UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ”FACULTAD DE INGENIERIAS Y CIENCIAS PURAS

CAP. INGENIERIA INDUSTRIAL

TITULO

HUMIDIFICACION Y DESHUMIDIFICACION

PROPIEDADES DE AIRE SECO Y VAPOR

MATERIA

OPERACIONES UNITARIAS II

PRESENTADO POR:

CALSIN CHARCA MARTIN

DOCENTE:

ING. RICARDO HUERTA MAGUIÑA

JULIACA-PERÚ

2015

INTRODUCCIÓN

Todos sabemos que el acondicionamiento del aire no sólo comprende la Calefacción en invierno y la Refrigeración en verano, sino que cuando realmente hablamos de acondicionamiento estamos hablando también del Filtrado, para la remoción de partículas en suspensión por medio de filtros; la Circulación, el movimiento del aire interior; la Ventilación, el ingreso de aire exterior al sistema y la Humidificación y Deshumidificación; aumento o disminución de la cantidad de agua en la masa de aire para mantener una adecuada Humedad Relativa Pero cuando hablamos de humidificar, ¿A qué nos referimos a aportar vapor de agua ó agua pulverizada? ¿Es lo mismo? ¿Obtendremos los mismos resultados?

De eso trata este trabajo, de mostrar que no es lo mismo humidificar en forma isotérmica (inyectando vapor saturado, ya en estado gaseoso) que humidificar en forma adiabática (inyectando agua, en forma de pequeñas gotas, casi imperceptibles para el usuario, pero agua al fin, aún en estado líquido). Los resultados son completamente distintos y las aplicaciones, en general, están claramente separadas, son pocas las oportunidades en que se nos presentan aplicaciones donde se puedan usar indistintamente cualquiera de estas dos opciones y aunque así fuera es fundamental conocer cuales son las ventajas y desventajas de cada una de estas dos grandes familias de humidificadores.

Se detallarán entonces las consecuencias directas relacionadas con: la temperatura, la selección de la fuente de energía, el agua de alimentación y su influencia en ambos sistemas, la distribución en ambientes ó en conductos, y finalmente los costos de operación vs. los costos de mantenimiento.

La humidificación

La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia.

Los procesos que tiene lugar en la operación de humidificación son:1.- Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenido en humedad).2.- Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.3.- El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.4.- A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica.

Humidificación Isotérmica

• El vapor saturado suministrado ya se encuentra en estado gaseoso debido a la energía provista por el humidificador (corriente eléctrica, gas, carbón, etc.) y por lo tanto se mezcla con el aire sin ninguna dificultad.• Durante el proceso de la humidificación, a medida que la humedad relativa aumenta, la temperatura se mantiene constante.

Sistemas de humidificación Isotérmicos:

Los humidificadores isotérmicos son frecuentemente utilizados en instalaciones familiares y comerciales. Tienen dos componentes principales: La unidad que genera el vapor, y el dispositivo que distribuye el vapor en la corriente de aire.

Estos humidificadores pueden ser:

1) Eléctricos2) A electrodos sumergidos3) A gas4) Calderas centrales generadoras de vapor

Humidificación Adiabática

• Durante el proceso de la humidificación, a medida que la humedad relativa aumenta, la temperatura disminuye.

• Se entrega al ambiente agua atomizada y, aunque se encuentre extremadamente atomizada, aún su estado es líquido; la energía para pasar del estado líquido al gaseoso es suministrada por el aire con la consecuente reducción en la temperatura.

Sistemas de humidificación Adiabáticos:

Estos dispositivos crean una gran superficie de interfase entre el aire y el agua en estado líquido, en donde se forma una fina capa de vapor saturado, con una presión parcial igual a la presión de saturación a la temperatura del líquido. Se utilizan frecuentemente en aquellas instalaciones donde el aire de alimentación deba ser enfriado así como humidificado, o donde haya calor sensible en exceso en el aire de retorno que pueda ser utilizado para la evaporación. En estas situaciones los costos de operación serán notablemente inferiores a los de una humidificación isotérmica.

Los humidificadores adiabátios más comúnmente usados son:

1) Centrífugos2) Atomizadores con aire comprimido3) Atomizadores con agua presurizada4) Ultrasónicos

Aplicaciones:

En aplicaciones pequeñas y medianas, se utilizan mayormente los sistemas isotérmicos, ya que generalmente esas unidades ofrecen menores costos de instalación, menor tamaño físico, menos controles y más simples.

En instalaciones más grandes, aplicaciones agrícolas y también para niveles de humedad más bajos, se utilizan generalmente humidificadores adiabáticos. Son más sencillos y económicos. También hay unidades adiabáticas de dimensiones muy pequeñas para uso personal. Cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas dependiendo de las necesidades de cada instalación.

Sistemas isotérmicos:

• Casas de familias (confort, problemas de salud, preservación de muebles).• Hospitales (por su producción de vapor estéril e inodoro).• Museos (para preservar valiosas obras de arte).• Laboratorios.• Industrias de elaboración y conservación de alimentos.• Industrias textiles, tipográficas, farmacéuticas, etc.

Sistemas adiabáticos:

• Cámaras frigoríficas y de almacenamiento de productos frescos.• Imprentas.• Industrias textiles.• Cualquier aplicación con temperaturas cercanas a los 0ºC ó incluso por debajo, siempre y cuando exista algún sistema que evite el congelamiento del agua.

HUMIDIFICACIÓN DE AIRE

Se pueden emplear los siguientes métodos para aumentar la humedad de un gas:

1. Se puede añadir vapor vivo en la cantidad apropiada, directamente a la corriente de gas. Se ha demostrado que este método produce sólo un ligero aumento de la temperatura del gas, pero no se suele utilizar por las posibles impurezas presentes en el vapor, que lógicamente, pasarán al aire.

2. El agua puede ser nebulizada en el gas a una velocidad tal que la completa evaporación proporcione la humedad deseada.

En este caso, la temperatura del gas descenderá, ya que el calor de vaporización requerido se obtiene a partir del calor sensible del agua y del gas.

3. El gas puede mezclarse con otra corriente de gas de mayor humedad. Este método se usa frecuentemente en el laboratorio. 4. El gas puede ponerse en contacto con el agua de tal modo que sólo parte del líquido se evapora. Este es el método más común y es el que estudiaremos en más detalle.

Con el fin de obtener una velocidad de evaporación elevada, el área de contacto entre el aire y el agua debe ser tan grande como sea posible, suministrando el agua como una fina niebla.

Alternativamente, el área interfacial puede incrementarse utilizando una columna de relleno. La evaporación tiene lugar si la humedad en la superficie es mayor que en el seno del gas, es decir, la temperatura del agua es superior a la temperatura de rocío del aire.

Cuando se lleva a cabo la humidificación en una columna de relleno, el agua que no se evapora puede ser recirculada, con objeto de disminuir el consumo de la misma. Como resultado de la recirculación continua, la temperatura del agua se aproximará a la temperatura de saturación adiabática del aire, y el aire que abandona la columna se enfriará (en muchos casos a temperaturas del orden de un grado más que la del agua). Si se desea mantener la temperatura del aire, o aumentarla, se debe calentar el agua. La figura 1 muestra los gradientes de temperatura y humedad correspondientes a un proceso de humidificación adiabática. El agua entra al sistema, como ya se ha indicado, a la temperatura de saturación adiabática del aire (T2 = tw1). La temperatura del agua no varía en todo el proceso (T2 = T1= T = cte). En la interfase, la humedad de equilibrio será constante (ti = tw = T = cte), y la humedad de saturación será la correspondiente a ti (xi).

En estas condiciones, y puesto que no hay diferencias de temperatura entre el seno del agua y la interfase, no habrá transmisión de calor a través del líquido, y el calor que el gas aporta como calor sensible a la interfase se emplea en evaporar agua, volviendo a la fase vapor en forma de calor latente. Los puntos representativos del aire en una operación de este tipo se desplazan por una adiabática en el diagrama de Mollier.

DESHUMIDIFICACIÓN

La deshumidificación del aire puede llevarse a cabo poniendo en contacto el aire con una superficie fría, que puede ser de sólido (contacto indirecto) o de líquido (contacto directo). Si la temperatura de la superficie es menor que la de rocío del gas, la condensación tiene lugar y la temperatura del aire desciende.

La temperatura de la superficie tiende a aumentar debido a la transferencia de calor sensible y latente procedente del gas. Sería de esperar que el aire se enfriara a humedad constante hasta que alcanzara su temperatura de rocío y posteriormente empezara a condensar el agua. En la práctica se producen ambos procesos a la vez, a menos que el aire se encuentre perfectamente mezclado.

Normalmente la temperatura y la humedad se van reduciendo paulatina y simultáneamente durante todo el proceso. El aire en contacto con la superficie se enfría por debajo de su temperatura de rocío, y la condensación de vapor ocurre por tanto antes de que el aire más alejado de la interfase se haya enfriado.La humedad puede también reducirse por compresión del aire, permitiendo su enfriamiento a su temperatura original, y eliminando el agua que va condensando.

Durante la compresión, la presión parcial del vapor aumenta y la condensación tiene lugar tan pronto como se alcanza el valor de saturación. Por tanto, si el aire se comprime a una presión elevada, el aire se saturará de vapor.

Cuando se desean gases muy secos, se recurre a la adsorción de la humedad con sílica gel, alúmina, etc. o al lavado con soluciones que lleven disueltas sustancias que reducen la presión parcial del agua. Estos procesos se llevan a cabo normalmente para eliminar las últimas porciones de humedad.

La figura 2 muestra los perfiles de temperatura y humedad que se obtendrían en un proceso de deshumidificación por contacto directo y adiabático.

PSICROMETRIA

Psicrometría es una palabra que impresiona, y se define como la medición del contenido de humedad del aire. Ampliando la definición a términos más técnicos, psicrometría es la ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano.

Ampliando aún más, incluiríamos el método de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo. Lo anterior, se puede llevar a cabo a través del uso de tablas psicrométricas o de la carta psicrométrica.

Las tablas psicrométricas ofrecen una gran precisión, ya que sus valores son de hasta cuatro decimales; sin embargo, en la mayoría de los casos, no se requiere tanta precisión; y con el uso de la carta psicrométrica, se puede ahorrar mucho tiempo y cálculos.

En seguida, se verán las propiedades del aire y de la humedad conjuntamente con las tablas psicrométricas, y posteriormente, se verá la carta psicrométrica.

La psicrometría, encarga de la determinación de las propiedades termodinámicas de las mezclas entre gases y vapores. Su aplicación más frecuente se muestra en el sistema aire-vapor de agua. La industria alimentaria no es una excepción. Así el comportamiento de estas mezclas bajo distintas condiciones determina, entre otras cuestiones, diseño de los secaderos de alimentos y de los equipos para su almacenamiento frigorífico. Se comienza con la exposición de las principales propiedades de cada uno de los componentes en la mezcla para, posteriormente, proseguirán el análisis y características del conjunto aire -vapor de agua.

El objetivo de la psicometría incluye la determinación de las propiedades termodinámicas de mezclar gas-vapor. Sus aplicaciones más comunes se asocian al sistema aire-vapor de agua. Los cálculos que incluyen propiedades psicométricas serán útil en el diseño y análisis de diferentes sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos.

PROPIEDADES DEL AIRE SECO

Composición del aireEl aire es una mezcla de varios gases, cuya composición varia ligeramente en función de la posición geográfica y altitud. En términos científicos, la composición normalmente aceptada, y que se conoce se muestra en la tabla Nº 2.1, el peso molecular aparente del aire están dar es 28.9645, la constante de los gases para el aire seco es Ra.

Volumen específico del aire seco.

Se puede calcular a partir de la ley de los gases ideales

Donde:

Va=Volumen especifico de aire seco (m³/Kg)Ra=Constante de los gases (m³.Pa/Kg K)Ta=Temperatura absoluta (K)Pa=Presión parcial del vapor seco (KPa)

Peso molecular de aire seco aparente = 28.9645

Calor específico del aire seco (C Pa)

El calor específico a 1 atm 101.325 K Pa del aire seco, dentro del intervalo de temperaturas comprendido entre - 40° C y 60° C , varía desde 0,997 KJ/Kg . K hasta 1.022 KJ/Kg.K en la mayoría de los casos puede utilizarse el valor medio, 1,005 KJ/Kg.K.

Entalpía de aire seco.

Bajo las condiciones de referencia, de 0 °C y 1 atm., la entalpia del aire seco viene dada por la siguiente expresión:

Ha=1.005 (Ta-To)

Donde:

Ha=Entalpia del aire seco (KJ/Kg)Ta=Temperatura bulbo seco (ºC)To=Temperatura de referencia (ºC)

Temperatura de bulbo seco (Ta)

La temperatura de bulbo seco es la temperatura mostrada por un indicador de temperatura. Dicha temperatura contrasta con la temperatura de bulbo húmedo Es la lectura obtenida mediante un termómetro introduciendo en la mezcla aire-vapor de agua.

PROPIEDADES DEL VAPOR DE AGUA

El aire húmedo es una mezcla binaria de aire seco y vapor. El vapor en el aire es esencialmente vapor sobrecalentado a baja presión parcial y temperatura.

El peso molecular del agua es 18.01534. La constante de los gases para el vapor de agua puede calcularse con:

Rw = 8314.41/ 18.01534 = 461.52 m³ Pa /Kg K

Volumen específico de vapor de agua ( )(Volumen Húmedo)

Es el volumen que ocupa 1Kgr aire seco más el del vapor de agua presente.

Por debajo de los 66 ºC, el vapor saturado o sobre saturado sigue las leyes de los gases, de manera que para determinar sus propiedades puede utilizar la ecuación:

Donde:

Pa=Presión parcial del vapor de agua (KPa)Va=Volumen especifico de aire seco (m³/Kg)Ra=Constante de los gases para vapor de agua (m³.Pa/KgK)Ta=Temperatura (K)

(Volumen Húmedo) Es el volumen que ocupa 1Kgr de aire seco más el del vapor de agua presente.

Calor Específico del Vapor de Agua

Está comprobado experimentalmente que el calor específico de vapor saturado como de sobre saturado no varía apreciablemente dentro del intervalo de temperatura comprendido entre -71 y 124° C, tomándose generalmente un valor de 1.88 KJ/ Kg K.

Entalpia del vapor de agua (Hw)

Hw=2501.4 - 1.88(Ta-To)

Donde:

Ha=Entalpia del vapor de agua (KJ/Kg)Ta=Temperatura ambiente (ºC)To=Temperatura de referencia (ºC)

PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS AIRE –VAPOR

Las mezclas aire - vapor no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales, aunque estas pueden utilizarse con suficiente precisión a presiones inferiores a 3 atm.

Ley de Gibbs – Daltón

La mezcla aire vapor de agua existentes en la atmosfera siguen la ley de Ley de Gibbs - Daltón de forma que la presión ejercida por una mezcla de gases es la misma que la suma de las que ejercieran los gases constituyentes por separado.

PB = PA + PW

Donde:

PB = Presión total o presión barométrica del aire húmedo (Kpa)PA = Presión total o presión ejercida por el aire seco (Kpa)PW = Presión total o presión ejercida por el vapor de agua (Kpa)

Temperatura de rocío.

Es la temperatura a la cual la mezcla aire-vapor de agua se satura cuando se la enfría a presióny humedad constante, fuera del contacto con agua hasta condensar.El punto de rocío se puede determinar mediante la tabla de vapor de agua.

Punto de roció

El vapor de agua presente en el aire puede considerarse como vapor a baja presión. El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación correspondiente a la presión parcial ejercida por el vapor de agua.

Dicha temperatura del aire se denomina temperatura (o punto) de rocío. El punto de roció se puede determinarse mediante la tabla de vapor ele agua; por ejemplo, si la presión parcial del vapor de agua es 2.064 KPa, la temperatura de roció) puede obtenerse directamente como la correspondiente a la temperatura ele saturación; esto es, 18°C.

El concepto de punto) de rocío se expresa así: cuando una mezcla aire-vapor se enfría a presión y relación de humedad constante, alcanza una temperatura en la que la mezcla se satura, y por debajo de la cual se produce condensación de la humedad. La temperatura a la que comienza la condensación es la que se denomina temperatura de rocío.

Humedad Absoluta (Y).

Es el contenido de humedad de una mezcla aire – vapor de agua, expresado como la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco.

Humedad absoluta de saturación (Ys)

Es el contenido de humedad de una mezcla aire - vapor de agua que a una determinada temperatura ejerce una presión parcial igual a la presión de vapor del agua como líquido puro, encontrándose el aire saturado, y expresado como la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco.

Humedad relativa (HR)

Relación entre la presión parcial que ejerce el vapor de agua en la mezcla aire-vapor de agua y la presión de vapor del agua como líquido puro a la misma temperatura.

También se puede definir la humedad relativa como la relación entre la fracción molar del vapor de agua existente en una determinada muestra de aire húmedo y la existente en una muestra saturada a la misma temperatura y presión.

HR = ( xw/ xws ) 100

HR = (pw/ pws ) 100

Donde:pws = presión de saturación del vapor de agua

En condiciones en que se cumple con la ley de los gases ideales, la humedad relativa se expresa como el cociente entre la densidad del vapor de agua en el aire y la densidad del vapor de agua saturada a la temperatura de bulbo seco del aire.

HR = (ρw/ρs ) 100

Donde:

ρw = Densidad del vapor de agua en el aire Kg/m³ρs = Densidad del vapor e agua saturado a la temperatura de bulbo seco del aire Kg/m³

HR = Pagua/Pºagua

Temperatura de bulbo húmedo (tw).

Es la temperatura estacionaria alcanzada por una pequeña cantidad de agua evaporándose dentro de una gran cantidad de aire no saturado. Cuando el flujo de transferencia de calor por convección desde la superficie húmeda hacia el seno del aire, es que se alcanza esta temperatura estacionaria de equilibrio.

Donde:hc = coeficiente de transferencia de calor por convecciónKy = coeficiente de transferencia de masaλw = calor latente de vaporización del agua a twYw =humedad absoluta de saturación a twY = humedad absoluta de saturación a tGK gr H O K gr aire

Volumen húmedo (VH):

Es el volumen ocupado por la mezcla aire – vapor de agua, expresado como el volumen de una unidad de masa del aire seco y del vapor de agua que se encuentra presente en el aire. Para una mezcla de humedad absoluta Y, a la

temperatura tG y a la presión total P atm = 1atm , aplicando las leyes de los gases ideales:

VH = (0.0252+0.0405)(TG+460)pie³ mezcla / lb aire secoVH = (0.00283+0.00405Y)(TG+273)m³ mezcla / Kg aire seco

Calor húmedo (Cs): Es la capacidad calorífica de una mezcla aire – vapor de agua, expresada en base a una unidad de masa de aire totalmente seco.

Cs= Cp aire + Cp aire .Y

Dentro del intervalo de condiciones con que se trabaja, se puede suponer que las capacidades caloríficas del aire y del vapor de agua son constantes.

Cs= 0.240 + 0.45 Y (BTU/lb ºF)Cs=1.005+1.884 Y (KJ/Kg K)

Entalpía (HG)

La entalpía de una mezcla aire - vapor de agua es la suma de la entalpía del aire seco y la del vapor de agua que contiene, expresada en base a una unidad de masa de aire totalmente seco.

HG = Cpaire (tG - to) + Y [Cpagua (tG - to) + o ]

To = Temperatura de referencia o = Calor latente de vaporización del agua a tw.

En los diagramas psicométricos las temperaturas de referencia varían. Por ejemplo cuando se toma t0 = 0 ºF para el aire y t0 = 32 ºF para el agua

1075.8BTU/lb agua) la entalpía se evalúa por:

HG = 0.24 to) + Y [0.45 tG + 1061.4] BTU/lb aire seco

SATURACION ADIABATICA DEL AIRE

Este fenómeno se aplica en el secado de alimentos por convicción no existe ganancia ni pérdida de calor con respecto a los alrededores por eso es adiabático. El calor sensible del aire que entra se transforma en calor latente. Se expresa como:

Ecuación de Carrier

Relaciona presiones parciales y temperaturas de las mezclas aire – vapor está dado por:

Donde:

Pw =Presión parcial de vapor de agua a la temperatura de roció (KPa)

PB = Presión barométrica (KPa)

Pwb = Presión de saturación del vapor de agua a la temperatura bulbo húmedo (KPa)

Ta = Temperatura del bulbo seco (ºC)

Tw = Temperatura del bulbo húmedo (ºC)