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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica
Laboratorio E-96 Balance de Materia y Energía
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Nombre Alumno: Katherine Contreras Nombre Profesor: Iván Jerez Asignatura: Termodinámica Ingeniería de Ejecución Mecánica Sistema Diurno Código: 15062
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2 2. INDICE 1. Tí tulo del trabajo…………………………………………………………………………………………………………………..1 2. Índice de la materia ……………………………………………………………………………………………………………… 2 3. Resumen del contenido del informe …………………………………………………………………………………….. 3 4. Objeto de la experiencia ………………………………………………………………………………………………………. 3 5. Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados ………………………………………. 3 6. Descripción del método seguido ……………………………………………………………………………………….….. 4 7. Presentación de los resultados ……………………………………………………………………………………….…….. 5 8. Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones personales ………………………………….. 6 9. Apéndice A) Teoría del experimento ……………………………………………………………………………………….……. 6 B) Desarrollo de los cálculos …………………………………………………………………………………….…… 7 C) Tablas de valores obtenidos y calculados ………………………………………………………………….. 8 D) Bibliografía ………………………………………………………………………………………………………….……. 9
3 3. RESUMEN En el siguiente informe, se presentará el proceso de enfriamiento evaporativo, que consiste en disminuir la temperatura del aire, agregándole agua. Se explicarán los procedimientos a seguir, las herramientas y dispositivos a utilizar y los datos que se obtuvieron una vez realizada la misma, con sus respectivas conclusiones. No se realizaron los otros procesos de calentamiento debido a la inspección y regulación de la maquina necesaria para esas experiencias. 4. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Aplicar a diversos fenómenos físicos que involucran mezclas de vapor de agua y aire el primer principio de la termodinámica y la ecuación de conservación de masa. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Efectuar balances de materia y energía a sistemas térmicos que realizan procesos de calentamiento sensible, calentamiento con humectación y enfriamiento evaporativo. 5. EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS: -Unidad de tratamiento de aire: Marca Westinghouse Rpm: 1500
Imagen 1. "Unidad de tratamiento de aire" -2 Termómetros digitales: Marca: Fluke. Modelo: 52-II Lectura: °C - °F – K Rango de operación: –200°C a 1090°C Exactitud: ±1% + 10 unidades
Imagen 2. "Termómetro Digital"
-2 Termocupla de Inmersión: Marca: Fluke. -2 Higrómetros
-Anemómetro Imagen 3. "Higrómetro"
4 6. DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO Antes de empezar el procedimiento, el profesor da las instrucciones y definiciones pertinentes para realizar la experiencia. Una vez en el área del laboratorio, se enciende la unidad de tratamiento de aire antes de iniciar medición, para que se nivelen los datos, y así evitar tomar medidas erróneas. Se deben tomar los datos de entrada y salida del aire en la unidad de tratamiento, los datos de entrada se pueden tomar antes de encender la máquina, para tomar los de salida del aire se debe esperar a que estos se estabilicen, y se hará de la siguiente manera en la ventana de salida:
Se colocará el anemómetro en la ubicación del número y se hará la medición, hasta medir la velocidad en las 9 ubicaciones predeterminadas. Las medidas de temperatura de harán con el termómetro y las termocuplas, las medidas de humedad relativa se harán con los higrómetros y las medidas de velocidad a la salida de la maquina se harán con el anemómetro.
5 7. PRESENTACION DE LOS RESULTADOS Según la carta se obtuvieron los siguientes resultados: Salida
Entrada Volumen especifico
0.861 [m^3/s]
Volumen especifico
0.852 [m^3/s]
Entalpía
58 [Kj/kg]
Entalpía
59 [Kj/kg]
Humedad Contenida
13 [g/kg]
Humedad Contenida
14.5 [g/kg]
Y se calcularon lo siguientes: Velocidad Media Área Densidad Caudal Flujo másico
Masa aire seco Masa vapor
8.273 [m/s] 0.08 [m^2 ] 1.2 [kg/m^3] 0.66184 [m^3/s] 0.79421 [kg/s] Entrada 167.2474 [kg] 2.1742 [kg]
Salida 169.0141 [kg] 2.4507 [kg]
Se adjuntará también la representación del cambio en la carta psicrométrica entregada en clases.
6 8. DISCUSION DE LOS RESULTADOS, CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES Como conclusión, se puede afirmar que los balances de energía y masa se cumplen a cabalidad. Se puede observar que los datos concuerdan con la teoría, puesto que, al procesar el aire, este tuvo un cambio en su composición, como lo muestran los datos obtenidos. Al agregar el agua atomizada, influye directamente en la humedad relativa de la muestra inicial, como observamos en los datos, este aumento de un 68% a un 85%, lo que nos dice que la cantidad de vapor de agua a la salida de la muestra, debería ser mayor que en la de entrada, aspecto que sabemos que se cumple, dado que la masa de vapor al final de la muestra, fue levemente mayor a la de la masa de vapor de entrada. Este sistema de refrigeración, aunque no es muy eficiente, funcionaría para zonas áridas, donde la evaporación del agua, se produzca sin agregar trabajo alguno y de forma más natural y rápida. 9. APENDICE 9.A TEORIA DEL EXPERIMENTO Enfriamiento Evaporativo: Un enfriador por evaporación (también llamado enfriador del desierto, y enfriador por aire húmedo) es un dispositivo que enfría el aire mediante la evaporación de agua. El enfriamiento por evaporación es distinto de los sistemas de aire acondicionado típicos que utilizan ciclos de refrigeración por compresión del vapor o absorción. El principio de funcionamiento del enfriamiento por evaporación se basa en emplear la gran entalpia de vaporización del agua. La temperatura del aire seco puede ser reducida en forma significativa mediante la transición de fase de agua líquida a vapor de agua, que requiere de un consumo de energía mucho menor que el consumo de energía de las unidades que funcionan mediante refrigeración. Balance de masa:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ×( −)
Balance de energía:
0 ℎ + ( −)ℎ − ℎ
Imagen 5: Ilustración grafica del enfriamiento evaporativo. Imagen 6: Carta Psicrométrica
7 9.B DESARROLLO DE LOS CALCULOS
Calculo de la velocidad media en la salida del aire:
= ∑ = +2 91 91 8.273 9+2 11
Remplazando los datos:
Calculo del área:
Á∗ Á0.4∗0.20.08
Calculo de densidad:
20° 1.2 []
Calculo de caudal:
á∗ 0.08∗8.273 0.66184
Calculo del flujo másico:
̇ ∗ 1.2 ∗0.66184 0.79421 []
Calculo masa aire seco:
∀∗∗8∗6∗3144 Y reemplazo en la ecuación de volumen específico para despejar la masa:
∀ → ∀ Entonces queda: Para la entrada: Para la salida:
. 167.2474 . 169.0141
Calculo masa vapor de agua:
→ ∗
8 Entonces queda:
167.2474∗13∗ 2.1742 169.0141∗14.5∗ 2.4507
Para la entrada: Para la salida:
9.C TABLAS DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS Los valores obtenidos en la experiencia fueron los siguientes: Salida
Entrada Bulbo Seco
24.7°C
Bulbo Seco
22.2°C
Humedad Relativa
68%
Humedad Relativa
85%
Medidas de la velocidad en (m/s) según la ubicación: 1 7.2
2 10.5
3 8
4 13.2
5 9.7
6 11.1
7 10.1
8 9
9 12.2
Los valores calculados fueron: A través de la carta psicrométrica se determinaron los siguientes valores: Salida
Entrada Volumen especifico
0.861 [m^3/s]
Volumen especifico
0.852 [m^3/s]
Entalpía
58 [Kj/kg]
Entalpía
59 [Kj/kg]
Humedad Contenida
13 [g/kg]
Humedad Contenida
14.5 [g/kg]
Se calcularon los siguientes datos: Velocidad Media Área Densidad Caudal Flujo másico
Masa aire seco Masa vapor
8.273 [m/s] 0.08 [m^2 ] 1.2 [kg/m^3] 0.66184 [m^3/s] 0.79421 [kg/s] Entrada 167.2474 [kg] 2.1742 [kg]
Salida 169.0141 [kg] 2.4507 [kg]
9 9.D BIBLIOGRAFIA EMPLEADA Y TEMARIO DEL EXPERIMENTO
Apunte de Laboratorio Cengel, Termodinámica.