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Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria de
Ingeniería Campus Guanajuato
Ingeniería biotecnológica
Laboratorio de Bioseparaciones
6BV1/7FV
“Secado: Elaboración de una carta psicrométrica del
sistema agua-aire a la altura de Silao.”
Integrantes:
Carmona Ayala Aylín Josmara
Espinoza Ibarra Saraí
Jaime Isais Carlos Manuel
Padilla Villegas Natalia Jocelyn
Raya Espinosa América Cristal
Profesor:
Luis Miguel Pérez Aguilar
José Alfredo Hernández Maldonado
Silao de la Victoria, 03 de julio del 2020
Resumen
En el presente documento se muestra cómo se realiza una carta psicrométrica del sistema aire-agua específicamente para la ciudad Silao Guanajuato con sus respectivos valores de presión y altitud utilizando Excel para la realización de esta.
Introducción
Secado
El secado es la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material.
En diversas operaciones unitarias, así como en los procesos de transporte, es necesario efectuar cálculos que se basan en las propiedades de mezclas de vapor de agua y aire. Para estos cálculos se requiere conocer la concentración del vapor del agua en el aire en diversas condiciones de temperatura y presión, las propiedades térmicas de estas mezclas y los cambios que se verifican cuando la mezcla se pone en contacto con agua o con sólidos húmedos para secarla.
Figura 1. Diagrama de fases del agua
Una propiedad muy importante de la presión de vapor del agua, es que no es afectada por la presencia de un gas inerte como el aire; esto es, la presión de vapor del agua es esencialmente independiente de la presión total del sistema.
Humedad
La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire (kg agua/ kg aire seco). Esta definición de la humedad sólo depende de la presión parcial PA del vapor de agua en el aire y de la presión total P.
H = 28.9718.^
P (^) A P − P (^) A
El aire saturado es aquel en el cual el vapor de agua está en equilibrio con el agua líquida en las condiciones dadas de presión y temperatura. En esta mezcla, la presión parcial del vapor del agua en la mezcla aire-agua es igual a la presión de vapor P (^) AS del agua pura a la temperatura establecida. Por consiguiente, la humedad de saturación Hs es
Es posible calcular un balance de calor para la mecha. La temperatura base se toma como T (^) w .La cantidad de calor perdida por evaporación, despreciando el pequeño cambio de calor vaporizado y la radiación, es:
q = M (^) B k (^) y λ ( w H (^) w − H ) A
La velocidad de transferencia convectiva de calor de la corriente de gas a T la mecha a T (^) w es
q = h ( T − T (^) w ) A
donde h es el coeficiente de transferencia de calor en kW/m2 • K. Al igualar q y reordenar,
T − T (^) w
H − Hw = (^) λ w
h / M (^) B ky
Los datos experimentales del valor de h / M (^) B ky llamada relación psicométrica, muestran que para mezclas de vapor de agua y aire, el valor es aproximadamente de 0.96 a 1.005. Puesto que este valor es cercano al de Cs, esto es, más o menos, 1.005. Lo que significa que las líneas de saturación adiabática también pueden usarse como líneas de bulbo húmedo con precisión bastante razonable. (Obsérvese que esto sólo es cierto para vapor de agua y no para otros líquidos, como el benceno.) Por consiguiente, la determinación del bulbo húmedo se usa con mucha frecuencia para obtener la humedad de mezclas de aire y vapor de agua.
(Geankoplis, 2006)
Los secadores de aire comprimido se clasifican comúnmente para lograr un nivel de humedad específico para un cierto volumen de flujo de aire (cfm). Esta clasificación de flujo nominal generalmente se basa en un conjunto de condiciones de diseño. En la práctica, las condiciones reales pueden cambiar de un día a otro y rara vez son las condiciones de diseño, y el secador puede ser demasiado grande o insuficiente, según la forma en que se seleccione.
Al dimensionar un secador, es importante entender cómo la temperatura y la presión afectan el contenido de humedad en el aire. El contenido de vapor de agua en el aire varía directamente con la temperatura: si la temperatura aumenta, la capacidad del aire para retener el agua aumenta. Como regla general, cada aumento de 20 ° F en la temperatura del aire de entrada puede duplicar la carga de humedad en un secador. La presión es lo contrario. El contenido de vapor de agua en el aire varía inversamente con la presión: si la presión aumenta, exprime la humedad.
(Indutorres, 2019)
Debido a estas dos relaciones, se plantea la corrección de los datos en una carta psicrométrica para las condiciones ambientales específicas, en este caso, la ciudad de Silao, Guanajuato.
Presión Barométrica
La presión barométrica es el valor de presión atmosférica que se mide en un punto cualquiera por encima del nivel del mar.
La presión atmosférica disminuye al aumentar la altura a la que nos encontramos sobre el nivel del mar. Sin embargo, esta disminución no es uniforme, ya que al principio disminuye más rápidamente que después, debido a que la atmósfera va perdiendo densidad a medida que vamos ascendiendo, pues el aire se va enrareciendo y cada vez hay menos aire (Mott,2006).
Figura 3. Variación de la presión atmosférica con la altura.
Carta Psicométrica
Una carta psicrométrica, es una gráfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, hr , volumen, presión, etc. Las cartas psicrométricas se utilizan para determinar, cómo varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire (Soto, et-al., 2018). Han sido recopiladas a través de incontables experimentos de laboratorio y de cálculos matemáticos, y son la base para lo que conocemos como la Carta Psicrométrica. Aunque las tablas psicrométricas no son más precisas, el uso de la carta psicrométrica puede ahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos donde no se requiere una extremada precisión.
Temperatura de Punto de Rocío. Esta es la temperatura a la cual se condensa la humedad sobre una superficie. La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la escala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la misma escala para ambas propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura de punto de rocío corren horizontalmente de izquierda a derecha.
Humedad Relativa. En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativa constante son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada línea.
Entalpía. Las líneas de entalpía constantes e inclinadas en una carta psicrométrica, Debe notarse que estas líneas, son meramente extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total del aire depende de la temperatura de bulbo húmedo.
Volumen Específico. Las líneas del volumen específico constante también inclinadas en una carta psicrométrica. Estas líneas están en un ángulo aproximado de 60 grados con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general, el espacio entre cada línea representa un cambio de volumen específico de 0.05 m³/kg. Cualquier punto que caiga entre dos de estas líneas, naturalmente debe ser un valor estimado.
(López, et-al., 2000).
Objetivos
Objetivo general Construir una carta psicrométrica del sistema aire-agua.
Objetivos específicos
- Construir una carta psicrométrica para la ciudad de Silao Guanajuato con sus valores de presión y altitud ya establecidos.
- Analizar y comprender la manera en la que afectan cada una de las variables establecidas en la carta psicrométrica.
- Investigar y analizar softwares que sean idóneos para la construcción de la carta psicrométrica de la ciudad asignada.
Descripción del sistema
Figura 5. Descripción del sistema Carta Psicrométrica
Metodología
P = ( 1 atm ) e .8157 atm
(−1780 m )
(28.96 (^) kmol^ kg )(9.81 (^) sm 2 )
(8.31447 kmolkJ K )( 10001 kJ^ J )(298.65 K ) = 0
● Presión saturada.
Para conocer la presión saturada para las temperaturas asignadas se utiliza la ley de Antoine.
l og (^) 10 P sat = A − (^) T (º CB ) + C
Con la Presión saturada se determina la humedad saturada.
Con ayuda de Microsoft Excel se realizaron las gráficas que representan la carta psicrométrica como
se muestra en la figura 6 en base a los datos calculados de igual manera en excel. Las líneas de colores representan las humedades relativas desde 10% hasta 100% para cada valor de temperatura de bulbo seco, a las cuales le corresponden valores de humedad absoluta (eje vertical).
Figura 6. Carta psicrométrica, curvas de saturación, temperatura de bulbo seco y humedad absoluta
● Humedad absoluta y humedad relativa.
Se unen las líneas de humedad absoluta con la línea de humedad saturada de manera gráfica y de manera horizontal, en los valores sobre la línea de saturación se muestran los valores de temperatura húmeda. Para determinar la humedad saturada (Ys) y la humedad relativa (Hr) se utilizan las siguientes ecuaciones.
Posteriormente se grafica la temperatura de bulbo seco (Tbs) vs la humedad saturada (Ys).
Figura 7. Carta psicrométrica, curvas de saturación, temperatura de bulbo seco, humedad absoluta, temperatura de bulbo húmedo y de Punto de rocío
nivel del mar, por ello, la necesidad de construir una carta psicométrica adecuada para cada región determinada o de interés.
El margen de error entre distintas cartas de acuerdo a la altitud donde se generan, se debe a que el aire húmedo se rige por la relación entre aire seco y el vapor de agua determinados por la presión de cada zona. Lo anterior sigue la ley de Dalton de presiones parciales, en base a cada una de sus respectivas propiedades, donde se establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes y la presión parcial es la presión que ejercería cada componente en las mismas condiciones del sistema (Soto, 2018).
Es por esto que resulta de suma importancia la realización de las cartas psicométricas dependiendo del lugar donde se utilice ya que como se menciona la presión en la ecuación de dalton cambian el comportamiento de estas cartas psicométricas llevando a errores que pueden perjudicar debido a que estas cartas se utilizan en cálculos de industrias llevando a errores que pueden representar un alto riesgo a nivel económico.
Conclusiones
Se construyó una carta psicrométrica del sistema aire-agua para la ciudad de Silao Guanajuato con sus valores respectivos valores de presión y altitud. Se analizaron las variables que afectan en la carta psicrométrica.
Se analizó que el software idóneo fue Excel debido a la facilidad de su práctica y a que es
comúnmente usado por la sociedad en general.
Referencias
I. Soto Francés, V. M., Sarabia Escriba, E. J., Carnero Melero, P., & Pinazo Ojer, J. M. (2018). Psicometría aplicada a la climatización. Bases teóricas y problemas. Editorial Universitat Politécnica de Valencia. II. López, R. P., SILVA, J. D. S., & Rezende, R. C. (2000). Princípios básicos da psicrometria. Secagem e armazenagem de produtos agrícolas. SILVA, JS (editor). Editora Aprenda Fácil, Viçosa, Brazil. III. Ramírez, J. C. L., Arenas, C. J., & Correa, N. D. C. (2014). EVALUACIÓN PSICOMÉTRICA DE UN DESHIDRATADOR DE BANDEJA PARA ALIMENTOS. Alimentos Hoy, 22(33), 26-
IV. Geankoplis, C. (2006). Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación (4th ed., pp. 574-585). México: Compañía Editorial Continental. V. Indutorres, (2019). El arte de dimensionar un Secador de aire comprimido. https://www.indutorres.com/el-arte-de-dimensionar-un-secador-de-aire-comprimid o/ VI. Mott, R. (2006). Mecánica de fluidos (6th ed.). México: Pearson Educación.
Anexo 1. Hoja de cálculo de Excel para construcción de Carta psicrométrica.
Nota. La imagen muestra cálculos hasta Hr= 70% y T=20ºC, sin embargo estos cálculos se realizaron hasta Hr= 10% y las temperaturas llegan hasta T=55ºC, las cuales fueron omitidas en la imagen con el objetivo de hacer esta visualmente agradable y legible
