DETERMINACIÓN DE ESTADO TERMODINAMICO

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECANICA
MSS/lbb/vcp.
BALANCES DE MASA Y ENERGIA EN SISTEMAS TERMICOS E-20
DOCUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA
TODO SISTEMA TERMODINAMICO PUEDE TENER INTERACCIONES CON EL ENTORNO
EN FORMA DE MASA Y ENERGIA, ESTA ULTIMA EN SUS MANIFESTACIONES DE CALOR
Y/O TRABAJO. LAS MAGNITUDES DE LAS INTERACCIONES SE VEN REFLEJADAS EN
LAS ECUACIONES DE CONTINUIDAD Y DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA.
EN GENERAL LAS ECUACIONES EN SUS VERSIONES SIMPLIFICADAS PARA VOLUMEN
DE CONTROL ESTACIONARIO ( FEEE ) SON :
e
m

Q
vc
s
 m
  m
  E

 s hs   m
 e he   E
 W
vc
c
p
DONDE LOS SUBÍNDICES CORRESPONDEN A:
e
: ENTRADA
s
: SALIDA
vc
: VOLUMEN DE CONTROL
c
: CINETICA
p
: POTENCIAL
EL AIRE ATMOSFERICO ES UNA MEZCLA PSICROMETRICA ( GASES Y VAPORES )
DONDE PARTICIPAN A NIVEL DE MEZCLA AIRE SECO (OXIGENO Y NITRÓGENO
ATMOSFERICO EN UNA RELACION VOLUMETRICA 21/79 ) Y UNA PEQUEÑA CANTIDAD
DE VAPOR DE AGUA, VARIABLE ENTRE UN VALOR CERO Y UN MAXIMO.
-
-
TIPOS DE AIRE ATMOSFERICO
i.
AIRE SECO : SOLO OXIGENO Y NITRÓGENO ATMOSFERICO 21 / 79 EN
VOLUMEN.
ii.
AIRE HUMEDO: AIRE SECO CON VAPOR DE AGUA, ESTE ÚLTIMO COMO
VAPOR SOBRE-CALENTADO.
iii.
AIRE SATURADO: AIRE SECO CON VAPOR DE AGUA, ESTE ULTIMO COMO
VAPOR SATURADO SECO.
LA EVENTUAL PRESENCIA DE VAPOR DE AGUA EN EL AIRE ATMOSFERICO
JUSTIFICA DEFINIR LOS CONCEPTOS DE HUMEDAD.
i.
HUMEDAD ABSOLUTA O ESPECIFICA (  ): CUOCIENTE ENTRE LA MASA DE
VAPOR DE AGUA Y LA MASA DE AIRE SECO; DEL ORDEN DE CENTESIMAS.
ii.
HUMEDAD RELATIVA (  ) : CUOCIENTE ENTRE LA PRESION PARCIAL DEL
VAPOR DE AGUA Y LA PRESION DE SATURACIÓN DEL MISMO A LA
TEMPERATURA EXISTENTE EN TANTO POR UNO O PORCENTAJE.
CUALITATIVAMENTE LA HUMEDAD RELATIVA PUEDE ASOCIARSE A LA PROXIMIDAD DE
UNA CONDENSACIÓN DEL VAPOR DEL AGUA, PARA LA CONDENSACIÓN DE ESTE SE
REQUIERE LLEGAR A LA CONDICION DE AIRE SATURADO, TAMBIEN EN ESE CASO LA
POSIBILIDAD DE INCORPORAR O CAPTURAR AGUA ES PRÁCTICAMENTE NULA, LUEGO
PODRA ENTENDERSE QUE A MENOR HUMEDAD RELATIVA ES MAYOR LA CAPACIDAD
DE INCORPORAR AGUA AL AIRE ( LUEGO DE ALCANZAR LA FASE GASEOSA ),
FENÓMENO QUE SE CONOCE COMO CONCEPTO DE HUMECTACIÓN O
HUMIDIFICACION DEL AIRE.
LUEGO RELACIONANDO ES VALIDA LA SIGUIENTE TABLA
AIRE SECO
AIRE HUMEDO
AIRE SATURADO
HUMEDAD ABSOLUTA
0
0     máx
 máx
HUMEDAD RELATIVA
0%
0%    100%
100%
EL VALOR DE HUMEDAD ABSOLUTA GUARDA RELACION CON LA TEMPERATURA Y
PRESION A LA QUE ESTA SOMETIDO EL AIRE.
DADO QUE EN CONDICIONES AMBIENTALES LA CANTIDAD DE VAPOR DE AGUA PUEDE
SER VARIABLE Y NO ASI LA CANTIDAD DE AIRE SECO MUCHAS PROPIEDADES DEL
AIRE ATMOSFERICO A NIVEL DE MEZCLA SE ESTIPULAN POR UNIDAD DE MASA DE
AIRE SECO, EJEMPLOS:
-
ENTALPIA DE MEZCLA POR UNIDAD DE MASA DE AIRE SECO
H as = h as + w h vH2o
( ENERGIA / MASA A. SECO ).
VOLUMEN ESPECIFICO DE MEZCLA POR UNIDAD DE MASA DE AIRE SECO
v as = V mezcla / MASA AIRE SECO ( VOLUMEN / MASA A. SECO )
PARA CONOCER LAS CARACTERISTICAS DE AIRE ATMOSFERICO A PRESION
ATMOSFERICA NORMAL Y VALORES PROXIMOS ES VALIDO UTILIZAR LA CARTA
PSICROMETRICA Y DONDE EL CONCEPTO DE TEMPERATURA DE BULBO SECO HACE
REFERENCIA A LA TEMPERATURA DEL AIRE PROPIAMENTE TAL.
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE:
EN LO GENERAL SON FENÓMENOS QUE SE REALIZAN EN DISPOSITIVOS DE FEEE,
ESTABLECIENDOSE DOS GRANDES TIPOS:
i.
SENSIBLES :
SOLO MODIFICAN LA TEMPERATURA, CONSERVANDO LA
HUMEDAD ABSOLUTA.
ii.
LATENTES :
MODIFICAN LA HUMEDAD ABSOLUTA Y GENERALMENTE
LA TEMPERATURA.
DIRECTAMENTE RELACIONADOS A
CONCEPTOS:
ESTOS ASPECTOS ESTAN LOS SIGUENTES
CONDICIONES DE CONFORT : RANGO DE TEMPERATURA ( TBS ) Y HUMEDADES
RELATIVAS QUE EN NINGUN CASO INCOMODAN A
LAS PERSONAS.
RENOVACIÓN DE AIRE :
NÚMERO DE VECES EN LA UNIDAD DE TIEMPO EN
QUE EL VOLUMEN DE UN RECINTO DEBE SER
CAMBIADO ( RENOVADO ) PARA ASEGURAR UNA
ATMÓSFERA LIMPIA.
REPRESENTACIÓN DE PROCESOS MAS USUALES
I.
SENSIBLES:
1   2
 m
 AS
Q
II.
H2  H1 
HUMECTACIÓN ADIABATICA:
 H 2O
m
 AS 2
 m
 1 
2
 1  h H 2O  H 2  H1
III.
DESHUMECTACION BAJO EL PUNTO DE ROCIO:
 H 2O  m
 AS
m


Q
 m
1
2
AS
1  2 
H2  H1 
 AS
m
1
 2  h H 2O
ENSAYOS DE LABORATORIOS
1. EFECTUAR UN FENÓMENO DE HUMIDIFICACION ADIABATICA MEDIANTE UNA
LLUVIA PULVERIZADA DE AGUA LIQUIDA FRIA SOBRE LA CORRIENTE DE AIRE.
2. EFECTUAR UN FENÓMENO DE HUMECTACIÓN CON AGUA FRIA PULVERIZADA Y
SIMULTÁNEAMENTE APORTAR CALOR A LA CORRIENTE DE AIRE HACIENDO
USO DE UN FLUJO DE VAPOR SATURADO QUE HABRA DE CONDENSARSE EN
UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL TIPO CERRADO.
PARA AMBOS ENSAYOS SE HARA USO DE UN EQUIPO ACONDICIONADOR DE AIRE EN
DONDE SE PUEDEN REALIZAR DIFERENTES TIPOS DE PROCESOS TANTO SENSIBLES
COMO DE TIPO LATENTE.
ENTRE SUS PRINCIPALES CARACTERISTICAS SE CUENTAN:
- INTERCAMBIADOR DE CALOR QUE POSIBILITA LA CONDENSACIÓN DE VAPOR DE
AGUA, DANDO LUGAR A CALENTAMIENTOS DE TIPO SENSIBLE.
-
DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN Y EVAPORADOR CORRESPONDIENTE A UN CICLO
DE REFRIGERACIÓN PARA LOS EFECTOS DE ENFRIAMIENTO Y CONDENSACIÓN
DEL VAPOR DE AGUA SI CORRESPONDIESE.
-
FILTROS, HUMECTADORES, VENTILADORES, BOMBAS DE AGUA, SECCIONES DE
AREA VARIABLE PARA EVENTUALES RECIRCULACIONES Y OTROS.
PARA LA OPERACIÓN DE ESTE EQUIPO SE ASUME LA CONDICION DE FEEE CON
AUSENCIA DE COMPRESIONES Y EXPANSIONES LO CUAL PERMITE ASUMIR UNA
MAGNITUD DESPRECIABLE DE TRABAJO Y UTILIZAR CON PROPIEDAD LA CARTA
PSICROMETRICA, LA CUAL ENTRE OTROS ESTA CONCEBIDA PARA UNA PRESION
CONSTANTE. LAS ECUACIONES DE CONTINUIDAD DEBEN SER PLANTEADAS EN
TANTAS OPORTUNIDADES COMO SUSTANCIAS EXISTAN, TAL COMO SE INDICA A
CONTINUACIÓN:
- AIRE SECO
 A. SECO e   m
 A. SECO s
m
- AGUA
 H2O e   m
 H2O s
m
- ECUACIÓN DE ENERGIA
  m
 s hs   m
 e he
Q
vc
PODRA OBSERVARSE QUE SE HAN ASUMIDO COMO DESPRECIABLE LOS CAMBIOS EN
ENERGIAS CINETICAS Y POTENCIALES.
ESQUEMA DEL EQUIPO ACONDICIONADOR
Ingreso de vapor
para calentamiento
Incorporación de agua
Entrada de aire
Filtro
Salida
de aire
Trampa de vapor
Equipo de refrigeración
PROTOCOLOS DE ENSAYO:
PRIMER OBJETIVO: REALIZAR UN FENÓMENO DE HUMIDIFICACION ADIABATICA
UTILIZANDO AGUA LIQUIDA FRIA PULVERIZADA, CUANTIFICANDO EL FLUJO DE AGUA
QUE CAPTURA Y ARRASTRA LA CORRIENTE DE AIRE.
SECUENCIA DE PROCEDIMIENTOS: ENERGIZAR EL EQUIPO ACONDICIONADOR,
MEDIANTE UN VENTILADOR ESTRABLECER LA CIRCULACIÓN DE AIRE CON UNA UNICA
ENTRADA Y UNA UNICA SALIDA; CON LA AYUDA DE UNA BOMBA ROCIAR LA
CORRIENTE DE AIRE CON AGUA LIQUIDA PULVERIZADA.
PARÁMETROS A MEDIR :
-
TEMPERATURAS Y HUMEDADES RELATIVAS EN LAS REGIONES DE ENTRADA Y
SALIDA.
VELOCIDAD MEDIA PONDERADA DE LA CORRIENTE EN LA REGION DE SALIDA,
DADA LA EXISTENCIA DE UN REGIMEN TURBULENTO Y CONSIDERANDO QUE ES
UNA SECCION RECTANGULAR DONDE EL ANCHO ES MUY SUPERIOR A LA ALTURA
SE HARA UN BARRIDO EN UN EJE HORIZONTAL UBICADO A MEDIA ALTURA Y
EFECTUANDO UN TOTAL DE 8 MEDICIONES, DISTRIBUIDAS HOMOGÉNEAMENTE,
LUEGO :
8
V( 
i 1
Vi ) / 10 ; SE ASUME QUE LOS EXTREMOS DEL DUCTO LA VELOCIDAD
ES NULA.
-
AREA DUCTO DE SALIDA .
DETERMINACIÓN DE VALORES :
-
DESDE LA CARTA PSICROMETRICA OBTENER VALORES DE HUMEDAD ABSOLUTA
EN REGIONES DE ENTRADA Y SALIDA, TAMBIÉN RESCATAR EL VALOR DEL
VOLUMEN ESPECIFICO REFERIDO AL AIRE SECO EN LA SECCION DE SALIDA.
-
APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD.
EJEMPLO DE CALCULO:
- SEAN CONDICIONES DE ENTRADA:
Te = 21º C
e = 40 %
e = 0,006 Kgm H2O / Kgm A. SECO
-
SEAN CONDICIONES DE SALIDA:
Ts = 16º C
s = 80 %
s = 0,009 Kgm H2O / Kgm A. SECO
vs = 0,83 M3 / Kgm A. SECO
-
SEA VELOCIDAD MEDIA PONDERADA
Vs = 10 M / SEG
-
SEA AREA DEL DUCTO DE SALIDA
A = 0,0798 M2
-
LUEGO EL FLUJO DE CORRIENTE GASEOSA


-
= 0,798 M3 / SEG
FLUJO MASICO DE AIRE SECO
 A.SECO  0,798 / 0,83  0,9614 Kgm A.SECO / SEG
m
-
MASA DE AGUA CAPTURADA POR EL AIRE
 H 2O  m
 v H 2O SALIDA  m
 v H 2O ENTRADA
m
 H 2O 
m
 A.SECO
m
( s  e )

0,9614( 0,009  0,006)
 H 2O  0,00288Kgm H2O / SEG  10,368 Kgm H2O / HORA
m
PUEDE OBSERVARSE EN EL CASO DE GRAFICAR EL FENÓMENO QUE EXISTE UN
DESCENSO EN LA TEMPERATURA DEL AIRE, SU JUSTIFICACION ES QUE DEBE
APORTAR CALOR PARA VAPORIZAR AL AGUA LIQUIDA; LO ANTERIOR TAMBIEN
PERMITE ENUNCIAR AL PROCESO COMO ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO.
SEGUNDO OBJETIVO: REPETIR LA SECUENCIA OPERACIONAL DEL PRIMER OBJETIVO
Y PERMITIR EL ACCESO DE VAPOR SATURADO, EL CUAL AL CONDENSARSE EN UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR CERRADO CEDE CALOR A LA CORRIENTE GASEOSA. LA
EXISTENCIA DE UNA TRAMPA
DE VAPOR ASEGURA QUE ESTE ENTREGE LA
TOTALIDAD DEL CALOR LATENTE REMANENTE.
SE PRETENDE DETERMINAR EL APORTE CALÓRICO Y DE HUMEDAD ADEMAS DE SUS
EFECTOS EN LA CORRIENTE PSICROMETRICA.
PROCEDIMENTOS A MEDIR
-
REPETIR LO INDICADO PARA EL PRIMER OBJETIVO
TEMPERATURA DEL AGUA LIQUIDA A PULVERIZAR.
AGREGANDO
LA
DETERMINACIÓN DE VALORES
-
REPETIR LA SECUENCIA DE PROCEDIMIENTOS
INCORPORANDO LO QUE SE INDICA.
DEL
PRIMER
OBJETIVO
i.
ENTALPIA DEL AGUA PULVERIZADA, DADO QUE ES LIQUIDA A LA PRESION
ATMOSFERICA SE APROXIMA A LA CONDICIÓN DE LIQUIDO SATURADO A LA
MISMA TEMPERATURA ( hf )
ii.
ENTALPIA DEL AIRE ATMOSFERICO PARA LAS CONDICIONES DE ENTRADA Y
SALIDA, HACIENDO USO DE LA CARTA PSICROMETRICA.
EJEMPLO DE CALCULO
CONDICIONES DE ENTRADA
SEAN
: Te = 21ºC ; e = 40 %
LUEGO : e = 0,006 Kgm H20/Kgm A. SECO
H e =37,2 KJOULE/Kgm A. SECO
CONDICIONES DE SALIDA:
Ts = 40º C
 = 20 %
LUEGO s = 0,009
Kgm H2O / Kgm A. SECO Hs = 63,0
vs = 0,90
KJOULE / Kgm A.SECO
M3 / Kgm A.SECO
TEMPERATURA AGUA LIQUIDA A INCORPORAR
T = 17º C = 290 º K
h = 69,7
KJOULE / Kgm H2O
VELOCIDAD MEDIA PONDERADA
Vs = 11 m / SEG.
AREA DUCTO SALIDA
A = 0,0798 M2
FLUJO MASICO AIRE SECO CIRCULANTE
 A.SECO  0,97753Kgm A.SECO / SEG
m
FLUJO MASICO AGUA CAPTURADA
 H 2O  0,00292Kgm H 2O / SEG
m
FLUJO CALÓRICO A APORTAR

Q
vc
 A.SECO
 m
Hs  He  m H2O h H2O

Q
vc  0,975363,0  37,2  0,00292x 69,7

Q
vc  25,162 0,203  25,365 Kwatts
DADO QUE ESTE APORTE DE CALOR LO HACE UN VAPOR EN CONDENSACIÓN, EN
FORMA ADICIONAL SE DETERMINA EL VAPOR NECESARIO ASUMIENDO QUE ESTE
LLEGA COMO UN VAPOR SATURADO DE AGUA A 8 BAR (A) Y TITULO 90% PARA SALIR
COMO LIQUIDO SATURADO.

m

vapor calefactor
= Q / ( h saliente – h entrante ) = - 25,365 / (720,7 - 2563,9)
vapor calefactor
= 0,0137 Kgm H2O / Seg = 49,32 Kgm H2O / HORA

m