Guia no. 3: Psicrometria y acondicionamiento de aire



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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

NÚCLEO DE TERMOFLUIDOS

TERMODINÁMICA II



GUIA No. 3: PSICROMETRIA Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE


Elaborada y/o recopilada por: Ing. Rubén Arévalo


  1. Un cuarto de dimensiones 4 m x 6 m x 2.4 m contiene una mezcla de aire y vapor de agua a una presión total de 100 kPa y a una temperatura de 25ºC. La presión parcial del vapor es 1.4 kPa. Calcule la humedad relativa y específica, la temperatura de rocío, la entalpía específica, el volumen específico, la masa total de vapor de agua en el cuarto y la humedad específica máxima, analíticamente y usando la carta psicrométrica.

  2. Una mezcla de gases ideales contiene las siguientes cantidades de los componentes indicados en kmol: dióxido de carbono, 8; vapor de agua, 9; oxígeno, 2.5; nitrógeno, 56.4. Determine la temperatura a la cual el agua empezará a condensar si la mezcla es enfriada a presión constante. Determine la masa de agua que habrá condensado si la mezcla es enfriada 10ºC por debajo de esta temperatura de condensación. Asuma que la presión total permanece en 100 kPa.

  3. Una mezcla de aire-vapor de agua entra a una unidad calentadora-humidificadora a 5ºC, 100 kPa, 50% de humedad relativa. El flujo másico de aire seco es 0.1 kg/s. El agua líquida es rociada a la mezcla a 10°C y a una rata de 0.0022 kg/s. La mezcla deja la unidad a 30ºC, 100 kPa. Determine la humedad relativa en la salida y la rata de transferencia de calor a la unidad.

  4. Una mezcla de aire-vapor de agua entra a una unidad de acondicionamiento de aire a una presión de 150 kPa, una temperatura de 30ºC y una humedad relativa de 80%. El flujo màsico de aire seco que entra es 1 kg/s. La mezcla de aire-vapor de agua deja la unidad a 125 kPa, 10ºC, 100% de humedad y el agua condensada sale a 10ºC. Determine la rata de transferencia de calor para el proceso.

  5. Una unidad enfriadora y deshumidificadora recibe aire externo a 35ºC, 100 kPa y una humedad relativa de 90%. La mezcla aire-vapor de agua es primero enfriada hasta una temperatura lo suficientemente baja para que condense una cantidad apropiada de agua, después de lo cual la mezcla es calentada, dejando la unidad a 20ºC, 100 kPa y humedad relativa de 30%. El flujo volumétrico de mezcla en la salida es 10 L/s.

    1. Determine la temperatura a la cual la mezcla es inicialmente enfriada y la masa de agua condensada por kg de aire seco. Muestre el proceso que experimenta el agua sobre un diagrama T-s.

    2. Si todo el líquido que condensa deja la unidad a la mínima temperatura posible, determine la rata de transferencia de calor.

  6. Dos corrientes de aire saturado, una de 0.2 kg/s y 50ºC y la otra de 0.1 kg/s y –15ºC, se mezclan en un proceso adiabático de EEFE. Determine la temperatura de salida, considerando la misma presión en los tres puntos e igual a 105 kPa.

  7. Una sección de calentamiento se compone de un ducto de 35 cm de diámetro que contiene un calentador de resistencia eléctrica de 4 kW. A esta sección entra aire a 1 atm, 15ºC y 40% de humedad relativa a una velocidad de 7.5 m/s. Determine la temperatura de salida, la humedad relativa de salida del aire y la velocidad de salida.

  8. En una sección de enfriamiento de 40 cm de diámetro entra aire a 1 atm, 30ºC, 30% de humedad relativa y a una velocidad de 18 m/s. El calor se extrae del aire a una relación de 1200 kJ/min. Determine la temperatura de salida, la humedad relativa de salida del aire y la velocidad de salida.

  9. Un sistema de acondicionamiento de aire opera a una presión de 1 atm. Se compone de una sección de calentamiento y de un humidificador que suministra vapor de agua saturado a 100ºC. El aire entra a la sección de calentamiento a 10ºC, 70% de humedad relativa y a una relación de 70 metros cúbicos por minuto, y sale de la sección de humificación a 20ºC y 60% de humedad relativa. Determine la temperatura y humedad relativa del aire cuando éste abandona la sección de calentamiento, la velocidad de transferencia de calor en la sección de calentamiento y el flujo másico de agua que se añade al aire en la sección de humificación.

  10. Un sistema de acondicionamiento de aire tomará aire a 1 atm, 35ºC y 70% de humedad relativa y lo entregará a 20ºC y 50% de humedad relativa. El aire fluye primero sobre los serpentines de enfriamiento, donde se enfría y deshumidifica, y luego sobre los alambres de la resistencia de calentamiento, donde se calienta hasta la temperatura deseada. Suponga que el condensado se elimina de la sección de enfriamiento a 10ºC y determine la temperatura del aire antes de que entre a la sección de calentamiento, la cantidad de calor eliminada en la sección de enfriamiento por kg de aire seco y la cantidad de calor transferida en la sección de calentamiento por kg de aire seco.

  11. En un enfriador evaporativo entra aire a 95 kPa, 35ºC y 30% de humedad relativa y sale saturado. Determine la temperatura de salida del aire.

  12. En un enfriador evaporativo entra aire a 1 atm, 30ºC y 30% de humedad relativa a una relación de 6 metros cúbicos por minuto y sale a 20ºC. Determine la humedad relativa final y la cantidad de agua añadida al aire.

  13. Durante un proceso de acondicionamiento de aire, 60 metros cúbicos por minuto de aire acondicionado a 15ºC y 30% de humedad relativa se mezclan adiabáticamente con 20 metros cúbicos de aire exterior a 30ºC y 90% de humedad relativa; ambas corrientes tienen una presión de 1 atm. Determine la temperatura, la humedad específica y la humedad relativa de la mezcla.

  14. Una torre de enfriamiento húmedo va a enfriar 60 kg/s de agua de 40 a 25ºC. En la torre entra aire atmosférico a 1 atm con temperaturas de bulbo seco y húmedo de 20 y 15ºC, respectivamente, y sale a 35ºC con humedad relativa de 90%. Determine analíticamente y con la carta psicrométrica el flujo volumétrico de aire que entra a la torre y el flujo másico de agua de reemplazo requerido, despreciando la entrada de potencia al ventilador.

  15. Una torre de enfriamiento húmedo va a enfriar 110 kg/s de agua de enfriamiento de 40 a 25ºC en una localidad donde la presión atmosférica es 96 kPa. El aire atmosférico entra a la torre a 20ºC y 70% de humedad relativa y sale saturado a 35ºC. Descarte la entrada de potencia al ventilador y determine el flujo volumétrico de aire que entra a la torre y el flujo másico de agua de reemplazo requerido.

  16. A 1500 m3/min de aire atmosférico a 15ºC, 90 kPa y 40% de humedad relativa, se le inyecta vapor de agua sobrecalentado a 90 kPa en un proceso de EEFE hasta que el aire alcanza los 20ºC y un 70% de humedad relativa. Siendo adiabático el proceso, determine analíticamente y usando la carta psicrométrica:

  1. El flujo másico necesario de vapor.

  2. La temperatura del vapor empleado.

  1. En una torre de enfriamiento entran 1300 kg/min de agua a 45°C, la cual se enfría hasta 25°C. El agua de reposición es de 2250 kg/hora. La torre tiene un diámetro en la sección de salida de 3 metros. Por el fondo de la torre entran 1235 m3/min de aire con una temperatura de bulbo seco de 30°C y una temperatura de bulbo húmedo de 20°C. El motor del ventilador tiene una potencia de 9 kW. La presión atmosférica es 100 kPa. Determine la humedad relativa y la velocidad del aire que sale de la torre.

  2. Las condiciones del aire atmosférico de una ciudad son 100 kPa, 35°C y 40% de humedad relativa. Se requiere producir una corriente de aire a 100 kPa, 23°C y 70% de humedad relativa, para lo cual se enfría una corriente de aire atmosférico hasta una temperatura lo suficientemente baja para hacer condensar la cantidad apropiada de agua y luego se mezcla con una segunda corriente de aire atmosférico.

    1. ¿Cuál es la temperatura hasta la que debe ser realizado el proceso de enfriamiento?

    2. ¿Cuál es la relación de flujos másicos de aire atmosférico empleados en el proceso?

    3. ¿Cuál es la cantidad de calor que debe retirarse del aire durante el proceso de enfriamiento por cada kilogramo de aire seco, considerando que el condensado y el aire abandonan la sección de enfriamiento a la misma temperatura?

  3. Una empresa manufacturera ubicada en la Zona Industrial de Valencia requiere para uno de sus procesos un flujo másico de aire de 13600 kg/hora a 30°C y con una humedad relativa de 60%. Con ese propósito se acondiciona aire atmosférico cuya temperatura y humedad relativa son 35°C y 70% en un equipo de acondicionamiento que consiste de una sección de enfriamiento y una de calentamiento. Una primera corriente de aire atmosférico se hace pasar por la sección de enfriamiento donde su temperatura desciende por debajo de su temperatura de rocío. A continuación, esta corriente se mezcla adiabáticamente con una segunda corriente de aire atmosférico y la mezcla resultante pasa a través de la sección de calentamiento de la cual el aire sale con las condiciones deseadas para ser suministrado al proceso. Se conoce que el flujo másico de aire atmosférico que ingresa a la sección de enfriamiento es 3.57 veces el flujo másico de aire atmosférico usado en el proceso de mezclado adiabático. La presión barométrica es 100 kPa. Para el proceso descrito, determine:

    1. El flujo volumétrico de aire atmosférico que se utiliza en el proceso de mezcla, en m3/min.

    2. El flujo volumétrico de aire atmosférico total utilizado en la unidad, en m3/min.

    3. La temperatura del aire que sale de la sección de enfriamiento.

    4. La temperatura del aire luego del proceso de mezclado adiabático.

    5. El flujo másico de condensado, en kg/min.


RESPUESTAS


1. 0.008832 kgv/kga; 44.18%; 11.82°C; 47.58 kJ/kga; 0.8674 m3/kga; 0.5865 kgv; 0.02036 kgv/kga; 0.008832 kgv/kga; 44%; 12°C; 48 kJ/kga; 0.857 m3/kga; 5.9361 kgv; 0.02 kgv/kga

2. 48.85°C; 71.7 kg

3. 90%; 8.05 kW

4. –41.02 kW

5. 1.63°C; 0.02879 kgAC/kga; -1.05 kW

6. 40.6°C

7. 19.5°C; 30%; 7.62 m/s

8. 22.5°C; 46.3%; 17.55 m/s

9. 19.53°C; 37.7%; 13.98 kW; 0.004944 kg/s

10. 9.18°C; -71.41 kJ/kga; 11 kJ/kga

11. 21.02°C

12. 81.52%; 1.66 kg/hr

13. 18.6°C; 0.0081 kgv/kga; 60.3%

14. 42.39 m3/s; 1.22 kg/s

15. 73.06 m3/s; 2.29 kg/s

16. 0.1832 kg/s; 402.94°C; 0.1857 kg/s; 478.67°C

17. 70.75%; 3.15 m/s

18. 16°C; 1.717; -28.73 kJ/kga



19. 44.92 m3/min; 205. 24 m3/min; 18.57C; 23.23°C; 2.06 kg/min


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