humidificacion
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Universidad Nacional Autnoma de Mxico
Facultad de Estudios Superiores Cuautitln
Ingeniera Qumica
LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDICIPLINARIO IV
INFORME EXPERIMENTAL
Humidificacin Adiabtica
PROFESORA
Mayen Santos Elvia
INTEGRANTES DE EQUIPO
Snchez Estrada Nancy
Trujillo Bocanegra Enrique
Landaverde Resendiz Francisco Gabriel
Grupo 2054
11/04/2013
-
Introduccin
La humidificacin adiabtica es una operacin utilizada principalmente en modificar el
contenido de humedad de un gas y simultneamente cambiar su temperatura. Este proceso es
empleado en equipos como por ejemplo la torre empacada o de enfriamiento el cual es
utilizado para esta experimentacin, ya que la funcin principal la transferencia de masa.
Tericamente el lquido entra al equipo a la temperatura de saturacin adiabtica del gas
entrante, esto puede lograse reintroduciendo continuamente el lquido saliente a la zona de
contacto, en forma inmediata, sin agregar o eliminar calor en el camino. La temperatura del
lquido total caer y se mantendr a la temperatura de saturacin adiabtica, el gas se enfriara y
humidificar siguiendo la trayectoria de la curva que pasa a travs de las condiciones del gas
entrante, segn el grado de contacto, el gas se aproximara ms o menos al equilibrio con el
lquido o sus condiciones de saturacin adiabtica.
Esto supone que el lquido de compensacin entra tambin a la temperatura de saturacin
adiabtica no obstante para la mayora de los fines, la cantidad evaporada es tan pequea con
respecto al lquido total circulante que pueden ignorarse las pequeas desviaciones con
respecto a esta temperatura para el lquido de compensacin. Para este informe experimental
se utilizara el uso de la carta psicromtrica al igual que el clculo de las unidades de
transferencia y eficiencia de Murphree, los cuales se describirn con forme se realice el informe.
Generalidades.
En la humidificacin o deshumidificacin la fase lquida es un lquido puro que slo contiene un
componente, mientras que la gaseosa contiene dos o ms, segn el sentido de la transferencia;
por ejemplo, el contacto entre aire seco y agua lquida da como resultado la evaporacin de
parte del agua al aire (humidificacin del aire) que es lo que se pretende realizar en el equipo
con el establecimiento de diversos flujos de agua, recirculando continuamente, y mantenido un
flujo de aire constante, se espera alcanzar el estado estacionario donde la temperatura del aire
es la misma que la del agua, y el aire de salida est saturado a esta temperatura. Si hacemos un
balance global de energa alrededor del proceso (Q = 0), podemos obtener la ecuacin para el
enfriamiento adiabtico del aire, establecida esta condicin se procede a tomar las mediciones
necesarias de temperatura de bulbo seco y hmedo.
Dentro de todas las operaciones en las que, tanto el fenmeno de transferencia de masa como
el de calor tienen importancia, la humidificacin y deshumidificacin son las ms simples y
tambin las aplicaciones ms directas de la teora. En estos casos, solo dos componentes y dos
fases estn involucradas. La fase lquida es un componente puro, y la fase gaseosa consiste en un
gas incondensable en el cual vapores de la fase lquida estn presentes.
Las operaciones de humidificacin y deshumidificacin implican transferencia de materia entre
una fase lquida pura y un gas permanente que es insoluble en el lquido. En estas operaciones,
el lquido casi no presenta resistencia a la transferencia de masa debido a que se trata de un
componente puro, y por tanto no existe gradiente de concentracin en esta fase es decir, no hay
difusin a travs de la fase lquida pero el vapor se difunde hacia o desde la interfase gas lquido
hacia fuera o hacia adentro de la fase gaseosa. En estos casos, tanto la transferencia de masa
como la de calor son importantes y se condicionan mutuamente las dos transferencias ocurren
conjuntamente y tanto la concentracin como la temperatura varan simultneamente.
-
Cualquier operacin de humidificacin contempla el contacto de las fases gas lquido,
abarcando:
a) enfriamiento de lquidos
b) enfriamiento de gases
c) humidificacin y deshumidificacin de gases
Las operaciones de secado aire acondicionado, ventilacin, humidificacin, etc. llevan consigo
siempre un proceso de vaporizacin o condensacin de un lquido (el vapor) en una corriente de
gas (usualmente aire).
Todos los procesos de vaporizacin requieren de la introduccin de energa en forma de calor. En todos estos procesos nos interesa conocer las cantidades de aire requerido, la cantidad de agua evaporada o requerida y el calor intercambiado. Los balances de materia y energa ayudan en la solucin de estos problemas de aplicacin. Adems de un concepto adicional llamado temperatura de bulbo hmedo o simplemente temperatura hmeda. El gas se enfriara y humidificar, siguiendo la trayectoria de la curva de saturacin adiabtica
sobre la carta psicomtrica, curva que pasa a travs de las condiciones del gas entrante. Segn
el grado de contacto, el gas se aproximara ms o menos al equilibrio con el lquido, o a sus
condiciones de saturacin adiabtica. Esto supone que el lquido de compensacin entra
tambin a la temperatura de saturacin adiabtica; no obstante, para la mayora de los fines, la
cantidad evaporada es tan pequea con respecto al lquido total circulante que pueden
ignorarse las pequeas desviaciones con respecto a esta temperatura para el lquido de
compensacin.
La entalpa del gas es en realidad funcin nicamente de su temperatura de saturacin
adiabtica, que permanece constante durante toda la operacin. La entalpa del lquido a
temperatura constante tambin es constante, de tal forma que la lnea de operacin en una
grafica como en de la figura ser simplemente un nico punto sobre la curva en el equilibrio.
Por lo tanto, este diagrama no puede utilizarse para el diseo.
Diagrama de flujo.
BOMBA
DRENAJE.
DRENAJE.
RETORNO DE
AGUA FRA.AGUA FRA.
VAPOR CONDENSADOS.
P-36
p
T
T p
F
F
I-16
-
Objetivos
Aplicar los conocimientos de transferencia de masa para resolver el problema
experimental.
Establecer las condiciones de operacin de la torre de enfriamiento.
Identificar las variables que debe medir.
Analizar si el sistema es totalmente adiabtico.
Material
Equipo Material Servicios
Torre de enfriamiento de flujo cruzado 1 anemmetro Aire
1 termmetro Agua
Experimentacin
De acuerdo con el diagrama este es el equipo que se utiliz para la prctica el cual tiene las
siguientes caractersticas:
Torre de enfriamiento de flujo cruzado, con una altura de lecho de empacado de 84 cm y 53cm
de ancho. Para lo cual se procedi a hacer lo siguiente:
1. Se verific la posicin inicial de las vlvulas (que se encuentren cerradas) y que la bomba se encuentre.
2. Antes de empezar a trabajar se verificaron los servicios (luz, aire y agua). 3. Posteriormente se ech a andar el ventilador de la torre, haciendo pasar el aire, y sin
hacer pasar el agua, y con la ayuda de un anemmetro se midieron las velocidad radial en 6 diferentes puntos.
4. Al mismo tiempo que se tomaron las velocidades, se midieron las temperaturas de bulbo hmedo y bulbo seco en cada punto.
5. Al encontrar el punto donde se mostr la velocidad ms alta, la temperatura de bulbo seco que reporto en ese punto, ser considerada como la temperatura de entrada.
6. Al finalizar de tomar las medidas de temperaturas se enciende la bomba de alimentacin de agua y se abrieron las vlvulas de agua para comenzar la operacin.
7. Cuando se abri la vlvula de alimentacin de agua, se fij un primer flujo, en las unidades de GPM.
8. Durante la realizacin de la prctica se realizaron las lecturas de los 2 termmetros, tanto el de agua de salida como el de aire, as se deber transcurrir un lapso de tiempo, hasta el momento en el que las dos temperaturas se igualen, se proceder a hacer el siguiente punto.
9. Una vez que se han igualaron las temperaturas, se midieron la temperatura de bulbo hmedo y bulbo seco en cada punto establecido.
10. Y se realizaron dos corridas a 2. 11. Finalmente se verifico que todas las vlvulas estuvieran cerrada.
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Resultados Experimentales.
Tabla 1. Resultados Experimentales.
Q (GPM) Temperatura Agua (C)
Temperatura de aire (C)
Entrada Salida
Entrada Salida Tbs Tbh Tbs Tbh
10 20 17 26 17 23 19
20 21 18 26 17 22 20
Tabla 2. Velocidad de Aire.
Velocidad (MPH)
Radio (cm)
Velocidad (m/s)
Radio (m)
V (m/s)
0,1 0 0,0447 0 0
1,6 5 0,7153 0,05 0,0056
3,9 10 1,7435 0,1 0,0548
10 15 4,4704 0,15 0,3160
13,4 20 5,9903 0,2 0,7528
14,5 25 6,4821 0,25 1,2728
VPROMEDIO = 12.2328 m/s
Con los datos de temperatura de bulbo hmedo y seco entrando a la carta psicomtrica
(presin de 585mmHg), se obtuvieron las humedades a las condiciones de entrada y
salida:
Tabla 3. Humedad Absoluta.
Y` (Kg agua/Kg aire seco)
Entrada Salida
0,012 0,0145
0,012 0,014
Se traz la curva de Equilibrio para el sistema aire-agua a 585 mmHg, con los siguientes
datos:
Tabla 4. Lnea d Equilibrio.
T (C) Y` (Kg W / Kg as)
0 4,579
5 6,543
16 13,634
17 14,53
18 15,477
19 16,477
20 17,535
35 42,175
-
La lnea de operacin se traz con los siguientes datos:
Tabla 5. Lnea de Operacin.
Flujo TBH (C) Y` (Kg W / Kg as)
1 17 0,0145
19 0,012
2 17 0,014
20 0,012
En seguida se muestran las grficas representando las lneas de equilibrio y operacin
para los dos flujos:
Grafico 1. Lneas de operacin y Equilibrio para el primer flujo.
Grafico 2. Lneas de operacin y Equilibrio para el segundo flujo.
y = 5E-07x3 + 6E-06x2 + 0,0004x + 0,0049R = 1
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0
Y`(K
GW
/KG
AS)
T (C)
Linea de Equilibrio Linea de Operacin.
y = 5E-07x3 + 6E-06x2 + 0,0004x + 0,0049R = 1
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Y`(K
GW
/KG
AS)
T (C)
Linea de Equilibrio Linea de Operacion
-
Observando las lneas de operacin para ambos flujos, podemos decir que el sistema no
es adiabtico por lo que habr que resolver la siguiente integral para obtener el Nmero
de Unidades de Transferencia:
= `
`
`2
`1
Para Un Flujo de 10 GPM
T C Y* (KgW/Kgas)
Y` (KgW/Kgas)
Y*-Y` dy 1/(Y*-Y`) dy(1/Y*-Y`)
17 0,0158905 0,0145 0,0013905 0,0001 719,165768 0,08989572
17,1 0,01599457 0,014375 0,00161957 0,0001 617,449557 0,07718119
17,2 0,01609926 0,01425 0,00184926 0,0001 540,755674 0,06759446
17,3 0,0162046 0,014125 0,0020796 0,0001 480,862051 0,06010776
17,4 0,01631057 0,014 0,00231057 0,0001 432,793265 0,05409916
17,5 0,01641719 0,013875 0,00254219 0,0001 393,362016 0,04917025
17,6 0,01652445 0,01375 0,00277445 0,0001 360,432057 0,04505401
17,7 0,01663236 0,013625 0,00300736 0,0001 332,517944 0,04156474
17,8 0,01674092 0,0135 0,00324092 0,0001 308,554742 0,03856934
17,9 0,01685013 0,013375 0,00347513 0,0001 287,75906 0,03596988
18 0,01696 0,01325 0,00371 0,0001 269,541779 0,03369272
18,1 0,01707053 0,013125 0,00394553 0,0001 253,451342 0,03168142
18,2 0,01718172 0,013 0,00418172 0,0001 239,135821 0,02989198
18,3 0,01729358 0,012875 0,00441858 0,0001 226,316873 0,02828961
18,4 0,01740611 0,01275 0,00465611 0,0001 214,771466 0,02684643
18,5 0,01751931 0,012625 0,00489431 0,0001 204,318788 0,02553985
18,6 0,01763319 0,0125 0,00513319 0,0001 194,81071 0,02435134
18,7 0,01774774 0,012375 0,00537274 0,0001 186,124719 0,02326559
18,8 0,01786298 0,01225 0,00561298 0,0001 178,15861 0,02226983
18,9 0,01797889 0,012125 0,00585389 0,0001 170,826447 0,02135331
19 0,0180955 0,012 0,0060955 0,0001 164,055451 0,02050693
Para Un Flujo de 20 GPM
T C Y* (KgW/Kgas)
Y` (KgW/Kgas)
Y*-Y` dy 1/(Y*-Y`) dy(1/Y*-Y`)
17 0,0158905 0,014 0,0018905 0,00007 528,960592 0,03526404
17,1 0,01599457 0,01393333 0,00206123 0,00007 485,146708 0,03234311
17,2 0,01609926 0,01386667 0,0022326 0,00007 447,908803 0,02986059
17,3 0,0162046 0,0138 0,0024046 0,00007 415,869843 0,02772466
17,4 0,01631057 0,01373333 0,00257724 0,00007 388,012183 0,02586748
17,5 0,01641719 0,01366667 0,00275052 0,00007 363,567506 0,02423783
17,6 0,01652445 0,0136 0,00292445 0,00007 341,944873 0,02279632
17,7 0,01663236 0,01353333 0,00309902 0,00007 322,682325 0,02151215
17,8 0,01674092 0,01346667 0,00327425 0,00007 305,413516 0,0203609
17,9 0,01685013 0,0134 0,00345013 0,00007 289,844193 0,01932295
18 0,01696 0,01333333 0,00362667 0,00007 275,735294 0,01838235
18,1 0,01707053 0,01326667 0,00380386 0,00007 262,890588 0,01752604
18,2 0,01718172 0,0132 0,00398172 0,00007 251,147493 0,01674317
18,3 0,01729358 0,01313333 0,00416025 0,00007 240,37016 0,01602468
18,4 0,01740611 0,01306667 0,00433945 0,00007 230,444198 0,01536295
18,5 0,01751931 0,013 0,00451931 0,00007 221,272594 0,01475151
18,6 0,01763319 0,01293333 0,00469985 0,00007 212,772537 0,01418484
-
18,7 0,01774774 0,01286667 0,00488107 0,00007 204,872909 0,01365819
18,8 0,01786298 0,0128 0,00506298 0,00007 197,512293 0,01316749
18,9 0,01797889 0,01273333 0,00524556 0,00007 190,637373 0,01270916
19 0,0180955 0,01266667 0,00542883 0,00007 184,201639 0,01228011
19,1 0,0182128 0,0126 0,0056128 0,00007 178,164339 0,01187762
19,2 0,01833078 0,01253333 0,00579745 0,00007 172,489609 0,01149931
19,3 0,01844947 0,01246667 0,0059828 0,00007 167,145767 0,01114305
19,4 0,01856885 0,0124 0,00616885 0,00007 162,104716 0,01080698
19,5 0,01868894 0,01233333 0,0063556 0,00007 157,341454 0,01048943
19,6 0,01880973 0,01226667 0,00654306 0,00007 152,833658 0,01018891
19,7 0,01893123 0,0122 0,00673123 0,00007 148,561336 0,00990409
19,8 0,01905344 0,01213333 0,0069201 0,00007 144,506527 0,00963377
19,9 0,01917636 0,01206667 0,00710969 0,00007 140,653053 0,00937687
20 0,0193 0,012 0,0073 0,00007 136,986301 0,00913242
Con estos datos el Nmero de Unidades de Transferencia para cada flujo es:
Q (GPM) NTG
10 0,84689552
20 0,52813296
En seguida se muestran los resultados para la cantidad de agua Evaporada, Fuerza
Impulsora, Coeficientes de Transferencia de masa y calor as como la eficiencia de
Murphree.
Agua Evaporada
(Kg/s)
Fuerza Impulsora
HTG (m)
Kya (Kg/ms)
hGA (KJ/m s K)
EMG
0,00543966 0,0025 0,99185789 4,98735273 6,73584129 0,5712561
0,00435173 0,002 1,59050858 3,11016566 8,49968537 0,41029505
Las entalpias de entrada y salida se obtuvieron a partir de la carta psicomtrica:
H` (KJ/Kg as)
Entrada Salida
54 64
54 66
-
Memoria de Calculo.
Datos
Aire (Kg/m) (Kg/ms) PM Cp (KJ/Kg C)
Altura de Lecho
Empacado (m)
rea Ducto(m)
0,90588854 1,8189E-05 28,97 1,012
0,84 0,19635
Agua (Kg/m) (Kg/ms) PM Cp (KJ/Kg C)
Ancho de la torre
A de lecho empacado
(m) 998,86 0,001081 18,02 4,1813
998,2 0,001139 0,53 0,4452
Densidad de Aire
aire =PM PT
RT=
(29 kg mol )(77993,3445 Pa)
(8314 Pa m3 mol K )(300K)= 0.9058
Kg
m3
Velocidad Promedio
La velocidad fue tomada en MPH y se hiso la conversin a m/s:
=11 + 22 + 33 + 44 + 55 + 66
VPromedio = 12.2328 m/s
Velocidad msica G`.
G` = VPromedio
G` = (12.2328m
s) ( 0.90588854
Kg
m3) = 11.081556
Kg
m2s
Flujo Msico W.
W = G` Area Ducto
W = (11.081556Kg
m2s) (0.19635m2) = 2.175863
Kg
s
Velocidad msica de la seccin transversal G`.
` =
` =2.175863
Kgs
0.4452 2= 4.8873
Kg
m2s
Velocidad msica de aire seco G`s.
Gs` = G` (
1
1 Y`Entrada)
Gs` = 4.8873
Kg
m2s(
1
1 0.012) = 4.9467
Kg
m2s
-
Cantidad de agua evaporada.
E = W(YSalida YEntrada)
E = 2.175863Kg as
s ((0.0145 0.012)
Kg agua
Kg as) = 0.006527
Kg agua
s
Fuerza Impulsora.
Fuerza Impulsora = (YSalida YEntrada)
Fuerza Impulsora = (0.0145 0.012) = 0.0025KgAgua
Kgas
La fuerza impulsora promedio = 0.00225 (Kg W / Kg as)
Nmero de unidades de Transferencia.
= `
`
`2
`1
De la ecuacin de la curva de equilibrio calculamos Y*
Y*=5x10-7 T3 + 6x10-6 T2 + 4x10-4 T + 0.0049
Sustituyendo las temperaturas que estn en el intervalo del rea bajo la curva (entre 17 y 19 C para el
primer flujo).
Y*=5x10-7 (17)3 + 6x10-6 (17)2 + 4x10-4 (17) + 0.0049= 0.0158905 (KgW/Kgas)
De la ecuacin de la lnea de operacin calculamos Y`
Y`=0.00125 T + 0.03575
De igual forma Sustituyendo las temperaturas que estn en el intervalo del rea bajo la curva (entre 17 y
19 C para el primer flujo).
Y`=0.00125 (17) + 0.03575= 0.0145 (KgW/Kgas)
1
(Y Y`)=
1
(0.0158905 0.0145)= 719.165767
dY (1
(Y Y`)) = (0.0001)( 719.165767) = 0.0719165767
De este modo el Nmero de Unidades de Transferencia para cada flujo es:
Q (GPM) NTG
10 0,84689552
20 0,52813296
Para Un Flujo de 10 GPM
T C Y* (KgW/Kgas)
Y` (KgW/Kgas)
Y*-Y` dy
17 0,0158905 0,0145 0,0013905 0,0001
-
Coeficiente Volumtrico de Transferencia de masa.
NTG =KYaZ
Gs` KYa =
NTGGs`
Z
KYa =(0,84689552) (4.9467
Kgm2s
)
0.84m= 4.987352
Kg
m3s
Coeficiente Volumtrico de transferencia de calor.
hGA =
Gs` Cs(Tbh ent Tbh salida)In
(Tbh ent TAgua Entrada)
(Tbh salida TAgua Entrada)
z ((Tbh ent TAgua Entrada) (Tbh salida TAgua Entrada))
hGA =4.9467
Kgm2s
1.0141135KJ
Kg ((17 19))In(
17 2019 20)
0.84m((17 20) (19 20))= 6.735841
KJ
m3 s
Eficiencia de Murphree.
EMG = 1 eNTG
EMG = 1 e0,84689552 = 0.57812561
Anlisis de Resultados.
Podemos observar que a medida que disminuimos el flujo de lquido, el nmero de unidades de
transferencia disminuye, es decir la transferencia de calor se facilita ya que el NtoG es un
indicador de la resistencia a la transferencia de calor, pero tambin se observa un incremento en
la altura de transferencia conforme se disminuye el flujo.
El KY a representa la resistencia que opone el aire a la transferencia de masa del lquido,
basado en la superficie externa de las partculas liquidas y esta relacin experimentalmente
tambin disminuye.
Conclusin.
Se comprob que la torre funciona de manera eficaz, y se pudo corroborar al comparar las
curvas de operacin con la curva de equilibrio, ya que observamos en todas las lneas de
operacin una distancia aceptable.En este proceso de humidificacin el aire se enfra por lo que,
adems de la transferencia de masa, tambin se lleva a cabo una transferencia de calor
necesaria para que el agua se evapore y pueda humedecer al aire. La fuerza impulsora fue dada
por la diferencia de humedades, siendo estas que al variar dieron la capacidad de que se diera la
transferencia de masa.
Al incrementar el flujo de agua nos dimos cuenta que la temperatura de bulbo hmedo mayor
cedi en el mayor flujo lo que se dice que la temperatura de saturacin del aire es igual a la
temperatura de bulbo hmedo ya que eso indica que el aire ya no puede aceptar ms vapor de
agua porque est totalmente saturado.En conclusin todas las propiedades aumentan con el
incremento del flujo del agua y entre mayor sea este flujo mayor es la humidificacin del aire.
Bibliografa
Treybal R.E. Operaciones de trasferencia de masa Mc Graw-Hill 2 edicin Mxico 1998
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