Informe Laboratori Psicrometría

INDICE

Objetivos…………………………………………….………….. 2

Equipo a emplear………………………………………….…… 2

Antecedentes…………………………………………….…….. 3

Instrumentación………………………………….……………. 3

Procedimiento……………….……………………….……...… 3

Hoja de datos………………………………………………….. 5

Hoja de instrumentación………….…………………………… 6

Cálculo………….……………………………………………… 7

Balance A-C……………………………………. 7

Balance C-D……………...…………….…...…. 11

Cálculo de caudales……………………..……. 13

Conclusiones………………………………….……………..… 14

Anexo…….………………………………….………………….. 15

Bibliografía………………………………….………………….. 16

CIENCIAS E INGENIERÍASección: Ingeniería Mecánica

Objetivos:

Estudiar el efecto de adición y sustracción d calor y humedad sobre una masa de aire húmedo en movimiento.

Investigar las propiedades psicrométricas del aire húmedo con ayuda de la carta psicométrica.

Equipo a emplear

La planta de psicrometría del laboratorio P.A. Hilton LTD. Compuesta de dos sitemas:

Sistema de tratamiento de aire.

Los siguientes elementos están instalados en el ducto cuadrado de 10’’ de lado:

o Ventilador tipo Sirocco en la sección A y control de velocidad por medio

de un transformador "Variac”. o Dos calentadores de aire (resistencia eléctrica) en la sección B de 1 kW

cada uno y dos en la sección E de ½ kW cada uno. o Sistema de inyección de vapor en la sección C y evaporador de agua

por medio de tres resistencias de inmersión: dos de 2 ½kW y una de 1kW.

o Evaporador del sistema de refrigeración en la sección D.

o Una placa orificio para la medición del caudal de aire con un manómetro

inclinado.

Informe Laboratorio N°2 Página 2


Sistema de tratamiento de aire. o A largo de un ducto cuadrado de 10” de lado, están instalados los

siguientes elementos: o Ventilador tipo Sirocco en la sección A y control de velocidad por medio de

un transformador "Variac”. o Dos calentadores de aire (resistencia eléctrica) en la sección B de 1 kW

cada uno y dos en la sección E de ½ kW cada uno. o Sistema de inyección de vapor en la sección C y evaporador de agua por

medio de tres resistencias de inmersión: dos de 2 ½kW y una de 1kW. o Evaporador del sistema de refrigeración en la sección D.

o Una placa orificio para la medición del caudal de aire con un manómetro

inclinado

Sistema de Refrigeración. o Con R-12 como portador de energía, consta de:

o Evaporador instalado en la zona D con tubo extractor de condensado.

o Unidad compresor – condensador.

o Válvula de expansión termostática.

o Control e instrumentación.

o Estos dos sistemas, se pueden observar en el esquema técnico de la figura

2. o Los controles se encuentran en dos paneles, en el panel de la izquierda se

ubican los interruptores de los tres calentadores de inmersión y los cuatro calentadores de aire, mientras que en el panel de la derecha se ubican los interruptores del ventilador y de la unidad compresor – condensador, así como el dial de control de velocidad del ventilador.

Instrumentación:

o (01) Termómetro de bulbo seco.

o (01) Termómetro de bulbo húmedo.

o (01) Manómetro inclinado.

o (01) Un rotámetro para refrigerante R-12.

o (01) Una termocupla de inmersión.

o (04) Pozos térmicos en el sistema de refrigeración.

o (04) Manómetros de Bourdon.

o (01) Probeta regulada.

o (01) Cronómetro.

o (01) Amperímetro de pinza con puntas de medición de voltaje.



Procedimiento: Pruebas a realizar:

o Condiciones ambientales

o Calentamiento sensible 1, en la sección B, por medio de resistencias

eléctricas.o Humidificación por calentamiento, en la sección C, por medio de la

adición de vapor. Este vapor es el resultado de un proceso de ebullición con resistencias eléctricas

o Deshumidificación por enfriamiento, en la sección D, gracias a la

absorción de calor en el evaporador del sistema de refrigeracióno Calentamiento sensible 2, en la sección E, por medio de dos

resistencias eléctricas ( 1/2kW cada una)

Antes del ensayo:o Asegurarse de que el tanque de agua se encuentre lleno

o Asegurarse de que el termómetro de bulbo húmedo tenga agua en su

recipienteo Cuida que todos los interruptores se hallen en posición de apagado

o Chequear la conexión a tierra del equipo.

o Conectar el equipo al suministro general de corriente.

Durante el ensayo:o Colocar ON la llave principal de corriente del equipo.

o Accionar el interruptor del ventilador

o Regular la velocidad de ventilador hasta obtener una variación en la

presión mayor ó igual a 1mmH2O en el manómetro indicado.o Tomar datos correspondientes a las condiciones ambientales. o Tomar la lectura de la caída de presión en la placa orificio durante todo

el ensayo (Tres tomas).

Sección A: o Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la

sección A (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 2 min). Sección B – Calentamiento Sensible: o Encender una (01) resistencia eléctrica de 1 kW en la sección B.

o Esperar 5 minutos a que estabilice el sistema y tomar datos de

temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la sección B (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 2 min).

o Medir voltaje y corriente en las borneras de las resistencias eléctricas.

Sección C – Humidificación por Calentamiento: o Encender todas las resistencias de inmersión y mantenerlas así hasta

que el agua hierva, luego apagar una de las resistencias de 1kW para evitar que el tanque colapse.



o Cuando se observe que el tanque está generando vapor, esperar 5

minutos a que estabilice el sistema y tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la sección C (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 2 min).

Sección D – Deshumidificación por Enfriamiento: o Encender el compresor y esperar a que se forme condensado de forma

continua. o Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la

sección C (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 2 min).

oo En simultáneo, registrar los valores de presión y temperatura en los

cuatro procesos del sistema de refrigeración. o Tomar el dato de flujo de refrigerante R-12 en el rotámetro.

o Con ayuda de la probeta regulada y cronómetro, medir el caudal de

condensado que se genera. o Medir la temperatura del condensado con una termocupla de inmersión.

Sección E – Calentamiento Sensible: o Encender dos (02) resistencias eléctricas de ½ kW en la sección E.

o Tomar datos de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la

sección A (Tres tomas en cada sección, con intervalos de 2 min). Para apagar el equipo

o Desconectar el compresor. Desconectar todas las resistencias de

inmersión. o Desconectar la resistencia eléctrica.

o Poner el regulador de velocidad en cero y desconectar el interruptor del

ventilador. o Poner en OFF la llave principal de corriente del equipo.

o Desconectar el equipo del suministro de energía eléctrica.

Precauciones durante el ensayo: o La ebullición del agua en el tanque evaporador, puede ocasionar un

colapso del mismo. o La formación continua de condensado en el sistema de refrigeración

puede demorar hasta 30 minutos.

Hoja de Datos tomados en Laboratorio:

-Condiciones Ambientales

Parámetro Unidades ValorTemperatura °C 26

Presión atm 1Humedad Relativa % 84



-Datos del sistema de tratamiento de aire

SecciónTemperatura de bulbo seco

(°C)Temperatura de bulbo

húmedo (°C)1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio

A 24.5 24.5 24.5 24.50 19.5 20 20 22.50B 38 39 39 38.67 25.5 25.5 25.5 33.02C 43 44 44 43.67 35.5 36 36.5 40.38D 38.5 38.5 39 38.67 35 35 35 37.10E 43.5 44 43.5 43.67 35.5 35 35.5 40.10

-Datos adicionales del sistema de tratamiento de aire

Parámetro UnidadesMediciones

Inicio Mitad FinalDiferencia de presiones en placa orificio

(Δh)

mmH2O 1 1.5 1.2

Corriente de consumo de

resistencias en tramo AB ( IAB)

A 4.14 4.43 4.44

Voltaje de consumo de las resistencias en tramo AB ( VAB)

V 224 227.7 227.8

-Datos del sistema de refrigeración

Sistema de refrigeración

Parámetro Unidad Mediciones Promedio

Presión 1A kgf/cm^2 4.4 4.5 4.5 4.47Presión 1B kgf/cm^2 4.3 4.3 4.3 4.30Presión 2 kgf/cm^2 13.5 14 14 13.83Presión 3 kgf/cm^2 13 13 13.5 13.17

Flujo másico refrigerante g/s 15.5 16 17 16.17



Temperatura 1 ºC 33.6 32.4 31.9 32.6Temperatura 2 ºC 63.9 67.7 69.2 66.9Temperatura 3 ºC 50.2 51.7 51.9 51.3Temperatura 4 ºC 17 18.4 18.5 18.0

Flujo del condensadoVolumen (ml) 100 168 130 132.67

Tiempo transc. (s) 300 480 360 380caudal (ml/s) 0.333 0.350 0.361 0.348

Temperatura condensado ºC 28.6 28.7 28.8 28.7

Hoja de Instrumentación:

Entorno de la medición

ParámetroInstrumento y

TipoRango Aproximación

Sistema de tratamiento de

aire

Temperatura de bulbo seco

Termómetro de mercurio

[-10:60] 0.5

Temperatura de bulbo húmedo

Termómetro de mercurio

[-10:60] 0.5

PresiónManómetro

inclinado[0:12] 0.1

Sistema de Refrigeración

TemperaturaTermómetro de

inmersión[-40:200] 0.1

Flujo másico del refrigerante

Rotómetro [5:25] 1

Presión Manómetro[0:8] 0.1

[0:35] 0.5

CondensadoVolumen

Probeta Graduada

[30:250] 2+0.8

Tiempo Cronómetro [0:11] 15Temperatura - - -

Cálculos y Gráficos:

Realizar el balance térmico en los calentadores de la planta de psicrometría (Tramo A-B).

Realizar el balance térmico en el evaporador de la planta de psicrometría (Tramo C-D). Representar los procesos en una carta psicométrica. Comparar el caudal de condensado medido con el evaluado con la ayuda de la carta

psicométrica.

Balance térmico A-C

Datos del sistema de tratamiento de aire:



SecciónTemperatura de bulbo

seco (°C)Temperatura de bulbo

húmedo (°C)1 2 3 Promedio 1 2 3 Pomedio

A 24.5 24.5 24.5 24.50 19.5 20 20 19.83B 38 39 39 38.67 25.5 25.5 25.5 25.50C 43 44 44 43.67 35.5 36 36.5 36.00D 38.5 38.5 39 38.67 35 35 35 35.00E 43.5 44 43.5 43.67 35.5 35 35.5 35.33

Datos adicionales del sistema de tratamiento de aire:

Parámetro Unidades Mediciones1 2 3 Prom

Diferencia de presiones en placa

orificio (∆ h) mmH2O 1 1.5 2 1.50

Corriente de consumo de resistencias en tramo A-B (I A−B) A 4.14 4.43 4.44 4.34

Votaje de consumo de resistencias en tramo

A-B (V A−B) V 224 227.7 227.8 226.50

Resultados de entalpía y otras propiedades en cada estado (con carata psicrométrica):

DATOS OBTENIDOS DE LA CARTA PSICROMÉTRICA

ESTADO TBS ( °C) TBH (°C) Φ ( kgv/kgs) v(m3/kgas) h(kJ/kgas ) w(kgs/kgas)

A 24.5 19.83 64% 0.86 57.25 0.0124B 38.67 25.5 33% 0.905 78 0.0151C 43.67 36 60% 0.947 135 0.0354D 38.67 35 79% 0.932 129 0.0350E 43.67 35.33 58% 0.945 131 0.0336

Nota: los puntos de la carta psicométrica para cada tramo son representados gráficamente aun cuando estos no se encuentren dentro del rango graficado, sin embargo, para estos puntos se utiliza una "carta psicrometrica virtual” para obtener valores más aproximados de entalpias

Fuente: http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm

Cálculo teórico de la entalpía (de verificación únicamente):

Se tiene que la entalpía específica (h):

h=1,0035 t1+(1,8723t 1+2500)ω1

donde t1 es la temperatura de bulbo seco en °C.

Asimismo,



ω1=ω2 (hfg 2 )−C pas

(TBS−TBH )hg1−hf 2

Donde ω2=0,622∅ ps

p−∅ ps

Entonces para el estado A se tiene que:

ω2=0,6221(2,3147)

101,325−1(2,3147)=0,01454 kgv /kgas

ω1=0,01454 (2537,81−83,23 )−1,0035(24,5−19,83)

(2546,35 )−(83,25)=0,01259kgv /kgas

h1=1,0035t 1+(1,8723 t1+2500 )ω1=1,0035 (24,5 )+(1,8723×24,5+2500 ) (0,01259 )

h1=56,64kJ /kgas

Observación: con ello se verifica que los cálculos obtenidos con la carta psicométrica guardan un buen grado de exactitud respecto del valor calculado teóricamente.

Flujo másico de aire seco

Hallamos el flujo de volumen de aire a través de los ductos con la ecuación presentada en la guía del laboratorio:

Obtenemos los valores de las expresiones para la ecuación de las las tablas termodinámicas y la carta psicrométrica según los datos tomados para el tramo C-D:

ρw=997.009kg /m3

g=9.81m/ s2

Δh=1.5mmH 2O

vE=0.945 m3

kg−aire seco


V ah=6.033∗10−2m

3

s


X E=0.0336kgv /kgas

Hallamos ahora la presión del aire seco:

Se tiene que para el estado E Φ = 58%, entonces:

pas=p0−∅ (ps)

pas=101.325−0.58 (8,9492 )=96,134kPa

Aplicando ecuación de estado para gases ideales se obtiene el flujo másico de aire seco:

mas=pas V as

RT=96,134 (0,06033)0,287(316,82)

=0,06378kgas /s

1 era ley en proceso A-B:

Se tiene por un lado la potencia eléctrica de las resistas (PE) y el flujo de calor al aire (Q):

PE=2VI=2(226,5V ×4,34 A )=1,966kW

Q=mas (hB−hA )=0,06378 (78−57,25 )=1,323kW

Por ende, con estos valores podemos calcular la eficiencia del calentamiento sensible:

ηA−B=1,3231,966

=67,3%

1 era ley en proceso A-C:

Q=mas (hC−hB )=0,06378 (135−78 )=3,635kW

Por otro lado, se tiene la potencia de las resistencias eléctricas que calientan el agua que se evapora para producir el proceso de humidificación por calentamiento:

PE=6 kW (valor nominal)

Por ende, con estos valores podemos calcular la eficiencia del proceso de humidificación por calentamiento:

ηA−B=3,6356

=60,6%



Balance térmico C-D

Datos del sistema de refrigeración:

Sistema de refrigeraciónParámetro unidad Mediciones PromedioPresión 1A kgf/cm^2 4.4 4.5 4.5 4.47Presión 1B kgf/cm^2 4.3 4.3 4.3 4.30Presión 2 kgf/cm^2 13.5 14 14 13.83Presión 3 kgf/cm^2 13 13 13.5 13.17

Flujo másico refrigerante g/s 15.5 16 17 16.17Temperatura 1 ºC 33.6 32.4 31.9 32.6Temperatura 2 ºC 63.9 67.7 69.2 66.9Temperatura 3 ºC 50.2 51.7 51.9 51.3Temperatura 4 ºC 17 18.4 18.5 18.0

Flujo del condensadovol (ml) 100 168 130 132.67

Tiempo transc. (s) 300 480 360 380caudal (ml/s) 0.333 0.350 0.361 0.348

Temperatura condensado ºC 28.6 28.7 28.8 28.7



Para pasar de presión en kgf/cm^2 a Mpa se usa la siguiente conversión:

MPa= kgfcm2

×( 100cm1m

)2

×9,81Nkg

×1MPa

1000000 Pa

Asimismo, las presiones registradas en el laboratorio son manométricas por lo que la presión absoluta es la siguiente:

pa=p0+ pm

Por ejemplo, para la presión 1A:

pa=0,101+4,47×1002×9,811000000

=0,53MPa

Así se procede con las demás presiones y se obtienen los siguientes valores (para las entalpías se hace uso de la tabla P-h del R-12):

Datos del refrigerante (obtenidos del diagrama P-h del R-12)

ESTADO T (°C) P(MPa) h(kJ/kg)1A 32,6 0,53 2031B 32,6 0,52 2042 66.9 1,46 2163 51.3 1,39 664 18 0,53 194

Esquema técnico del proceso C-D (Deshumidificación por enfriamiento)

De los datos tomados en laboratorio obtenemos el flujo másico del refrigerante, del condensado y del aire en C y D.

ma1=˙ma2=¿ mas=6,378∗10

−2kgas /s ¿

m3=m4=mref=16.17∗10−3 kg /s



m5=0.384

mls

∗1 l

1000ml∗1m3

1000l∗1kg

0.001004m3 =3.466∗10−4 kg /s

Obtenemos las entalpias de los puntos 1 al 5 para poder aplicar primera ley.

T (ºC) P h (kJ/kg) Obtenido de:1 - - 135 Carta psicrométrica

(kJ/kg-aire seco)2 - - 1293 18

0,52 MPa194

Tablas R124 32.6 203

5 LS 28.7 - 120.36 Tablas H2O

1ra LEY para FEES (no ingresa trabajo):

Q=∑ ms×hs−∑ mi×hi+W

Q=( ma2×ha2+mv 2×hv 2+m4×h4+m5×h5 )−(ma1×ha1+mv 1×hv 1+m3×h3)

Por definición mv 1=w1∗ma1 , además se considera hv≈hg (T )

Q=( ma2×(ha2+w2 ¿hg2)+m4×h4+m5×h5 )−¿

Obtenemos de tablas H2O los valores de hg1=2580.8 kJ/kg y hg2=2571.9

Q=(6,378×10−2× (129+0.03495×2571.9 )+16.17×10−3×203+3,466×10−4×120,36 )−(6,378×10−2× (135+0.03538×2580.8 )+16.17×10−3×194)

Q=−286.1W (Calor que sale del sistema)

Cálculo del caudal con ayuda de la carta psicrométrica

De la carta psicrométrica se conoce para el tramo C-D:

ωC=0.0354 kgv / kgasωD=0.0350kgv /kgas

mas=0.06378 kgas /s

Con T=28,7℃→v=0,0010039m3

kg

Qcond=mcond (v )=mas (ωC−ωD ) ( v )=0,06378 (0,0354−0,0350 ) (0,0010039 )=2,6507× 10−8m3

s=0,0265ml /s



Observación: Se observa que el caudal calculado mediante el uso de la carta psicrométrica es considerablemente menor que el caudal real (aprox. 10 veces menor).

Conclusiones:

Al encender las resistencias de inmersión y luego los calentadores de aire, la presión diferencial se observa que aumento de 3,6 a 3,9 mmH2O y luego a 4,1. Ello se debe a que la presión del vapor en el aire húmedo aumentó y, por ende, también lo hizo la presión total del aire húmedo, puesto que la presión del aire seco es constante en todo el proceso. (Carlos Eyzaguirre 20132174).

Es conveniente fijar correctamente los límites de un sistema y establecer las condiciones particulares bajo las cuales se va a analizar un proceso. Por ejemplo, se podría haber supuesto que el intercambio de calor entre el proceso C y D se da sin que haya calor suministrado al sistema y, por ende, considerarlo adiabático; no obstante, los cálculos demuestran que no todo el calor que cede el refrigerante R-12 es absorbido por el aire, puesto que se calcula un flujo de calor de 1,5 kW hacia el sistema en este proceso. Ello se debe en parte a que el aire es un mal conductor del calor, por lo que no es capaz de absorber todo el calor perdido por el R-12. (Carlos Eyzaguirre 20132174).

Al calcular el caudal de condensado se observa que este es menor que el caudal medido en laboratorio (aproximadamente 10 veces menor), esta significativa diferencia entre lo medido y lo calculado puede ocurrir debido a diversos factores entre ellos: problemas con el aislamiento térmico del ducto, errores en la toma de temperaturas (lo cual repercute en el cálculo de la masa de aire seco). (Giovani Berrospi Aquino 20105521)

Los procesos realizados durante el experimento representados en la carta psicrométrica salen parecidos a la trayectoria que en sí debe seguir según las bases teóricas sin embargo se puede notar ciertas diferencias como que en el proceso A-B al ser calentamiento sensible ,la trayectoria sale inclinado, en vez de salir una línea horizontal ,existiendo un pequeñísimo aumento de humedad absoluta, a comparación del que si debería estar así como es el caso del tramo B-C , así que se puede considerar que para este caso lo teórico con lo experimental si sería igual, sin embargo para el tramo C-D (deshumidificación por enfriamiento ) no llega a enfriarse tanto para llegar al 100% de humedad relativa, y esto se debería a que el procesos no está tan bien aislado completamente, haciendo que el enfriamiento por el refrigerante no sea el único influyente. ( Jorge Díaz Izarra 20121334)



En la experiencia tenemos que el caudal que se condensa del vapor de agua tiene un incremento respecto al tiempo mientras tomábamos la medida en el probeta regulada, de este proceso psicrométrico podemos concluir que en la deshumidificación por enfriamiento real que observamos en el laboratorio no tiene coincidencia con los gráficos de la carta psicrométrica, uno de los motivos por los que no tiene relación al llegar a la temperatura de saturación es que la carta psicrométrica con la que trabajamos es para una presión definida y en nuestro caso no podemos asegurar lo mismo. ( Sergio Jordán Villena 20110861)



Bibliografía:

Michael J. Moran, Howard N. Shapiro Daise D. Boether2011 Fundamentos de Termodinámica 7ma ed.

Jaime Postigo, Juan Cruz1991 Termodinámica Aplicada 2da ed.

Burghardt, M. David1984 Ingeniería termodinámica 2da ed.

Guía de laboratorio de Termodinámica - Psicrometría


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