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.

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