda de las ecuaciones

pre-determinadas en la "carta psicromtrica".

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Carta psicromtrica

Es un diagrama que tiene como abscisa la temperatura del bulbo seco y como ordenada la

humedad especifica. En ella se trazan adems las lneas de humedad relativa, de temperatura

de bulbo hmedo, de entalpa especfica y de volumen especfico de aire hmedo.

Figura 3. Carta Psicromtrica

Procesos en psicrometra

De los diferentes procesos utilizados en psicometra analizaremos los procesos ms comunes.

Calentamiento y enfriamiento sensible - Se denominan as a los procesos durante los cuales no

hay integracin de vapor por evaporacin, ni eliminacin de vapor por condensacin; es decir,

son proceso durante los cuales el valor de x, y por lo tanto pv, se mantiene constante. Estos

procesos se representan en la carta psicromtrica por una recta horizontal entre los lmites de

la temperatura del bulbo seco del proceso (no hay variacin del calor latente).

Como modelo de VC FEES para el calentamiento, podemos presentar un ducto conduciendo

aire, que es calentado por una resistencia elctrica.

Figura 4. Calentamiento sensible. No hay modificacin de la humedad absoluta.

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Como modelo VC FEES para el enfriamiento, podemos presentar un ducto, conduciendo aire,

que es enfriado por un serpentn de enfriamiento (como por ejemplo, un evaporador de sistema

de refrigeracin).

Figura 5. Enfriamiento sensible. No hay modificacin de la humedad absoluta.

Humidificacin por enfriamiento - El enfriamiento evaporativo del aire, se puede realizar

poniendo el aire en contacto con agua a una Temperatura igual a la de TBH, entre los lmites

del proceso. Este proceso se caracteriza por TBH = Cte, y hx aproximadamente constante, ya

que el calor extrado del aire es devuelto como calor latente por un aumento del contenido de

humedad.

Como modelo VC FEES podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta

agua fra pulverizada.

Figura 6. Humidificacin por enfriamiento. Incremento de la humedad absoluta.

Humidificacin por calentamiento - Este proceso es parecido al anterior, pero a diferencia de

ste, se insufla vapor de agua, lo cual hace que la TBS aumente, en vez de disminuir. La lnea

del proceso se presentar en forma inclinada., denotando un aumento de la temperatura y de la

humedad absoluta del aire.

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Como modelo VC FEES, podemos presentar un ducto conduciendo aire, y en el cual se inyecta

vapor de agua "caliente".

Figura 7. Humidificacin por calentamiento. Incremento de la humedad absoluta.

Deshumidificacin por enfriamiento - Consiste en un enfriamiento hasta una temperatura menor

que su correspondiente temperatura de roco. En la carta psicromtrica la podemos representar

en la misma forma que el enfriamiento sensible, pero si seguimos enfriando despus de llegar

a = 100%, seguiremos por la lnea de = 100% hasta la temperatura correspondiente a la

superficie de enfriamiento, que debe estar por debajo de la temperatura inicial. En este

proceso, el aire disminuye su humedad absoluta debido a la condensacin de una parte del

vapor de agua contenido en la mezcla. El condensado abandona la mezcla.

Como modelo VC FEES para la deshumidificacin por enfriamiento, podemos presentar un

ducto conduciendo aire, que es enfriado por un serpentn de enfriamiento (como por ejemplo,

un evaporador de un sistema de refrigeracin).

Figura 8. Deshumidificacin por enfriamiento. Se produce la condensacin del agua contenida en la

mezcla aire hmedo.

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5. PROCEDIMIENTO

Pruebas a realizar:

Condiciones ambientales.

Calentamiento sensible 1, en la seccin B, por medio de resistencias elctricas (2 resistencias de 1kW cada una).

Humidificacin por calentamiento, en la seccin C, por medio de adicin de vapor. Este vapor es el resultado de un proceso de ebullicin con resistencias elctricas.

Deshumidificacin por enfriamiento, en la seccin D, gracias a la absorcin de calor en el evaporador del sistema de refrigeracin.

Calentamiento sensible 2, en la seccin E, por medio de dos resistencias elctricas (1/2 kW cada una).

Antes del Ensayo:

Asegurarse de que el tanque de agua se encuentre lleno.

Asegurarse de que el termmetro de bulbo hmedo tenga agua en su recipiente.

Cuidar que todos los interruptores se hallen en posicin apagado.

Chequear el buen estado de los instrumentos.

Verificar la conexin a tierra del equipo.

Conectar el equipo al suministro general de corriente.

Durante el ensayo:

Colocar en ON la llave principal de corriente del equipo.

Accionar el interruptor del ventilador.

Regular la velocidad del ventilador hasta obtener una variacin en la presin mayor igual a 1 mmH20 en el manmetro inclinado.

Tomar datos correspondientes a las condiciones ambientales.

Tomar la lectura de la cada de presin en la placa orificio durante todo el ensayo (Tres tomas).

Seccin A:

Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin A (Tres tomas en cada seccin, con intervalos de 2 min). Seccin B Calentamiento Sensible:

Encender una (01) resistencia elctrica de 1 kW en la seccin B.

Esperar 5 minutos a que estabilice el sistema y tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin B (Tres tomas en cada seccin, con intervalos de 2 min).

Medir voltaje y corriente en las borneras de las resistencias elctricas. Seccin C Humidificacin por Calentamiento:

Encender todas las resistencias de inmersin y mantenerlas as hasta que el agua hierva, luego apagar una de las resistencias de 1kW para evitar que el tanque colapse.

Cuando se observe que el tanque est generando vapor, esperar 5 minutos a que estabilice el sistema y tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin C (Tres tomas en cada seccin, con intervalos de 2 min). Seccin D Deshumidificacin por Enfriamiento:

Encender el compresor y esperar a que se forme condensado de forma continua.

Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin C (Tres tomas en cada seccin, con intervalos de 2 min).

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En simultneo, registrar los valores de presin y temperatura en los cuatro procesos del sistema de refrigeracin.

Tomar el dato de flujo de refrigerante R-12 en el rotmetro.

Con ayuda de la probeta regulada y cronmetro, medir el caudal de condensado que se genera.

Medir la temperatura del condensado con una termocupla de inmersin. Seccin E Calentamiento Sensible:

Encender dos (02) resistencias elctricas de kW en la seccin E.

Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo en la seccin A (Tres tomas en cada seccin, con intervalos de 2 min).

Para apagar el equipo

Desconectar el compresor. Desconectar todas las resistencias de inmersin.

Desconectar la resistencia elctrica.

Poner el regulador de velocidad en cero y desconectar el interruptor del ventilador.

Poner en OFF la llave principal de corriente del equipo.

Desconectar el equipo del suministro de energa elctrica.

Precauciones durante el ensayo:

La ebullicin del agua en el tanque evaporador, puede ocasionar un colapso del mismo.

La formacin continua de condensado en el sistema de refrigeracin puede demorar hasta 30 minutos.

6. CLCULOS Y GRFICOS:

Realizar el balance trmico en los calentadores de la planta de psicrometra (Tramo A-B).

Realizar el balance trmico en el evaporador de la planta de psicrometra (Tramo C-D).

Representar los procesos en una carta psicromtrica.

Comparar el caudal de condensado medido con el evaluado con la ayuda de la carta psicromtrica.

7. HOJA DE DATOS

7.1. Condiciones Ambientales:

Parmetro Unidades Valor

Temperatura

Presin

Humedad relativa

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7.2. Datos del sistema de tratamiento de aire:

Seccin Temperatura de

bulbo seco (C)

Temperatura de

bulbo hmedo (C)

A

B

C

D

E

7.3. Datos adicionales del sistema de tratamiento de aire

Parmetro Unidades Mediciones

Diferencia de presiones en

placa orificio (h) mmH20

Corriente de consumo de

resistencias en tramo A-B (IA-B) A

Voltaje de consumo de

resistencias en tramo A-B (VA-B) V

7.4. Datos del sistema de refrigeracin:

Parmetro Unidad Mediciones

Presin 1A kgf/cm2

Presin 1B kgf/cm2

Presin 2 kgf/cm2

Presin 3 kgf/cm2

Flujo msico de refrigerante g/s

Temperatura 1 C

Temperatura 2 C

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Temperatura 3 C

Temperatura 4 C

Flujo de

Condensado

Volumen de condensado (Vp)

ml

Tiempo transcurrido

(tp) s

Temperatura de condensado (Tc) C

8. HOJA DE INSTRUMENTACIN

Entorno de la medicin

Parmetro Instrumento y tipo Rango Aproximacin

Sistema de

tratamiento de

aire

Temperatura de

bulbo seco

Temperatura de

bulbo hmedo

Presin

Sistema de

refrigeracin

Temperatura

Flujo msico del

refrigerante

Presin

Condensado

Volumen

Tiempo

Temperatura

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EaEw

0ah

X11000

hg2ACV

Donde:

C : Coeficiente de descarga de la placa orificio. (C=0.64)

A0 : rea interna del orificio, en m2. (A0 = 0.0182 m

2)

w : Densidad del agua a la temperatura del ambiente, en kg/m3.

g : Aceleracin de la gravedad terrestre, en m/s2.

h : Diferencia de presiones en la placa orificio, en mmH2O.

aE : Volumen especfico del aire seco en la seccin E, en m3_ah/kg_as.

XE : Humedad especfica del aire en la seccin E.

9. BIBLIOGRAFIA

PERAGALLO, Ral, Elementos bsicos de aire acondicionado, Editorial Paraninfo, Madrid 1979, 266 p.

POSTIGO, Jaime y CRUZ, Juan, Termodinmica Aplicada, W.H. Editores, 2da. Edicin, Lima, 1991, 101 p.

STOECKER, Wilbert F., Refrigeracin y Aire Acondicionado, Ed. McGraw-Hill, Mxico 1977, 406 p.

TROTT, A.R., Refrigeration and air conditioning, Ed. McGraw-Hill, New York 1981, 310 p. VAN WYLEN, Gordon y SONNTAG, Richard, Fundamentos de Termodinmica, Limusa

Editores, Mxico, 1975, 734 p.

WARK, Kenneth, Thermodynamics, Ed. McGraw-Hill, New York 1988, 954 p.

2. psicrometria

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