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HUMIDIFICACIÓN Ing. Desireé Álvarez Macías MSc.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA Cuando las operaciones incluyen cambios en la composición de las soluciones se las conoce como operaciones con transferencia de masa. Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por la transferencia en escala molecular, de una sustancia a través de otra.

HUMIDIFICACIÓN Las operaciones de humidificación y deshumidificación (según la dirección de la transferencia de masa), implican transferencia de materia entre una fase líquida pura (un solo componente) y un gas permanente que es insoluble en el líquido.

Esta operación comprende la operación de humidificación del gas (Intercambio de masa) y el enfriamiento del líquido (Intercambio de energía).

OPERACIONES DE CONTACTO GAS-LÍQUIDO El contacto de un gas con un líquido puede tener la siguiente finalidad: Enfriar un gas caliente Humidificar un gas Deshumidificar un gas Enfriar un líquido

AIRE HÚMEDO El aire húmedo se supone que está constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua. Si llamamos ma a la fracción de aire seco y mw a la fracción de vapor de agua, se cumplirá:

m  mw  ma

SEPARACIÓN DEL AIRE Y DEL VAPOR DE AGUA EN DOS RECIPIENTES Supongamos que podamos separar el aire seco y el vapor de agua.

p  pa  pw Debe cumplirse por la Ley de DALTON que la suma de presiones parciales sea iguala la presión total que tenemos en el aire atmosférico.

SEPARACIÓN DEL AIRE Y DEL VAPOR DE AGUA EN DOS RECIPIENTES Para el aire seco contenido en el recipiente B podemos aplicar la ecuación de estado.

paV  ma RaT

Para el vapor de agua contenido en el recipiente C, podemos aplicar la ecuación de estado.

pwV  mw RwT Donde Ra =287 [J/kg K], es la constante característica del aire seco. Rw =461,5 [J/kg K], es la constante característica del vapor de agua.

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO a)

Temperatura de bulbo seco (BS).

b)

Temperatura de bulbo húmedo (BH)

c)

Temperatura del punto de rocío

d)

Relación de humedad

e)

Humedad relativa

f)

Entalpía del aire húmedo

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Temperatura de bulbo seco (BS).La temperatura medida por el bien conocido termómetro de mercurio se describe técnicamente como temperatura seca. Temperatura de bulbo húmedo (BH).Se determina esta temperatura colocando un paño sobre el bulbo de un termómetro corriente de mercurio, humedeciéndolo con agua y haciendo que el aire que deba medirse pase sobre el bulbo mojado a gran velocidad.

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Temperatura del punto de rocío (Tr).-

Se denomina punto de rocío del aire, o temperatura de rocío del aire, la temperatura a la cual empieza a producirse la condensación del vapor de agua. La representamos con el símbolo Tr. Relación de humedad (w).La representamos con el símbolo w y se define con el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y la masa de aire seco.

mw w ma

 kg de vapor de agua   kg de aire seco   

pw w  0,622 pa

p  pa  pw

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Humedad relativa (HR).Significa el grado de saturación de determinada muestra de aire y se expresa en tanto por ciento. La humedad relativa depende de la presión del vapor de agua presente y de la temperatura seca. La humedad relativa se define, como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación.

pw HR  pws

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Humedad relativa.El vapor de agua contenido en el aire se supone que está disuelto en el aire.

La capacidad de disolución del aire no es muy grande; si aumentase la cantidad de vapor llegaría un momento en que éste condensaría, para transformarse en agua líquida. Cuando llegamos a esta situación decimos que se ha alcanzado el estado de saturación. La presión parcial del vapor de agua se llama presión de saturación (pws)

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Las ecuaciones para obtener la relación presión de vapor-temperatura son bastante complicadas, sin embargo podemos utilizar la siguiente expresión:

pws  e Donde:

A    B lnT C  T 

A=6861,28 ºK B=5,2776 C=54,2598

[kPa]

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Entalpía del aire húmedo.Es la entalpía del aire húmedo (es decir la entalpía de una masa unitaria de aire seco más la masa X de vapor de agua contenida).

Primero se determinará la entalpía del vapor de agua, luego la del aire, sumándose posteriormente las dos. 𝑯𝒘 = y 𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔 (𝒕 − 𝟎) = y (𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔𝒕) Donde: calor latente de vaporización del agua a 0°C = 597,2 kcal/kg Calor especifico promedio del vapor de agua = 0,46 kcal/kg°C Humedad especifica (y) = kg vapor de agua/kg de aire seco

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO Entalpía del aire húmedo.𝑯𝒂 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝒕 − 𝟎 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝒕

Donde: Calor especifico promedio del aire seco= 0,24 kcal/kg°C

La entalpía del aire húmedo será la suma de los dos: 𝐇 = 𝟎, 𝟐𝟒 𝐭 + 𝒚 𝟓𝟗𝟕, 𝟐 + 𝟎, 𝟒𝟔𝐭 𝐇 = 𝟎, 𝟐𝟒 + 𝟎, 𝟒𝟔𝐲 𝐭 + 𝟓𝟗𝟕, 𝟐𝐲

PSICOMETRÍA La psicrometría es la ciencia que estudia las mezclas de aire y vapor de agua. La cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera es de gran importancia en el acondicionamiento del aire, ya que afecta al confort humano y determina la calidad de muchos productos manufacturados.

DIAGRAMA PSICOMÉTRICO Es un diagrama que relaciona múltiples parámetros relacionados con una mezcla de aire húmedo: temperatura, humedad relativa, humedad absoluta, punto de rocío, entalpía específica o calor total, calor sensible, calor latente y volumen específico del aire.

El diagrama no es constante, ya que es variable con la altura sobre el nivel del mar. Es usual en la bibliografía encontrarlo para la altura a nivel del mar.

Curva de saturación

CARTA PSICOMÉTRICA

TG1=50ºC HR=50%

Humedad de saturación

Humedad absoluta Y

Temperatura de Bulbo Seco

CARTA PSICOMÉTRICA

TG1=50ºC HR=50% Curva de saturación

tw1 Temperatura de Bulbo Seco

CARTA PSICOMÉTRICA

TG1=50ºC HR=50% Curva de saturación

tR˂tw1

tR Temperatura de Bulbo Seco

CARTA PSICOMÉTRICA

TG1=50ºC HR=50% Curva de saturación

V espe. A.saturado V espe. A.seco

Bulbo seco

Temperatura de Bulbo Seco

TALLER 1.- Que entiende por temperatura de bulbo seco, ponga un ejemplo. 2.- Que entiende por temperatura de bulbo húmedo ponga un ejemplo. 3.- Que entiende por humidificación 4.- Que entiende por humedad relativa 5.- Que es la entalpia de aire húmedo 6.- Para que se utiliza el equipo de torre de enfriamiento, ponga tres ejemplos.

7.- Para que se utiliza la carta psicométrica y que determinamos con ella. 8.- Como se determina la relación de humedad 9.- Como se da la transferencia de masa y energía en la humidificación 10.- Que equipo se utiliza en la humidificación y que partes lo componen 11.- Cual es la temperatura limite de enfriamiento del agua 12.- Como se clasifican las torres de enfriamiento por tiro mecánico

TALLER 13.- Se tiene aire húmedo con tg1= 38°C y tw1=25. Determinar: a. b. c. d. e. f. g.

Humedad relativa Humedad absoluta Humedad saturación Volumen especifico Calor especifico Temperatura de rocío Entalpia

14.- Determine gráficamente las siguientes propiedades del aire húmedo a 40°C y 760mm Hg a. b. c. d. e. f.

Humedad absoluta en condiciones de saturación Volumen especifico a saturación Temperatura húmeda Humedad relativa si la Tr es 20°C Humedad relativa y Tr si la temperatura húmeda es 25°C Temperatura húmeda y Tr si la humedad relativa es 60%

OPERACIONES DE CONTACTO GAS-LÍQUIDO El contacto de un gas con un líquido puede tener la siguiente finalidad: Enfriar un gas caliente Humidificar un gas Deshumidificar un gas Enfriar un líquido

ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE Es la más importante de las operaciones Gas- Liquido. El agua, caliente por haber pasado a través de intercambiadores de calor, condensadores y dispositivos semejantes se enfría por contacto directo con el aire atmosférico, para ser nuevamente utilizada. El calor latente del agua es tan grande que la evaporación de pequeñas cantidades de agua produce enfriamientos muy grandes. Generalmente es pequeño el régimen de transferencia de masa.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-DEFINICIÓN Las torres de enfriamiento son equipos utilizados en la industria con la finalidad de enfriar el agua en grandes volúmenes, de los diferentes procesos para su reutilización. Si se compara con otros equipos de enfriamiento, son el medio más económico para cumplir con el propósito de retirar el calor.

El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Esta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección (se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos) y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-FUNCIONAMIENTO En el interior de las torres se monta un empaque (relleno), aumenta la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua caliente.

Se colocan eliminadores de gotas o niebla (deflectores) atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la pérdida de agua.

El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos (boquillas) distribuir el agua en la mayor superficie posible.

En estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire.

Lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda. La temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura d bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-FUNCIONAMIENTO

DIAGRAMA DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-COMPONENTES 1.

Estructura metálicas, madera o plástico.

2.

Parte Mecánica:

a.

Extractor de aire

b.

Motores

3.

Material de relleno.- Aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

4.

Sistema de distribución de agua:

a. Líneas de agua (caliente – fría) b. Linea de agua de compensación c. Linea de purga d. Linea de llenado

5.

Cubierta de distribución

6.

Desviadores de flujo de aire

7.

Eliminadores de gota (deflectores)

8.

Piscina de recepción de agua enfriada

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-COMPONENTES EXTRACTOR

DISTRIBUIDOR DE AGUA

Puede ser centrífugo o axial.

El distribuidor es un tubo o un canal que contiene las boquillas de aspersión de agua o los puntos de caída de agua. Debe lograr una distribución uniforme del agua sobre toda la sección transversal de la torre.

Ventilador centrífugo de una Torre de tiro forzado y contraflujo.

Extractor Axial de una Torre de tiro inducido y flujo cruzado.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-COMPONENTES ELIMINADOR DE GOTA (CORTA GOTAS) Sirven para evitar que el aire que sale de la torre acarree pequeñas gotas de agua.

RELLENOS El relleno es el componente más importante de una torre de enfriamiento. Utilizar rellenos permite diseñar torres más compactas (pequeñas).

Su función es lograr una mayor superficie de contacto aire-agua (maximizar la interfase) y prolongar el tiempo de caída del agua.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-COMPONENTES RELLENOS COMERCIALES Existen diversos modelos según la aplicación (temperaturas, tipo de agua, impurezas en el agua, tipo de torre, etc.). Para seleccionar el relleno adecuado para determinada aplicación hay que recurrir al catálogo del fabricante.

EQUIPOS PARA ENFRIAMIENTO DE AGUA CON AIRE-COMPONENTES RELLENOS ALTERNATIVOS Son alternativas disponibles fácilmente en el Ecuador.

Un opción común es la utilización de hueveras plásticas pegadas unas con otras para generar el relleno. Este relleno es resistente a la corrosión y tiene buenas características para la transferencia de calor y masa en torres de enfriamiento.

Torres de enfriamiento

CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO Circulación Natural

Atmosféricas Tiro natural

Movimiento de aire

Contraflujo Tiro Inducido Tiro Mecánico

Tiro forzado (Solo contraflujo)

Flujo Cruzado

TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL

Atmosféricas Tiro natural

TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL Atmosféricas

Básicamente es una ducha de agua caliente. No tienen ventiladores, el aire proviene de corriente atmosféricas (viento). No tienen relleno. Son torres muy voluminosas.

Torres atmosféricas. Son simples duchas de agua caliente dentro de caja, sin relleno y sin ventilador. Las barajas sirven para evitar que gotas de agua salpiquen.

TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL Tiro Natural Llamadas también «hiperbólicas», por su forma.

torres

El aire es succionado por diferencias de densidad de aire entre base y tope (como en chimeneas) + efecto Venturi. Para grandes flujos (centrales térmicas).

de

Tienen rellenos de baja solidez.

aguas

Torres de Enfriamiento de Central Nuclear de Mochovce, Eslovaquia.

TORRES DE TIRO MECÁNICO

Tiro Inducido Tiro forzado

TORRES DE TIRO MECÁNICO: INDUCIDO Contraflujo

El ventilador está arriba y SUCCIONA el aire a través de la torre (P negativa).  Tienen rellenos compactos. El ventilador es de tipo axial.

TORRES DE TIRO MECÁNICO: INDUCIDO Flujo cruzado

El aire circula perpendicular al flujo de agua. Son de baja altura. Usan rellenos compactos.

TORRES DE TIRO MECÁNICO: FORZADO Contraflujo

El aire es forzado por el ventilador que está abajo. Usan rellenos compactos. El ventilador puede ser axial o centrífugo (usualmente). Diseño más común en la industria.