UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERA Departamento de Ingeniera Mecnica

SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

___________________________________________Balance de Masa y Energa ________________________________________ EXPERIENCIA N ___C212___Grupo N___L1___Fecha de la Exp______19/06/2014_____ Fecha de Entrega ___03/07/2014___

NOMBRE ASIGNATURA___________Laboratorio General I_________________________CODIGO__15028___ CARRERA__________Ingeniera Civil Mecnica________________Modalidad (Diurna o Vespertina)_______Diurno __________

NOMBRE DEL ALUMNO_______Ceballos_____________ Olivares______________ Juan Pablo__________________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepcin

Nota de Interrogacin ________________ Nombre del Profesor ___________Sr. Manuel Pedraza G._________

Nota de Participacin ________________

Nota de Informe ____________________ _________________________________

Nota Final ________________________________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentacin ________ Clculos, resultados, grficos

________ Caractersticas Tcnicas ________ Discusin, conclusiones

________ Descripcin del Mtodo seguido _______ Apndice

OBSERVACIONES

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA Departamento de Ingeniera Mecnica Ingeniera Civil en Mecnica

Balance de Masa y Energa

Experiencia C212

Juan Pablo Ceballos Olivares Sr. Manuel Pedraza G. Laboratorio General I

Diurno 03-07-2014

1

1 Tabla de contenido FACULTAD DE INGENIERA...................................................................................................................................... 2

Departamento de Ingeniera Mecnica ................................................................................................................... 2

2 Resumen del contenido ................................................................................................................................................. 2

3 Objetivos del trabajo ...................................................................................................................................................... 3

3.1 Objetivos especficos ............................................................................................................................................. 3

4 Caractersticas de los equipos e instrumentos utilizados .............................................................................................. 3

5 Descripcin del mtodo seguido en la experiencia ........................................................................................................ 7

6 Mediciones realizadas durante la experiencia. .............................................................................................................. 8

6.1 Velocidad de salida del aire.................................................................................................................................... 8

6.2 Mediciones obtenidas enfriamiento evaporativo. .................................................................................................... 8

6.3 Mediciones obtenidas calentamiento ms humectacin......................................................................................... 9

7 Presentacin de resultados. .......................................................................................................................................... 9

7.1 Enfriamiento evaporativo. ....................................................................................................................................... 9

7.2 Calentamiento con humectacin. ......................................................................................................................... 13

7.2.1 Por carta psicromtrica................................................................................................................................. 13

7.2.2 Anlisis analtico. .......................................................................................................................................... 15

Vapor Flash .......................................................................................................................................................... 20

Rendimiento (calentamiento con humectacin) .................................................................................................... 22

8 Anlisis de resultados y conclusiones. ........................................................................................................................ 24

9 Anexo .......................................................................................................................................................................... 26

9.1 Teora del experimento ........................................................................................................................................ 26

9.2 Tabla calores especficos de gas ideal de algunos gases comunes .................................................................... 27

10 Bibliografa ................................................................................................................................................................... 27

10.1 Referencias .......................................................................................................................................................... 27

2

2 Resumen del contenido En este informe se tratan los temas abordados en la experiencia C212, la cual consisti en realizar y comprender un

balance de materia y energa a un equipo de aire acondicionado monozona. La experiencia se divide en dos partes,

primero se realiza un proceso de enfriamiento evaporativo, y posteriormente un proceso de calentamiento con

humectacin.

El calentamiento con humectacin se analiza mediante dos mtodos, el analtico y el grfico. En el mtodo grfico se

presenta el proceso desarrollado en la carta psicomtrica.

En la experiencia, cada integrante del curso contribuy con el fin de lograr encontrar los datos necesarios para probar los

balances anteriormente citados.

Se presentan los mtodos clsicos para el clculo de los estados termodinmicos de cada proceso fsico estudiado,

adems de incorporar los grficos y tablas utilizadas en termodinmica.

Finalmente se logr analizar todos los procesos involucrados en la experiencia, obteniendo distintos resultados de los

cuales se plantearon conclusiones y comentarios personales a modo de complementar el estudio.

3

3 Objetivos del trabajo Familiarizar al alumno con la operacin de un equipo de aire acondicionado monozona e interiorizarse de los procesos psicomtricos y sus representaciones grficas.

3.1 Objetivos especficos

Anlisis y evaluacin de proceso psicomtrico de enfriamiento evaporativo.

Reproducir el tratamiento normal del aire en operacin invierno, calentamiento ms humectacin y realizar las mediciones necesarias que permitan identificar, representar y evaluar los procesos psicomtricos involucrados.

Realizar balance trmico de la unidad trabajando con tratamiento de aire en invierno.

4 Caractersticas de los equipos e instrumentos utilizados

4.1 Anemmetro Se utiliz 1 anemmetro para medir la velocidad de salida del aire en el equipo de aire acondicionado monozona.

Escala: m/s

Rango: 0-50 C

Figura 1: anemmetro empleado en experiencia.

4.2 Sonda de inmersin Instrumento que se conecta a un termmetro digital para registrar la temperatura de un fluido.

Rango: - 40 a 1090 C.

80PK-22 Sonda de inmersin.

4

Figura 2: sonda tipo K.

4.3 Cronometro digital

Marca CASIO.

Temporizador.

Water Resist.

4.4 Termmetro digital Este tipo de termmetro se utiliz para medir temperatura en los diferentes puntos para el enfriamiento evaporativo, para

lo cual se combina con sondas de inmersin.

Marca: Fluke

Modelo: 52 serie II

Rango de temperatura:

K: -200C a 1372 C

Resolucin 0,1C, 0,1 K

5

4.5 Higrmetro Se usaron 2 higrmetros para registrar la humedad relativa en la entrada y salida del equipo de aire acondicionado.

Rango: 0 100% Resolucin: 0.1%

Figura 4: higrmetro

4.6 Equipo de acondicionamiento de aire El equipo de acondicionamiento de aire consta de un motor en su zona frontal, conectado a un ventilador, el cual extrae el

aire, hacindolo fluir dentro del equipo. Posee una vlvula isoentlpica antes del evaporador como todo ciclo refrigerante.

El evaporador el cual es utilizado para enfriar el aire en verano, y tambin tiene la ventaja de inyectar vapor para

acondicionamiento de invierno.

Figura 4: equipo de aire acondicionado.

Condensador

Marca Westinghouse, modelo SB 010, W con motor de 7 HP, 3/380/50, para R-22 y consta de:

a) Compresor semi-hermtico, modelo CB101A, 4 cilindros, 1460 rpm para 10 tons. De refrigeracin nominales (para 50F

y 105F temperatura de succin y condensacin respectivamente). Dimetro pistn: 2 1/8, carrera: 1 5/8, carga aceite: 5

pintas = 2,365 lts. 1 pinta = 0,473 lts.

6

b) Condensador, enfriado por agua, modelo KBO12W, tipo tubo y coraza de 24,95 pie2 de superficie de transferencia de

calor. N Tubos de cobre 30, dimetro nominal tipo L; largo de los tubos 1,55 mt, relacin de paso 1:2. Capacidad de

almacenamiento de R-22: 34 lbm. Volumen agua: 2,1 galones.

c) Panel de control que consta, entre otras de:

- Presostato alta: Presin interrupcin 260 psig

Presin reposicin 220 psig

- Presostato baja: Presin interrupcin 20 psig

Presin reposicin 21 psig

4.7 Balanza Snowrex Balanza solo peso, plataforma de acero inoxidable, suma de productos pesados, visor de cristal lquido (LCD), dgitos de

2.5 x 1.5 cm con Back-Light, Luz de contraste, (Stan By), operacin con batera interna 100 horas (Auto recarga) o 220

Volt (Adaptador).

Figura 5: balanza Snowrex serie RV.

4.8 Calormetro de mezcla Tarro de Bronce fabricado en la universidad donde es depositada la masa de condensado durante el

calentamiento ms humectacin. La tapa posee tres orificios que son sellados durante el depsito del condensado.

7

Figura 6: calormetro de mezcla

5 Descripcin del mtodo seguido en la experiencia La experiencia se inicia con una breve introduccin terica sobre el contenido a tratar, correspondientes al enfriamiento evaporativo y calentamiento con humectacin, adems se indicaron las condiciones de confort para las personas. Una vez terminada la introduccin terica, se hizo el reconocimiento del equipo empleado para reproducir los procesos antes mencionados, para ello se describieron las partes y el rol que cumplan los diferentes dispositivos en el tratamiento del aire, as mismo se iba indicando las variables que se deban registrar para lograr obtener el anlisis pedido en la gua de trabajo, y de este modo desarrollar con xito la experiencia. Al mismo tiempo se hizo una lista con los instrumentos a utilizar, los cuales fueron pedidos en el paol. Posteriormente se encendi la unidad manejadora de aire, y cuando la temperatura de bulbo seco (indicada por el termmetro) a la salida de la unidad se estabiliz, se procedi a realizar distintas mediciones para el enfriamiento evaporativo, las cuales se indican a continuacin:

Se procedi a tomar registro de la temperatura a la entrada de la unidad, para ello se utiliz un termmetro digital

y una termocupla de inmersin.

Con un higrmetro se registra la humedad relativa a la entrada y salida del equipo.

Se mide la temperatura a la salida de la unidad, esto hizo mediante un termmetro y una termocupla tipo K, como

se mencion anteriormente, cuando esta temperatura se estabiliz se procedi a registrar las otras variables.

Mediante un anemmetro se tom registro de la velocidad a la salida de la unidad. El mtodo para obtener un

perfil de velocidades y poder calcular la velocidad promedio consisti en realizar mediciones en la salida de la

unidad de un extremo a otro.

Se midi la presin atmosfrica, para ello se utiliz el barmetro disponible en la sala de laboratorio.

Posteriormente se registr la temperatura del agua de alimentacin, para ello se hizo correr el agua en una llave

que se encuentra en el laboratorio, y mediante el termmetro se midi la temperatura, cuando sta se estabilizo,

se procedi a registrarla.

Una vez que se termin de registrar las mediciones, se anotaron en la pizarra y se contina con la segunda parte de la experiencia. Se procede prcticamente igual que para el enfriamiento evaporativo, slo que adems registramos la masa de condensado para el clculo del vapor flash.

8

6 Mediciones realizadas durante la experiencia.

6.1 Velocidad de salida del aire. La velocidad promedio se obtiene considerando el perfil de velocidades u(r) con sus respectivos valores de frontera. Como debe considerarse la condicin de no deslizamiento en los bordes (u=0 en R=r), entonces la velocidad promedio se calcula como:

n: nmero de mediciones.

Figura 7: perfil de velocidad sobre una seccin transversal donde el flujo est totalmente desarrollado.

Enfriamiento evaporativo.

medicin 1 2 3 4 5 6 7

velocidad 12,4 12,8 12,9 16 14,6 14,6 14 10,811111

Calentamiento ms humectacin.

medicin 1 2 3 4 5 6 7

velocidad 12,2 12,6 12,8 15,8 14,4 14,9 14,8 10,833333

6.2 Mediciones obtenidas enfriamiento evaporativo.

Figura 8: Esquema de un sistema de enfriamiento evaporativo

Los datos obtenidos para la experiencia de enfriamiento evaporativo son presentados en la tabla 1.

enfriamiento evaporativo

TBS1 [C] TBS2[C]

17,4 89,5 14,9 98 8,8 10,81 Tabla 1: mediciones realizadas para enfriamiento evaporativo.

9

Con: TBS1: temperatura de bulbo seco a la entrada de la unidad de aire acondicionado.

Humedad relativa del aire a la entrada de la unidad de aire acondicionado. TBS2: temperatura de bulbo seco a la salida de la unidad de aire acondicionado.

Humedad relativa del aire a la salida de la unidad de aire acondicionado. Temperatura del agua de alimentacin. Velocidad promedio a la salida de la unidad de aire acondicionado.

6.3 Mediciones obtenidas calentamiento ms humectacin.

Figura 9: Esquema de sistema capaz de hacer proceso de calentamiento y humidificacin

Los datos obtenidos para la experiencia de calentamiento ms humectacin son presentados en la tabla 2.

calentamiento ms humectacin TBS1[C] TBS2[C]

21,5 93 39 54 8,8 10,83 6,458 4,19 98,3

Tabla 2: mediciones realizadas para calentamiento ms humectacin.

Donde:

Masa de condensado. Temperatura del condensado. Tiempo que demora proceso de calentamiento ms humectacin.

7 Presentacin de resultados.

7.1 Enfriamiento evaporativo. El anlisis y evaluacin para esta parte se realiza mediante la carta psicromtrica. Basado en un promedio de velocidades y los datos de las tabla 1, entonces a travs de la carta se obtienen los siguientes parmetros:

entrada

TPR1[C]

46 15,5 0,0112 0,837 Tabla3: parmetros de entrada obtenidos de carta para enfriamiento evaporativo.

10

Con: H1: Entalpia total a la entrada de la unidad de aire acondicionado monozona. Humedad absoluta a la entrada de la unidad. Volumen especfico a la entrada de la unidad.

Figura 10: parmetros de la entrada representados en la carta.

Por otra parte, en el caso de la salida, las dimensiones de esta son 20*40 cm. Por lo que el rea de salida corresponde a:

salida

TPR2[C]

40 14,4 0,0102 0,829 0,08 Tabla4: parmetros de salida obtenidos de carta para enfriamiento evaporativo.

Con: H2: Entalpia total a la entrada de la unidad de aire acondicionado monozona. Humedad absoluta a la entrada de la unidad. Volumen especfico a la entrada de la unidad. rea segn las dimensiones geomtricas a la salida de la unidad de aire acondicionado monozona.

Figura 11: parmetros de salida representados en la carta.

11

Entonces el grfico que representa el proceso de enfriamiento evaporativo en la carta se presenta a continuacin.

Figura 12: representacin del proceso evaporativo en la carta psicromtrica.

Con los resultados expuestos en la tabla 4 podemos calcular el caudal y el flujo msico

[

] [

] (1)

Ahora con (1) determinamos la masa de aire seco a la salida de la unidad.

[

] (2)

As, las ecuaciones de continuidad y energa son las siguientes: Continuidad Flujo estacionario, por ende el flujo msico del aire seco permanece constante durante todo el proceso.

(3)

(4)

Si

entonces

12

Considerando la ecuacin (3), entonces el flujo msico del lquido ser:

[ ]

Balance energtico Si no se realiza trabajo y no hay variaciones apreciables de energa cintica y potencial, el balance estacionario para el volumen de control ser:

(5)

Luego desarrollando la ecuacin (5) con los parmetros determinados anteriormente, se tiene lo siguiente:

(6) Para poder calcular Q primero se debe determinar la entalpia del agua. Esta es liquido saturado (ttulo cero) para una temperatura dada, que en este caso ser el promedio de las temperaturas de roco a la entrada y salida del equipo de aire acondicionado. Para determinar la entalpia se recurrir a las tablas termodinmicas.

Por lo tanto ingresando a las tablas para

El valor no se encuentra exacto por lo que se debe interpolar, como se muestra en la tabla 5.

T[C]

285 48,8

288,1 61,758

290 69,7

Tabla 5: interpolacin para hf.

Luego la entalpia especfica del agua es

Por lo tanto reemplazando los valores en la ecuacin (6).

(

)

13

7.2 Calentamiento con humectacin. Para este proceso se deben obtener los resultados mediante la carta psicromtrica y anlisis analtico.

7.2.1 Por carta psicromtrica. Los parmetros se obtienen de forma similar al enfriamiento evaporativo, por lo que las ecuaciones no sern desarrolladas con detalle. Basado en un promedio de velocidades y los datos de las tabla 2, entonces a travs de la carta se obtienen los siguientes parmetros:

entrada

TPR1[C]

60 20,6 0,0149 0,854 Tabla6: parmetros de entrada obtenidos de carta para calentamiento ms humectacin.

Figura 13: parmetros de la entrada representados en la carta.

salida

TPR2[C]

101,9 27,9 0,024 0,922 0,08 Tabla7: parmetros de salida obtenidos de carta para calentamiento ms humectacin.

Figura 14: parmetros de salida representados en la carta.

14

Por lo que la figura que representa el proceso de calentamiento con humectacin en la carta se presenta a continuacin.

Figura 15: representacin del proceso de calentamiento ms humectacin en la carta psicromtrica.

Con los resultados expuestos en la tabla 7 se calcula el caudal y el flujo msico

[

] [

] (7)

Ahora con (7) determinamos la masa de aire seco a la salida de la unidad.

[

] (8)

Luego, las ecuaciones de continuidad y energa son las siguientes: Continuidad Flujo estacionario, por ende el flujo msico del aire seco permanece constante durante todo el proceso.

(9)

(10)

Desarrollando la ecuacin (10), tendremos:

[ ]

15

Por lo tanto

Balance energtico Si no se realiza trabajo y variaciones de energa cintica y potencial despreciables, el balance estacionario para el volumen de control ser:

(11)

Luego desarrollando la ecuacin (11) con los parmetros determinados anteriormente, se tiene lo siguiente:

(12) Se debe determinar la entalpia del agua. Esta es liquido saturado (ttulo cero) para una temperatura dada, que en este caso ser el promedio de las temperaturas de roco a la entrada y salida del equipo de aire acondicionado.

Por lo tanto ingresando a las tablas para

El valor no se encuentra exacto en tablas termodinmicas utilizadas por lo que se debe interpolar, como se muestra en la tabla 8.

T[K]

290 90,7

294,65 100,78

300 111,7

Tabla 8: interpolacin para hf.

Luego la entalpia especfica del agua es

Por lo tanto reemplazando los valores en la ecuacin (12).

[ ] (

)

7.2.2 Anlisis analtico. Para poder calcular el Q analticamente, debemos determinar una serie de parmetros a travs de las ecuaciones matemticas que los definen en la teora de mezcla de aire-vapor. Primero se determinan los parmetros a la entrada en base a los resultados presentados en tabla 2.

Entrada La humedad relativa se calculaba como:

Pero recordando que el vapor de agua (incluso cuando es vapor saturado) y el aire seco pueden tratarse como un gas ideal (con un error menor al 0,2%), entonces obedecen a la relacin:

16

Luego la expresin de la humedad relativa se modifica a:

(13)

Donde: : Presin parcial del vapor de agua a la entrada del equipo de acondicionamiento de aire.

: Presin de saturacin del agua a una temperatura dada a la entrada (TBS1) del equipo de acondicionamiento de aire. La Presin de saturacin de la ecuacin (13) se obtiene interpolando de las tablas termodinmicas.

T[K] 290 0,001919

294,65 0,002571

295 0,002620 Tabla9: interpolacin para obtener presin de saturacin del agua a la entrada.

Luego de la ecuacin (13) obtenemos

Por otra parte la humedad absoluta puede determinarse a travs de la ecuacin (14) para una presin atmosfrica registrada de 0,096 [MPa]

Si

(14)

Otro parmetro a calcular es la entalpia total (H) a la entrada.

/

(15)

La entalpia especfica del aire seco ser:

El aire seco se trata como gas ideal. Esto implica que (tabla A9.2.1 anexo) Con : calor especfico del aire Luego

17

Para el caso de la entalpia especfica del vapor de agua, se debe interpolar de las tablas termodinmicas para vapor saturado.

T[K]

290 2531,9

294,65 2540,363

295 2541 Tabla10: interpolacin para obtener entalpia de vapor de agua a la entrada.

Luego reemplazando los ltimos resultados en la ecuacin (15):

Salida Para la salida se procede de la misma forma que para la entrada, por lo que algunas ecuaciones no sern desarrolladas completamente.

(16)

Donde: : Presin parcial del vapor de agua a la salida del equipo de acondicionamiento de aire.

: Presin de saturacin del agua a una temperatura dada a la salida (TBS2) del equipo de acondicionamiento de aire. La Presin de saturacin de la ecuacin (16) se obtiene interpolando de las tablas termodinmicas.

T[K] 310 0,006230

312,15 0,007187

315 0,008143 Tabla11: interpolacin para obtener presin de saturacin del agua a la salida.

Luego obtenemos

Por otra parte la humedad absoluta puede determinarse a travs de la ecuacin (17) para una presin atmosfrica registrada de 0,096 [MPa]

(17)

18

La entalpia total (H) a la salida se calcula por la expresin (15). La entalpia especfica del aire seco ser:

Para el caso de la entalpia especfica del vapor de agua, se debe interpolar de las tablas termodinmicas para vapor saturado.

T[K]

310 2568,2

312,15 2572,65

315 2577,1 Tabla12: interpolacin para obtener entalpia de vapor de agua a la salida.

Luego reemplazando los ltimos resultados en la ecuacin (15):

Como se haba sealado anteriormente

Luego Adems como el aire seco tiene comportamiento de gas ideal, entonces obedece a la relacin:

(18) Con: : Presin parcial del aire seco. : Volumen especfico del aire seco. : Temperatura de bulbo seco a la salida de la unidad. : Constante del aire (de tabla A9.2.1 anexo).

Si

Entonces

[

]

19

Por lo tanto el flujo calrico generado (analtico) se calcula de la forma:

Si

La entalpia del agua ser el promedio de las temperaturas de roco a la entrada y salida del equipo de aire acondicionado. Si la temperatura de roco es la temperatura de saturacin del agua correspondiente a la presin de vapor. La temperatura de roco se presenta en la tabla 13, tanto para la entrada como para la salida.

entrada salida

P [MPa] P [MPa] 0,002 290,65 0,003 297,23

0,002391 293,4496 0,003881 301,5381

0,0025 294,23 0,004 302,12 Tabla 13: interpolacin para obtener temperatura de saturacin del agua a la entrada y salida.

Por lo tanto

Con este ltimo valor se calcula la entalpia del agua.

T[K]

295 90,7

297,4939 101,1744

300 111,7 Tabla 14: interpolacin para obtener entalpia especifica del agua.

Por ltimo reemplazamos los valores calculados en la ecuacin (19).

20

Vapor Flash Cuando se realiza el proceso de calentamiento con humectacin se acumula la masa de condensado en el calormetro de mezcla. El fin de esto es para poder calcular el vapor flash. Los datos obtenidos para este caso se presentan en la tabla 15.

Datos vapor flash

[MPa]

6,458 4,19 98,3 0,096 0,96 Tabla 15: datos tiles para clculo de vapor flash.

Donde:

Masa de condensado para el tiempo dado. Temperatura del condensado. Tiempo que demora proceso de calentamiento ms humectacin. La masa del condensado se obtuvo de la forma:

As

La masa del vapor flash se determina por la ecuacin (20)

Donde el porcentaje de vapor flash se calcula como:

Con : Entalpia especifica agua saturada en entrada.

: Entalpia especifica agua saturada en salida.

: Entalpia especifica de evaporizacin a la salida. Para obtener las entalpias debemos usar las presiones presentadas en la tabla 15.

Luego a travs de las tablas termodinmicas e interpolando.

0,080 392,3

0,096 412,86

0,10 418,0 Tabla 16: interpolacin para obtener Entalpia especifica agua saturada a la salida.

21

0,080 2273,0

0,096 2260,2

0,10 2257,0 Tabla 17: interpolacin para obtener Entalpia especfica de evaporizacin a la salida.

1,00 762,5

1,056 772,58

1,20 798,5 Tabla 18: interpolacin para obtener Entalpia especifica agua saturada a la entrada.

Reemplazando en ecuacin (21):

Por otra parte el flujo msico del condensado para la unidad de tiempo ser:

Por lo tanto reemplazando en ecuacin (20) tendremos:

22

Rendimiento (calentamiento con humectacin) El rendimiento del sistema se determina a travs de la expresin (21).

Lo calculamos por carta y de forma analtica

: Calor que rechaza el serpentn del equipo.

Si

Luego interpolando en las tablas de vapor saturado.

370 406,3

371,45 412,39

375 427,3 Tabla 19: interpolacin para obtener Entalpia especfica.

Para h3 podemos usar la relacin:

Con : Ttulo del vapor.(para esta experiencia fue de 0,98) Por otra parte, si

Entonces para determinar interpolamos las tablas termodinmicas de vapor saturado.

P [MPa]

1,00 762,5 2015,1

1,056 772,58 2006,924

1,20 798,5 1985,9 Tabla 20: interpolacin para obtener Entalpia especfica.

Luego de ecuacin (22)

23

Por otra parte el flujo msico del condensado para la unidad de tiempo ser:

Por lo que

Por lo tanto a modo de comparacin se calcula el rendimiento con el obtenido de la carta y analticamente.

24

8 Anlisis de resultados y conclusiones. En la experiencia C1212, Balance de Masa y Energa, se realizaron una serie de mediciones para obtener los parmetros requeridos para desarrollar las preguntas solicitadas en la gua. Gracias a la precisin de los instrumentos, las mediciones resultaron ser muy buenas, a excepcin de la velocidad del aire a la salida del equipo de aire acondicionado, que fue menos exacta. Esto dado que para determinarla se hizo una serie de mediciones en la cuales se apreciaba que el flujo de aire no era desarrollado, esto se notaba en la velocidad registrada por el anemmetro colocado en una misma posicin. El valor de dicha velocidad no se estabilizaba en una medida, sino que fluctuaba en un rango, por lo que se escoga un valor dentro de este en forma aleatoria. Adems en la seccin se encontraba una termocupla dispuesta para registrar la temperatura de salida, por lo que haba interrupciones en el flujo de aire, lo que aumentaba la imprecisin en la medicin de la velocidad del flujo. Para contrarrestar esto, se realizaron varias medidas, y se consider el promedio de velocidades como valor a emplear en los clculos. Si la velocidad se hubiera comportado como un perfil desarrollado y laminar, el clculo de la velocidad promedio se podra haber hecho en forma analtica, en donde se habra realizado una nica medicin que considera la velocidad mxima del perfil, la que hubiese ocurrido en el centro. Es importante destacar que antes de realizar el registro de datos, se esper un tiempo prudente para lograr la condicin estacionaria, con el fin de lograr las mediciones ms exactas posibles y no registrar un valor transitorio. Esto tiene suma importancia ya que si no se toman estas precauciones podemos obtener valores para estados que no reflejan la operacin normal de un equipo. Con respecto a los resultados obtenidos en la experiencia, especficamente del enfriamiento evaporativo, podemos darnos cuenta que efectivamente el resultado coincide con la teora donde este proceso se asemeja a un proceso de saturacin adiabtica. Tambin comprobamos que, como era de suponerse, no existe un sistema adiabtico como suele considerarse en la teora. Esto se ve reflejado en que existe flujo de calor, el cual es cedido por el aire hacia el equipo, el evaporador, el exterior. Lo interesante de la experiencia es que el flujo de calor cedido pudo ser cuantificado, de esta manera pueden tomarse las medidas que sean necesarias para controlar de una forma ms ptima las condiciones del aire a la salida de la unidad de aire acondicionado. En la prctica el enfriamiento evaporativo resulta til para disminuir la temperatura del aire en el lugar y refrescar a las personas. En la experiencia esto se pudo comprobar ya que el aire de entrada tena 89,5% humedad relativa y sali a 98%, con esto se puede corroborar que existe un aumento de la humedad relativa. Se debe tener presente que este proceso no puede ser usado en un ambiente que tenga recirculacin o que est cerrado, ya que el aire lentamente aumentara su humedad relativa alejndose de las condiciones de confort. Por ltimo se debe sealar que este proceso es ideal para climas clidos relativamente secos, y bajo estas condiciones es mucho ms conveniente debido a su bajo costo inicial y de operacin a diferencia de un sistema de enfriamiento convencional (que opere en un ciclo de refrigeracin). Con respecto a la segunda parte de la experiencia, relacionada con el proceso de calentamiento y humidificacin, es decir, un proceso en 2 partes. La primera contribuy principalmente en el aporte calrico otorgado por el vapor que circulaba por la serpentina, que procedi desde la caldera hasta terminar en el calormetro condensndose. La idea de esta parte, es calentar el aire entrante del sistema de aire acondicionado. Sin embargo es necesaria la segunda parte ya que el mismo aire, al elevar su temperatura, la humedad de este baja en gran considerablemente, por esta razn la entrega de agua atomizada (humectacin) garantiz el aumento de dicha humedad y as el aire posee mayor temperatura y una humedad, con el fin de mantener el confort deseado por las personas.

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Si se comparan el resultado analtico y por carta psicromtrica para cada parmetro estimado en el proceso de calentamiento ms humectacin, notamos que el error no es tan grande a pesar de que el usar la carta est sujeto a la precisin de la persona para determinar los parmetros deseados. El error presente puede deberse a que tabla psicromtrica est confeccionada para una presin de 760 mmHg (101,325 KPa), en la experiencia se trabaj a una presin atmosfrica de 725.1 mmHg (0,096 MPa), por lo que debido a esta diferencia en la presin, existe una menor exactitud en los datos extrados. Una posible solucin podra ser trabajar con una carta psicomtrica confeccionada para la presin atmosfrica de trabajo. Si el Vapor Flash es el vapor que se forma a partir del condensado caliente cuando existe una reduccin en la presin, donde el condensado de alta temperatura contiene una gran energa, podramos buscar la forma de aprovechar ese calor o energa que se est perdiendo y reutilizarla. Por ltimo, podemos sealar que la estimacin de la masa del condensado puede que no haya sido lo ms prolija, ya en el momento de acumular el vapor en el calormetro, este no estaba totalmente sellado, y por tanto el vapor sala por los orificios de la tapa. Sin embrago, el peso como resultado no debiese haber alterado en gran medida en los resultados.

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9 Anexo

9.1 Teora del experimento

Psicrometra La psicrometra estudia las propiedades de las mezclas de aire y vapor de agua. Todos los procesos de acondicionamiento de aire deben tener en cuenta la presencia de vapor de agua en el aire. Se utiliza la llamada carta psicomtrica para mostrar las interrelaciones de estas propiedades.

Humedad absoluta o especfica (w): cantidad real de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Humedad relativa (): relacin entre la cantidad de humedad que contiene el aire (masa vapor de agua) y la

cantidad mxima de humedad que el aire contiene a la misma temperatura. Temperatura de bulbo seco (TBS): es la temperatura del aire atmosfrico. Se puede medir a travs de un

termmetro comn. Temperatura del punto de roco (TPR): es la temperatura a la que se inicia la condensacin si el aire se enfria a

presin constante, es decir, es la temperatura de saturacin del agua correspondiente a la presin de vapor. Temperatura de bulbo hmedo (TBH): Es la temperatura que indica un termmetro cuyo bulbo est envuelto en

una tela empapada en agua, en el seno de aire rpido movimiento. Es decir se mide en una atmosfera de aire saturado.

Procesos de acondicionamiento de aire

variacin de calor sensible: es aquel en la cual se agrega o se retira calor de aire y como resultado vara la TBS,

pero sin embargo no vara el contenido de vapor de agua Variaciones de calor latente (humidificacin y deshumidificacin): Al proceso de agregar vapor de agua al aire se

le llama humidificacin, y a la eliminacin de vapor de agua del aire se le llama deshumidificacin

Enfriamiento evaporativo: implica bsicamente pulverizar agua lquida en el aire, o bien forzarlo a circular a travs de un tejido que se mantiene constantemente mojado con agua, lo que provoca que el calor latente de vaporizacin se absorbe. Por lo tanto, tanto el agua como el aire se enfran durante el proceso.

Calentamiento con humectacin: consiste en aumentar la temperatura del aire (principalmente en invierno

donde el aire es fro y seco). Primero se calienta pero el aire se siente seco, lo que es incmodo, por lo que luego se humidifica.

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9.2 Tabla calores especficos de gas ideal de algunos gases comunes

Tabla A9.2.1

10 Bibliografa

Gua de laboratorio, "Balance de Materia y Energa (C212)" INVIERNO.

Apuntes de Ingeniera Termodinmica, Principios de Psicrometra y Acondicionamiento de aire.

Salinas Manuel, Tablas Termodinmicas.

Cengel Yunus, Termodinmica, 7ta Edicin, Ed McGraw-Hill, 2009.

10.1 Referencias -http://www.fluke.com/fluke/cles/instrumentos-de-medida-electricos/termometros-digitales/fluke-50-series-ii.htm?PID=56085 http://www.sipec.cl/site/index.php?option=com_k2&view=item&id=100:balanza-contadora-y-chequeadora-snowrex-serie-nv