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Diseño y Construcción de una Interfaz Gráfica del Diagrama
Psicrométrico Aplicado en Problemas de Humidificación y
Secado
Daniela Zamario1, Anselmo Osorio1, Ignacio Sánchez1, Luis A. Sánchez1, José Vicente1,
Eduardo Hernández1, Rodolfo Hernández2
(1) Univ. Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas, Orizaba. (2) Inst. Tecnológico Superior de
Huatusco, Huatusco (México)
([email protected])
RESUMEN
En las operaciones unitarias, así como en los procesos de transporte es necesario efectuar
cálculos que se basan en las propiedades termodinámicas de las mezclas de aire seco y vapor de
agua, por lo que es importante su estudio en sistemas tales como: humidificación
acondicionamiento del aire, secado de productos solidos químicos, alimenticios, etc. En este
trabajo se desarrolla una interfaz gráfica de usuario en Visual Estudio V6.0 para la resolución de
problemas de humidificación y secado en donde intervienen mezclas de vapor, agua y aire en
función de la presión total deseada. La interfaz para construir o trazar la carta psicrométrica utiliza
un algoritmo de cálculo simple que se basa en las ecuaciones para la determinación de
propiedades y de curvas características en el proceso de humidificación. En la interfaz se
capturan los datos del problema, se seleccionan valores, las condiciones de operación o
propiedades del sistema a utilizar y se muestran los resultados numéricos obtenidos por el
algoritmo de cálculo, así como el trazo gráfico de la carta psicrométrica. Esta interfaz gráfica se
utiliza en la solución de problemas de experiencias educativas relacionadas con humidificación y
secado, como un soporte complementario didáctico y de apoyo en el proceso enseñanzaaprendizaje en carreras de ingeniería.
INTRODUCCIÓN
El aire es una mezcla de gases altamente sobrecalentados, que rodea a la tierra puesto que el
conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es de gran importancia dentro
de las operaciones unitarias se requiere conocer la concentración del vapor de agua en el aire a
diversas condiciones. La psicrometría se define como la medición del contenido de humedad del
aire, involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad
atmosférica sobre los materiales.
El diagrama o carta psicométrica es una representación gráfica de los datos termodinámicos; las
líneas en el diagrama representan las propiedades termodinámicas del aire húmedo. Esta carta se
utiliza para determinar las propiedades del aire a una temperatura y presión determinada
(Geankoplis, 2006). Se puede construir una carta de humedad para cualquier sistema en función
de la presión total que se desee, realizando las modificaciones pertinentes a las ecuaciones de las
propiedades termodinámicas (McCabe, 2007).
La humidificación hace referencia a los estudio de mezcla de aire y vapor de agua, las
operaciones de humidificación y deshumidificación implican transferencia de materia entre una
fase líquida pura y un gas permanente que es insoluble en el líquido (Treybal, 1984).
En la actualidad los programas computacionales resultan ser de gran importancia dentro de los
procesos de enseñanza y aprendizaje en ingeniería. En este sentido, se puede observar la
importancia del desarrollo de un programa para coadyuvar a las tareas de aprendizaje y
participación de los alumnos en el proceso de autoestudio para una formación integral profesional,
La interfaz gráfica amigable al usuario es posible aplicarla en la resolución de problemas de clase
o de aplicación industrial, propuestos en libros de texto sobre operaciones unitarias.
En la interfaz se captura los datos del problema, se seleccionan valores, las condiciones de
operación o propiedades del sistema a utilizar y se muestran los resultados numéricos obtenidos
por el algoritmo de cálculo, así como el trazo grafico de la carta psicométrica que permite la
resolución de problemas de humidificación y secado en diferentes condiciones. Además de ser
una herramienta que resume las curvas básicas de diferentes procesos de transferencia de masa
en mezclas agua-aire-vapor de agua, resulta ser útil como una herramienta didáctica aplicada al
proceso enseñanza aprendizaje que permite estudiar estos fenómenos de transferencia.
El lenguaje de programación para la construcción de la interfaz gráfica es el lenguaje Microsoft
Visual Basic 6.0. es un lenguaje de programación visual de 4ta generación, utilizado como un
desarrollador integrado orientado a la realización de programas donde se pueden incorporar
elementos como ventanas, botones, cajas de diálogo y de texto, botones de opción, de selección,
gráficos, menús, etc.
A continuación se describen los pasos metodológicos para el diseño y construcción de la interfaz
gráfica, posteriormente se presentan los resultados sobre el funcionamiento de la interfaz gráfica y
a su aplicación a la resolución de un problema de clase típico sobre humidificación, y finalmente
se dan algunas conclusiones.
METODOLOGIA
En esta sección se presenta la descripción de los procedimientos empleados para el desarrollo de
la interfaz gráfica de usuario.
Diseño de la interfaz gráfica: en esta etapa se propone el diseño de la interfaz gráfica de usuario a
través de la codificación de un algoritmo de cálculo en Visual Basic 6.0 para resolver problemas
de humidificación y generar el trazo de la carta psicrométrica. La aplicación Visual Basic VB
trabaja de dos modos distintos: 1) En modo de diseño, el usuario construye interactivamente la
aplicación, colocando controles en el formulario, definiendo sus propiedades y desarrollando
funciones para gestionar los eventos. 2) En modo de ejecución, el usuario actúa sobre el
programa y prueba como responde.
La plataforma de Visual Studio provee la facilidad de poder elegir con gran libertad los nombres de
variables y funciones que se involucran dentro del algoritmo de programación, teniendo siempre
cuidado de respetar las reglas del lenguaje y de no utilizar un conjunto de palabras reservadas
(keywords) que son utilizadas por el propio lenguaje.
Desarrollo y construcción de la Interfaz: primero se ejecuta la aplicación VB en el modo de diseño
para la creación interactiva de la interfaz que contendrá el programa. Se inicia con el módulo que
se refiere al de carga de datos a partir del cual se obtendrán los valores necesarios para construir
los gráficos de humedad relativa y saturación adiabática, estos valores son, por ejemplo,
temperatura, presión, calor latente, etc. Estos datos se calculan a partir de las ecuaciones básicas
para el análisis de procesos de humidificación y secado, en la tabla 1, se da un resumen de estas
relaciones.
Tabla 1. Determinación de propiedades termodinámicas en procesos de humidificación y secado.
Presión Total
Humedad molar o saturación molar
Humedad absoluta o saturación
absoluta
Humedad relativa o saturación
relativa
Humedad porcentual o saturación
porcentual
Volumen especifico del gas húmedo
(
(
)
)
Calor especifico del gas húmedo
Entalpia especifica
Temperatura húmeda o temperatura
del termómetro húmedo
Temperatura de saturación adiabática
Siendo:
pw* =Tensión de vapor del líquido a la temperatura húmeda;
pv =Presión parcial del vapor en el gas;
hc=coeficiente de convección liquido-gas;
Kg=coeficiente de trasporte de materia;
Mv=masa molecular del vapor;
w=calor latente de vaporización del líquido a la temperatura húmeda;
Ys=humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabática;
ts=temperatura de saturación adiabática;
c=calor especifico de la masa húmeda;
λs=calor latente de vaporización del líquido a temperatura
Enseguida, se declaran variables globales, estas serán almacenadas en dos vectores; el vector
uno se denomina psmmhg, el cual considera valores constantes que correspondan a datos de
presión en intervalos de 5 mm Hg (Figura 1); el vector dos se designa tem-sat encargado de
almacenar datos de temperatura de saturación (Figura 2).
Fig 1. Declaración de los valores de presión
Fig. 2. Declaración de los valores de
temperatura.
A continuación se realiza la formación de una matriz dispuesta de 20 columnas por 23 filas con
valores variables, a partir de los cuales se genera una gráfica para uso posterior. La matriz
generada (Figura 3), se llena con los valores que corresponden a humedad y saturación
adiabática, estos valores se localizan en una base de datos en el modo listview, para su
disposición práctica en tablas ubicadas en un objeto denominado frame (Figura 4).
Fig. 3. Generación de Matriz en modo listview
Fig. 4. Base de datos en objeto frame.
Se deben de redondear los datos que se emplean en variables tipo doble. Para finalizar con el
módulo, se procede con la edición del objeto de gráficos, mediante la función de drawchart (Figura
5), para su disposición final en la ventana correspondiente a gráficos (Figura 6).
Fig. 5. Edición del objeto del gráfico.
Fig. 6. Programación de secuencia función
drawchart.
Para la construcción de los gráficos se usa un control de Microsoft chart, aquí se accede a un
frame llamado frame1 y el elemento se llama mschart1. Una vez que se ejecuta la orden de
graficar se muestra la carta psicométrica con los datos provenientes de la base de datos.
El programa desarrollado permite comprender y visualizar la solución de problemas de
humidificación y secado, mediante cálculos complementados con la construcción de la carta
psicrométrica correspondiente. La interfaz principal del programa desarrollado (Figura 7) permite
seleccionar el tipo de problema que se aborda para su resolución, considerando la opción de
humificación o secado.
Fig. 7. Interfaz principal del programa.
Datos porcentuales de humedad relativa con número de lista 1 a 10, correspondientes a valores
de humedad relativa con intervalo de 10% a 100%, respectivamente, se almacenan en forma de
tablas dentro del objeto frame, el cual se muestra al presionar el botón Humedad (Figura 8).
Cálculo de humedad adiabática, estos datos se ingresan en un objeto listview1, iniciando en la
posición del número de lista 11 al 22. Todas las tablas están contenidas dentro de un objeto
frame, el cual se muestra al presionar el botón Adiabático (Figura 9).
Fig. 8. Datos de Humedad Relativa.
Fig. 9. Datos de Humedad Adiabática.
La construcción de la gráfica se basa en un control de Microsoft chart, con un frame, llamado
frame1 y el elemento mschart1. Una vez que se ejecuta la orden de graficar se muestra la carta
psicrométrica (Figura 10).
Fig. 10. Carta Psicrométrica.
RESULTADOS
Aplicación en la solución de problemas de Secado: para fines de validación del programa se
considera el cálculo de la temperatura mínima hasta la que el aire se enfría en el secador, la
cantidad máxima de agua evaporada por kilogramo de aire que entra en el secador, así como, el
volumen de aire a la salida del secador por metro cúbico de aire de entrada si la cantidad de agua
evaporada es la máxima posible, considerando que el secador funciona en condiciones
adiabáticas y el aire es suministrado a 60 °C tiene una temperatura de rocío de 10 °C, (Ocon y
Tojo, 1980).
Para obtener la solución, el método se basa en la construcción del diagrama psicrométrico; se
introducen los valores iniciales para los datos del problema (Figura 11), tal como la temperatura de
rocío en °C y temperatura del problema. En la parte superior izquierda de la interfaz se encuentran
los comandos de calcular humedad y calcular H, estos se deben seleccionar de forma cronológica,
para que interfaz muestre los resultados de humedad, así como la temperatura mínima de
enfriamiento de la masa de aire (Figura 12).
Fig. 11. Introducción de datos de secado
Fig. 12. Interfaz de la resolución en secado
Al seleccionar en la parte inferior de la interfaz la cantidad de agua y volumen máximos, se
muestra la masa de agua evaporada por kilogramo de aire, el volumen de aire de salida, el
volumen de entrada de aire y el volumen total de aire (Figura 13).
Fig. 13. Interfaz para calcular la masa evaporada.
Aplicación en la solución de problemas de humidificación adiabática: para fines de validación del
programa, se considera un sistema de acondicionamiento de aire que ha de mantener una nave
de 1000 m3 a 22 °C y humedad relativa del 62 %, renovando completamente el aire a razón de
dos veces por hora. El sistema consiste en un precalentador, una torre de humidificación
adiabática, de la que el aire sale prácticamente saturado y un recalentador final. Si el aire del que
se dispone está a 8 °C con humedad relativa del 95 %, calcular para una presión total de 750 mm
Hg, la cantidad de agua suministrada al aire por hora, el caudal de entrada de aire en la torre y la
cantidad de calor suministrada por hora, (Ocon y Tojo, 1980). Para iniciar el cálculo seleccionar
humidificadores adiabáticos e introducir los datos iniciales y finales del humidificador; después
oprimir el botón continuar, enseguida el programa calcula la humedad inicial y final, los resultados
numéricos se muestran en la interfaz gráfica (Figura 14). El cálculo de la presión de vapor del
líquido a la temperatura húmeda y presión dada para una temperatura de bulbo seco propuesta se
muestra en la Figura 15.
Fig. 14 Interfaz de humidificación adiabática.
Fig. 15. Interfaz cálculo presión de vaportemperatura húmeda.
La interfaz para calcular el calor específico, la humedad de saturación y el calor latente a la
temperatura de saturación a partir de los datos iniciales, se presenta en la Figura 16. El cálculo de
la temperatura del precalentador en la interfaz, se muestra en la Figura 17.
Fig. 16 Interfaz para cálculo del calor latente y
humedad de saturación
Fig. 17. Cálculo de Temperatura en el
precalentador.
El usuario ingresa el volumen de aire y las veces por horas que es renovado el aire, el programa
calcula el volumen específico de aire a las condiciones finales; posteriormente, se realizan los
cálculos de la masa del aire y del agua, así como el flujo de calor suministrado al humidificador
(Figura 18).
Fig. 18 Interfaz con los resultados del problema.
CONCLUSIONES
Mediante este trabajo se desarrolló un programa de cómputo en Visual Studio V6.0 con una
interfaz gráfica de usuario que permite realizar el cálculo y resolución de problemas de
humidificación y secado. El programa permite trazar los datos de humedad y temperatura en una
gráfica y realizar la construcción del diagrama psicrométrico, tiene la característica de visualizar
los resultados numéricos en forma tabular, si así se desea.
Esta interfaz constituye una herramienta de apoyo didáctico para el proceso de enseñanzaaprendizaje, aplicada en la resolución de problemas de humidificación y secado relacionados a la
experiencia educativa Operaciones de Transferencia de Masa III, en el modelo educativo MEIF,
de la carrera de Ingeniería Química de la Universidad Veracruzana.
AGRADECIMIENTOS
A PROMEP convocatoria 2011 y Proyecto 109491 FOMIX CONACYT- Veracruz.
REFERENCIAS
Beristaín L.Y., Interconexión de Módulos para el Cálculo de Columnas de Destilación con
Interfaces Graficas para un Laboratorio Virtual de Operaciones Unitarias. Tesis Profesional,
Universidad Veracruzana. F.C.Q. Orizaba, Ver. (2010).
Geankoplis C. J., Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación. 4ª Edición.
Compañía Editorial Continental. México. (2006).
Ocon G. J. y Tojo B. G., Problemas de Ingeniería Química Operaciones Básicas Tomo I, Ediciones
Aguilar, Madrid, España. (1980).
McCabe. W. L., Smitm J. C. y Harriott. P., Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 7º
Edición. McGraw-Hill Co., México. (2010).
Perry R. H., Manual del Ingeniero Químico. 7ª Edición, Volumen I, Volumen II. McGraw-Hill, Co..
México. (2010).
Treybal R. E., Operaciones de Transferencia de masa. 2ª Edición. McGraw-Hill Co., (1984).
Smith J. M. Van Ness H. C. y Abbott M. M. Introducción a la termodinámica en ingeniería química.
McGraw-Hill Co., México. (1980).
Zamario R. D. Tesis Licenciatura, construcción de cartas de humedad y determinación de
propiedades de mezclas de vapor de agua-agua aire. Universidad Veracruzana. (2013).
Manual de Visual Basic V6.0. Disponible en (15/09/2013): http://www.manualespdf.es/manualvisual-basic-6-0/