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60
TRANSFERENCIA DE MASA II OPERACIONES DE HUMIDIFICACION
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TRANSFERENCIA DE MASA
II
OPERACIONES DE
HUMIDIFICACION
-
OPERACIONES DE HUMIDIFICACIN
Las operaciones consideradas
se ocupan de la transferencia
de masa interfacial y de
energa, que resultan cuando
un gas se pone en contacto
con un lquido puro, en el cual
es esencialmente insoluble.
La materia transferida entre
las fases en tales casos es la
sustancia que constituye la
fase lquida, la cual tanto se
puede vaporizar o se puede
condensar.
AGUA
CALOR
Gas hmedo Lquido
caliente
Lquido fro Gas seco
-
OPERACIONES DE HUMIDIFICACIN
El trmino de operaciones
de humidificacin se utiliza
para caracterizar en forma
general dichas operaciones,
el propsito de dichas
operaciones, abarca tambin
la deshumidificacin y el
enfriamiento del gas,
mediciones de su contenido
de vapor y el enfriamiento
del lquido.
AGUA
CALOR
Gas hmedo Lquido
caliente
Lquido fro Gas seco
-
OPERACIONES DE HUMIDIFICACIN
Por lo que ser necesario
familiarizarse con las
caractersticas en el
equilibrio de los sistemas.
Puesto que la transferencia
de masa estar acompaada
invariablemente de la
transferencia de calor,
tambin deber considerarse
las caractersticas de entalpia
de los sistemas.
-
OPERACIONES GAS-LQUIDO
El contacto directo de
un gas con un lquido
puro puede tener uno
de los siguientes
fines:
1) Operaciones
adiabticas.
2) Operaciones no
adiabticas.
-
OPERACIONES NO ADIABTICAS
a) El enfriamiento por
evaporacin, cuando un
lquido o un gas dentro de un
tubo se enfra con un flujo de
agua en forma de pelcula en
la superficie externa del tubo;
a su vez esta ltima se enfra
por contacto directo con aire.
b) Deshumidificacin de un gas ,
cuando una mezcla de gas-
vapor se pone en contacto con
tubos refrigerantes y el vapor
se condensa en los tubos.
-
OPERACIONES ADIABTICAS
a) Enfriamiento de un lquido ,
sucede por transferencia de
calor sensible y tambin por
evaporacin.
b) Enfriamiento de un gas
caliente, el contacto directo
proporciona un intercambio de
calor efectivo.
c) Humidificacin de un gas,
puede utilizar para controlar el
contenido de humedad del aire
para el secado.
d) Deshumidificacin de un gas.
AGUA
CALOR
Gas hmedo Lquido
caliente
Lquido fro Gas seco
-
El lquido y vapor coexisten
en equilibrio a lo largo de la
lnea BC, que es la lnea de
presin de vapor del agua.
La ebullicin se presenta
cuando la presin de vapor
de agua es igual a la presin
total por encima de su
superficie.
A 100 C la presin de vapor
del agua es 101.3 kPa y por
tanto hervir a dicha presin.
-
De tablas a 65.6 C la presin
de vapor del agua es 25.7 kPa.
Si un balde de agua se
mantiene a 65.6 C en una
habitacin a 101.3 kPa de
presin absoluta, la presin de
vapor del agua tambin ser
25.7 kPa.
Por lo que la presin de vapor
del agua no le afecta la
presencia de un gas inerte
como el aire.
La presin de vapor del agua es
esencialmente independiente de
la presin total del sistema.
-
MEZCLA DE VAPOR Y GAS
El trmino de vapor se va a
aplicar a la sustancia,
designada por A, que en el
estado de vapor est
relativamente cerca de su
temperatura de
condensacin a la presin
dominante.
El trmino de gas se
considera que es un gas
relativamente bastante
sobrecalentado.
vapor
gas
-
MEZCLA DE VAPOR Y GAS
SATURADAS
Si un gas seco insoluble
B se pone en contacto con
suficiente lquido A, el
lquido se evaporar en el
gas hasta que finalmente,
en el equilibrio, la presin
parcial de A en la mezcla
vapor-gas alcanza su
valor de saturacin, la
presin de vapor de A a la
temperatura dominante.
vapor
gas
-
HUMEDAD
A
A
pP
pH )
97.28
02.18(
La humedad H de una mezcla aire-vapor de agua se define
como los kgs de vapor por kg de aire seco.
pA : presin parcial del vapor de agua en el aire.
P : presin total.
18.02: peso molecular del agua.
28.97 : peso molecular del air.
-
HUMEDAD DE SATURACION
AS
ASS
pP
pH )
97.28
02.18(
El aire saturado es aquel en el cual el vapor de agua est
en equilibrio con el agua lquida en las condiciones dadas
de presin y temperatura.
pAS : presin de vapor del agua pura a la temperatura
establecida.
P : presin total.
HS : humedad de saturacin.
-
PORCENTAJE DE HUMEDAD HP:
PORCENTAJE DE HUMEDAD RELATIVA HR:
S
PH
HH 100
AS
AR
p
pH 100
-
EJEMPLO
El aire de una habitacin est a 26.7 C y la
presin es de 101.325 kPa y contiene vapor de
agua con una presin parcial pA = 2.76 kPa.
Calcule:
a) La humedad.
b) Humedad de saturacin.
c) Porcentaje de humedad.
Dato: La presin de vapor del agua a 26.7 C es
3.50 kPa.
-
airekg
aguakg
pP
pH
A
A
.
.01742.0
76.23.101
76.2
97.28
02.18)
97.28
02.18(
a)
b)
c)
airekg
aguakg
pP
pH
AS
ASS
.
.0226.0
5.3325.101
5.3
97.28
02.18)
97.28
02.18(
%3.780226.0
01742.0100100
S
PH
HH
-
MEZCLA DE VAPOR Y GAS NO
SATURADAS
Si la presin parcial
del vapor en una
mezcla de vapor-gas
es por alguna razn
menor que la presin
de vapor en el
equilibrio del lquido a
la misma temperatura,
la mezcla no est
saturada.
vapor
Gas insaturado
-
PUNTO DE ROCIO DE UNA MEZCLA
DE AIRE Y VAPOR DE AGUA
Es la temperatura a la cual cierta mezcla de aire y vapor de agua est saturada.
Por ejemplo:
A 26.7 C la presin de vapor de saturacin del agua es 3.50 kPa. Por consiguiente el punto de roco de una mezcla que contiene vapor de agua con una presin parcial de 3.50 kPa es 26.7 C.
vapor
Gas
-
CALOR HUMEDO EN UNA MEZCLA
DE AIRE Y VAPOR DE AGUA
Es el calor requerido en joule para elevar la
temperatura de un kilogramo de aire seco
ms el vapor de agua presente en 1 K o 1
C.
Cs: calor hmedo.
H : humedad.
HKoairekg
kJCS 88.1005.1
.sec..
-
VOLUMEN HMEDO VH DE UNA
MEZCLA DE AIRE Y VAPOR DE AGUA
HKT
okgaire
mVH
02.18
1
97.28
1)(
273
41.22
sec
3
)(1056.41083.2sec
333
KTHxxokgaire
mVH
El volumen hmedo es el volumen total en metros cbicos de 1
kg de aire seco ms el vapor que contiene 101.325 kPa abs de
presin y a la temperatura del gas.
-
VOLUMEN HMEDO VH DE UNA
MEZCLA SATURADA DE AIRE Y
VAPOR DE AGUA
SH HKT
okgaire
mV
02.18
1
97.28
1)(
273
41.22
sec
3
)(1056.41083.2sec
333
KTHxxokgaire
mV SH
-
ENTALPIA TOTAL DE UNA MEZCLA DE
AIRE Y VAPOR DE AGUA (Hy )
ooSY HTTCokgaire
kJH
sec
La entalpa total es el calor sensible de la mezcla aire-vapor de
agua ms el calor latente o del vapor de agua a To
ooY HTTHokgaire
kJH
88.1005.1
sec
HCTHokgaire
kJHY 4.2501)(88.1005.1
sec
Para una temperatura base de 0 C
-
TEMPERATURA DE
SATURACIN ADIABTICA
Entrada de gas
H, T
Salida
de gas
TS , HS
TS El proceso es
adiabtico
Agua de
reposicin
TS
-
Entrada de gas
H, T
Salida
de gas
TS , HS
TS El proceso es
adiabtico
Agua de
reposicin
TS
El agua de recirculacin alcanza una temperatura de estado
estacionario que se llama temperatura de saturacin adiabtica TS . Si
el gas de entrada a una temperatura T y humedad H no est saturado,
TS ser inferior a T. Si el contacto entre el gas de entrada y el roco de
gotas es suficiente para que el gas y el lquido alcancen un equilibrio,
el aire de salida est saturado a TS con una humedad HS .
-
SSSSSSS HTTCHTTC
Al escribir un balance de entalpia para el proceso, se usa como valor
bsico TS . Entonces la entalpia del agua de reposicin es cero. La
entalpia total de la mezcla gaseosa de entrada = entalpia de la
mezcla gaseosa de salida.
Reordenando la ecuacin:
SS
S
S
S HC
TT
HH
88.1005.1
La ecuacin es la expresin de la curva de humidificacin
adiabtica graficada en la carta psicromtrica. Se les llama lneas
de humidificacin adiabtica o lneas de saturacin adiabtica.
-
Carta psicromtrica
Humedad relativa
60
H
um
edad
ab
solu
ta k
g/k
g a
ire
seco
20
T bulbo seco C
90 70 50 40 30 60
-10 5 0 -5 35 50 45 40 55
30
25
20
15
-10
-5 0
5
10
10
0.005
0.000
0.010
0.015
0.020
0.025
-
TEMPERATURA DE BULBO
HMEDO Tw
Es la temperatura de entrada en estado estacionario y no de
equilibrio que se alcanza cuando se pone en contacto una
pequea cantidad de agua con una corriente continua de gas en
condiciones adiabticas. Puesto que la cantidad de lquido es
pequea, la temperatura y la humedad del gas no cambian.
Lectura termmetro TW
Gas a T, H
Temperatura Tw Agua de
reposicin
Gas a T, H
mecha
Se le utiliza para
obtener la humedad
de mezclas de aire y
vapor de agua.
-
MTODO DE OBTENCIN DE LA
TEMPERATURA DE BULBO HMEDO
Lectura termmetro TW
Gas a T, H
Temperatura Tw Agua de
reposicin
Gas a T, H
mecha
El termmetro se recubre con un trozo de tela. La mecha se
mantiene hmeda con agua y se introduce en el flujo de una
corriente de aire y vapor de agua, cuya temperatura es la
temperatura de bulbo seco y con humedad H.
-
Lectura termmetro TW
Gas a T, H
Temperatura Tw
Agua de
reposicin
Gas a T, H
mecha
En estado estacionario, el agua se evapora incorporndose a la
corriente del gas; la mecha y el agua se enfran a Tw y se mantienen
a esa temperatura constante. El calor latente de vaporizacin queda
balanceado por el calor convectivo que fluye de la corriente
gaseosa T a la mecha a una temperatura Tw que es inferior.
-
Lectura termmetro TW
Gas a T, H
Temperatura Tw Agua de
reposicin
Gas a T, H
mecha
Es posible calcular un balance de calor para la mecha. La
cantidad de calor prdida por evaporacin, despreciando el
pequeo cambio de calor vaporizado y la radiacin.
ANMq wAA (1) Donde q est en kJ/s, MA es el peso molecular del agua, NA
son los kmoles de agua evaporada/s.m2, A es el rea
superficial en m2, w es el calor latente de vaporizacin a Tw
en kJ/kg de agua.
-
yykyyx
kN wyw
BM
y
A
(2)
Donde ky es el coeficiente de transferencia de masa en
kmol/s.m2.fraccin mol, xBM es la media logartmica de la
fraccin mol inertes del aire, yw es la fraccin mol del vapor
de agua en el gas en la superficie, donde y es la fraccin mol
del gas. Para una mezcla diluida xBM = 1.0 , ky = ky
La relacin entre H y la fraccin molar
del gas y es :
BA
A
MM
M
H
y11
(3)
A
B
M
HMy (4) Puesto que H es pequea se puede
establecer como aproximacin que:
-
AHHkMq wwyB
Al sustituir la ecuacin (4) en la ecuacin (2) y el resultado en la
ecuacin (1) resulta:
La transferencia convectiva de calor de la corriente de gas a la
temperatura T a la mecha que est a la temperatura Tw es:
ATThq w)(
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor en kW/m2.K
Al igualar estas dos ltimas ecuaciones y reordenando se
obtiene:
-
wyB
w
wkM
h
TT
HH
icapsicromtrrelacinkM
h
yB
.
005.196.0
.
aireaguavaporyBkM
h
-
Humedad relativa
60
H
um
edad
ab
solu
ta k
g/k
g a
ire
seco
20
T bulbo seco C
9
0
70 50 40 30 60
-
10
5 0 -5 35 50 45 40 55
30
25
20
15
-10
-5 0
5
10
10
0.005
0.000
0.010
0.015
0.020
0.025
Si comparamos la ecuacin
de la relacin psicromtrica
con la curva de saturacin
adiabtica veremos que son
iguales.
-
Humedad relativa
60
H
um
edad
ab
solu
ta k
g/k
g a
ire
seco
20
T bulbo seco C
9
0
70 50 40 30 60
-
10
5 0 -5 35 50 45 40 55
30
25
20
15
-10
-5 0
5
10
10
0.005
0.000
0.010
0.015
0.020
0.025
Las lneas de saturacin adiabtica
pueden usarse como lneas de bulbo
hmedo con precisin bastante
razonable.
Por consiguiente la determinacin de la
temperatura de bulbo hmedo se usa con
mucha frecuencia para obtener la
humedad de mezclas de aire y vapor de
agua.
-
EJEMPLO Una mezcla de vapor de agua y aire con temperatura de
bulbo seco de 29 C se hace pasar sobre un bulbo
hmedo y la temperatura de bulbo hmedo que se
obtiene es de 23 C. Cul es la humedad de la
mezcla?.
SOLUCIN:
Se puede suponer que la temperatura de bulbo hmedo
de 23 C es la misma que la temperatura de saturacin
adiabtica TS . Por lo que recorriendo la curva de
saturacin adiabtica de 23 C hasta llegar a la
temperatura de bulbo seco de 29 C la humedad resulta
en H = 0.017 kg agua/ kg aire seco.
-
Carta psicromtrica
Humedad relativa
60
H
um
edad
ab
solu
ta k
g/k
g a
ire
seco
20
T bulbo seco C
90 70 50 40 30 60
-10 5 0 -5 35 50 45 40 55
30
25
20
15
-10
-5 0
5
10
10
0.005
0.000
0.010
0.015
0.020
0.025
29
23 0.017
-
PROCESOS CONTINUOS DE
HUMIDIFICACION Cuando un lquido
relativamente caliente se pone en contacto directo con un gas que no est saturado, parte del lquido se vaporiza. La temperatura del lquido disminuye debido principalmente al calor latente de evaporacin.
Lquido
Gas insaturado
-
PROCESOS CONTINUOS DE
HUMIDIFICACION Este contacto directo de un
gas con un lquido se da para:
Humidificacin de aire para controlar el contenido de humedad del mismo.
Deshumidificacin del aire, en el que el agua fra condensa algo del vapor de agua del aire caliente.
Enfriamiento de agua, donde la evaporacin del agua en el aire enfra el agua caliente.
-
PROCESOS DE
ENFRIAMIENTO DE AGUA
Se cuentan entre los
ms antiguos que se
conocen.
Por lo comn el agua
se enfra exponiendo
su superficie al aire.
-
PROCESO DE
TRANSFERENCIA DE CALOR Implica:
Transferencia de calor
latente debido a la
evaporacin de una
pequea fraccin de agua
y
La transferencia de calor
sensible debido a la
diferencia de temperaturas
entre el agua y el aire.
-
TORRES DE ENFRIAMIENTO
-
TORRE DE ENFRIAMIENTO
En una torre tpica el agua
caliente fluye a
contracorriente del aire.
Por lo general, el agua
caliente entra por la parte
superior de una torre
empacada y cae en
cascada a travs del
material de empaque y
sale por el fondo.
-
MECANISMO DE ENFRIAMIENTO
El aire entra por la parte
inferior de la torre y fluye
hacia arriba a travs del
agua que desciende.
El empaque de la torre
casi siempre es de tablillas
de madera y el agua se
distribuye por medio de
acanaladuras y
rebosaderos.
Depsito de agua
aire
empaque
Distribucin de agua
Flujo de agua
Flujo de aire
-
MECANISMO DE
ENFRIAMIENTO Lo cual suministra un rea
extensa interfasial de
contacto entre el agua y el
aire en forma de gotas y
pelcula de agua.
El flujo de aire ascendente
a travs de la torre se
puede inducir por medio
natural o por accin de un
ventilador.
-
MECANISMO DE
ENFRIAMIENTO
El agua no puede
enfriar por debajo de
su temperatura de
bulbo hmedo
En la prctica se enfra
hasta 3 K por encima
de temperatura de
bulbo hmedo.
-
FUNCIN DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Regular el proceso termodinmico de
enfriamiento
mediante el contacto
agua-aire.
Enfriar agua mediante la
combinacin de
transferencia de calor
y de masa.
Aire caliente
relleno
Aire fro
Distribucin de agua caliente
Al depsito de agua fra
-
TEORIA DE LA TORRE PARTE SUPERIOR
Calor sensible
en el lquido
Calor latente en
el gas
Calor sensible
en el gas
AGUA AIRE
TL
Interfaz
Ti
TG
Vapor de agua
Hi
HG
Pelcula efectiva de agua Pelcula efectiva de aire
El calor que
retiramos del
agua sirve
para calentar
el aire y
evaporar el
agua
-
TEORIA DE LA TORRE PARTE INFERIOR
Calor sensible
en el lquido
Calor latente en
el gas
Calor sensible
en el gas
AGUA AIRE
TL
Interfaz
Ti
TG
Pelcula efectiva de agua Pelcula efectiva de aire
La temperatura
del agua es
mayor que la
temperatura de
bulbo hmedo
del aire pero
puede ser
inferior a la
temperatura de
bulbo seco.
-
Entalpia
Temperatura
Lnea de operacin del agua
Lnea de operacin del aire
AGUA
AIRE
Rango
Fuerza
motriz
entalpa
-
COMPONENTES DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Ventiladores
Motores
-
CARACTERSTICAS GENERALES
Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado.
Son torres compactas con seccin transversal y altura de bombeo pequeas en comparacin con las de tiro natural.
Proporcionan un control preciso de la temperatura del agua a la salida.
-
CLASIFICACIN
Tiro forzado: Ventilador situado en la
entrada de aire.
Tiro inducido: Ventilador situado en la
zona de descarga de aire.
Aire
Agua
Agua
Aire
-
FLUJO EN CONTRACORRIENTE
Movimiento vertical del aire a travs del relleno.
Ventajas: Mximo rendimiento (agua
ms fra contacto aire ms seco).
Reduccin de la altura de entrada de aire.
Desventajas: Arrastre suciedad (elevada
velocidad entrada aire).
Gran prdida de presin esttica, aumento de potencia de ventilacin.
Depsito de agua
aire
empaque
Distribucin de agua
Flujo de agua
Flujo de aire
-
FLUJO CRUZADO
Movimiento del aire perpendicular al agua que cae.
Ventajas:
Menor altura (altura torre igual a altura relleno).
Fcil mantenimiento (inspeccin sencilla de componentes internos).
Desventajas:
No recomendable cuando se requiere un gran salto trmico y un valor de acercamiento pequeoms superficie transversal y ms potencia de ventilacin. Depsito de agua
aire empaque
Distribucin de agua
Flujo de agua
Flujo de aire
-
Depsito de agua
aire
empaque
Distribucin de agua
Flujo de agua
Flujo de aire
PROCESO
INDUSTRIAL
Agua
caliente
Agua
fra
Purga
-
PARMETROS DE RENDIMIENTO
RANGO es la diferencia entre
la entrada del agua de
enfriamiento y su temperatura
de salida.
Alto rango = buen rendimiento
Temperatura del agua caliente
Temperatura del agua fra
Ran
go
Temperatura de bulbo hmedo (ambiente)
).().()( aguasalidaatemperaturaguaentradaatemperaturCRango
-
APROXIMACIN
Aproximacin es la diferencia
entre la temperatura de salida
del agua y la temperatura de
bulbo hmedo del ambiente.
Baja aproximacin =
buen rendimiento
Temperatura del agua caliente
Temperatura del agua fra
Ran
go
Temperatura de
bulbo hmedo (ambiente)
).().()( hmedobulboatemperaturaguasalidaatemperaturCnAproximaci
Apro
xim
aci
n
-
EFECTIVIDAD
100xnAproximaciRango
RangodEfectivida
Alta efectividad = buen rendimiento
).)(.)(8.1)(00085.0()(3
atemperaturdiferenciancirculacivelocidadh
mPrdidas
PRDIDAS POR EVAPORACIN
CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO ).)(.)(..( atemperaturdiferenciaespecficoCaloraguamsicoflujoCapacidad
Alta capacidad de enfriamiento = buen rendimiento
