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La operación unitaria de humidificación (página 2)

Enviado por Palmer Pulla



Partes: 1, 2

La mayor parte de los alimentos que producimos, almacenamos y distribuimos contiene elevadas porciones de agua en sus tejidos, como puede comprobarse en la tabla Nº 01 en la cual se recogen algunos ejemplos:

Tabla Nº 01. Contenido de agua de algunos alimentos.

Frutas

(%)

Carnes

(%)

Melocotón………………..

Albaricoque……………...

Cereza……………………

Naranja…………………..

Pera………………………

Manzana…………………

Plátano…………………..

Fresa……………………

88

86

82

84

83

83

75

89-91

Vaca……………………

Ternera………………..

Cordero…………….....

Cerdo……………….....

Gallina………………..

73-76 (según zona)

74 (muslo)

71,6 (paletilla)

60,2 (pierna)

74,0

Hortalizas

Leches

Acelgas…………………...

Lechuga………………….

Repollo…………………...

Espárragos………………

Judías verdes……………

Tomate…………………..

Melón……………………

89

92

86

94

89

94

89

Leche de vaca………....

86,6

Fuente: Amigo, P. (2000).

Por otra parte los vegetales que consumimos en estado fresco, como las frutas y hortalizas, aun después de recolectadas, continúan realizando sus funciones vitales, entre ellas la respiración y la transpiración e intercambian agua, en forma de vapor, con la atmósfera que las rodea. El fenómeno transcurre con mayor o menor intensidad, en función de la actividad fisiológica del producto que está íntimamente relacionada con factores como temperatura del ambiente y su humedad. Esto conlleva perdidas de peso, tanto más rápidas y cuantiosas cuanto más baja es la humedad de la atmósfera en cuestión.

Las pérdidas de peso a temperatura ambiente son muy elevadas; se manejan cifras del orden del 10 al 15 por 100 diarias. Para prevenirlas, es conveniente conservar los productos en cámaras a temperaturas bajas y humedad relativa alta y así reducir dichas pérdidas.

La humedad del aire es un factor esencial para evitar las pérdidas de peso en frutas y hortalizas. Estas pérdidas se traducen en una menor turgencia, que les produce la apariencia de un producto viejo y "cansado" y en definitiva en su devaluación comercial.

En las hortalizas, perdidas de humedad entre el 5 y el 10 por 100 dan lugar a la aparición de fenómenos de marchites, que son detectables a simple vista y que provocan la depreciación del producto.

Vemos pues como el contenido de humedad de los tejidos vegetales está íntimamente ligado a la amplitud de su periodo de conservación y a las condiciones en que esta se realiza.

Las pérdidas de peso y modificaciones en la textura de los alimentos son parámetros de importancia capital, a considerar en la aplicación de técnicas poscosecha y en la fase de distribución comercial de los alimentos perecederos que no se pueden ignorar.

Pero tampoco una humedad muy alta en la cámara de conservación representa la solución definitiva para los problemas de la pérdida de peso y envejecimiento de los productos, pues la humedad excesiva produce fisiopatías, y favorece el desarrollo de enfermedades criptogámicas.

El contenido de humedad, juega un papel diferente en otros productos, así los granos y semillas de cereales y leguminosas, y las pepitas de girasol, deben tener un bajo porcentaje de humedad si se pretenden conservar adecuadamente. Las normativas comunitarias establecen para los cereales contenidos máximos en el entorno del 13 al 15 por 100.

Así pues, el conocimiento de las propiedades del aire húmedo, se medida y regulación se hacen imprescindibles como técnicas a manejar, tanto en el almacenamiento y conservación de las producciones de origen vegetal y animal.

Definiciones básicas

Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua; en lo que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor las ecuaciones que indicaremos a continuación.

Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de los gases ideales, la presión total ejercida por la mezcla será igual a la suma de la presión parcial del gas y de la presión parcial del vapor; o sea:

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Es decir, la fracción molar es igual a la composición en volumen.

A continuación definiremos los conceptos involucrados en la operación de humidificación, así como también se presentaran ejemplos prácticos por cada concepto según corresponda.

  •  Humedad molar o saturación molar

Es la relación entre los números de moles de vapor y de gas contenidos en una determinada masa gaseosa.

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  •  Humedad absoluta o saturación absoluta

Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa

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Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y el gas.

Para el caso de la mezcla aire – agua, el contenido en humedad se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Las unidades en que se expresan el contenido de humedad son kg de agua/kg aire seco. Es así que tomando para el aire un peso molecular medio igual a 29, tendremos:

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  •  Ejemplo de aplicación

En una mezcla de vapor de tolueno y nitrógeno a 80º C y 740 mm de Hg, la presión parcial del tolueno es 150 mm de Hg. Calcúlese la concentración de tolueno:

  • a. en fracción molar

  • b. en saturación molar

  • c. en saturación absoluta

Peso molecular del tolueno = 92

Peso molecular del nitrógeno = 28

Solución:

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  •  Humedad relativa o saturación relativa

La humedad relativa (f), es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%, 30%, etc.

Es el cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión de vapor a la misma temperatura.

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  •  Humedad porcentual o saturación porcentual

La humedad porcentual, es un término que algunas veces se confunde con la humedad relativa. La humedad porcentual, es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco.

Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera saturada.

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  •  Ejemplo de aplicación

Una mezcla aire – vapor de agua contiene el 24 % en volumen de vapor de agua, a 70º C y 750 mmHg. Calcúlese la humedad relativa y la humedad porcentual.

Solución: La presión parcial del vapor de agua será:

Pv = 0,24 x 750 = 180 mmHg

La tensión de vapor a 70º C (dato de tablas) es 233, 7 mmHg.

La humedad relativa será:

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  •  Punto de rocío

El punto de rocío se define como: la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La humedad relativa de una muestra de aire, puede determinarse por su punto de rocío.

Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se continua enfriando la mezcla se ira condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación.

Tabla Nº 02. Temperatura de superficie a las que habrá condensación

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Fuente: http://www.emersonclimatemexico.com/mt/mt_cap_13.pdf

  •  Volumen especifico del gas húmedo

Es el volumen ocupado por la mezcla que contiene 1 kg de gas, y viene dado por

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  •  Calor especifico del gas húmedo

Es el calor que hay que suministrar a 1 kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1º C su temperatura, manteniendo constante la presión.

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  •  Entalpía especifica

Es la suma del calor sensible de 1 kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene a la temperatura a la que se refieran las entalpías.

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  •  Ejemplo de aplicación

La presión parcial del vapor de agua en una masa de aire húmedo a 30º C y 740 mmHg es 14 mmHg. Calcúlese:

  • a. El punto de rocío.

  • b. La humedad absoluta.

  • c. El calor especifico.

  • d. El volumen especifico.

  • e. La entalpía especifica.

Solución: a. En las tablas de vapor de agua encontramos que la tensión de vapor de agua es de 14 mmHg a 16, 4º C; por tanto, al enfriar la masa de aire húmedo en las condiciones del problema hasta 16,4º C, se alcanzan las condiciones de saturación, y será esta su temperatura de rocío.

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  •  Temperatura húmeda o temperatura del termómetro húmedo

Es la temperatura estacionaria que alcanza una pequeña masa de líquido sumergida, en condiciones adiabáticas, en una corriente de aire, figura 8.1. La temperatura de termómetro húmedo se determina a partir del siguiente ensayo. Se recubre el bulbo de un termómetro con un algodón empapado con el líquido del vapor presente en el gas, a continuación se hace pasar a su alrededor una corriente de gas no saturado a alta velocidad. Parte del líquido se evapora, por lo que va descendiendo la temperatura del líquido, que al ser inferior a la del gas, tiene lugar una transmisión de calor desde el gas al líquido.

En el equilibrio, la transmisión de calor desde el gas, es igual al calor necesario para vaporizar el líquido en contacto con el bulbo. La temperatura que marca el termómetro es la temperatura húmeda. La velocidad con que se alcanza este punto depende de la temperatura inicial y de la velocidad de flujo del gas sobre la superficie líquida. La temperatura y humedad del gas prácticamente no se altera.

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Figura Nº 1. Fenómeno del termómetro de bulbo húmedo

Es la temperatura límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto con una masa mucho mayor de gas húmedo.

Puede determinarse a partir de una de las relaciones siguientes:

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Sus valores para mezclas de aire con diferentes vapores son:

Tabla Nº 03. Valores para mezclas de aire con diferentes vapores

Agua…………………...

Metanol………………..

Etanol………………….

Propanol……………….

Butanol………………...

0,222

0,293

0,345

0,373

0,412

Sulfuro de carbono………………

Benceno………………………….

Acetato de etilo………………….

Tolueno………………………….

Clorobenceno…………………….

0,359

0,400

0,412

0,415

0,453

Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

  •  Temperatura de saturación adiabática

En el sistema anterior ni la humedad ni la temperatura del gas cambian apreciablemente. Sin embargo, si el gas pasa sobre el líquido con una velocidad tal que el tiempo de contacto es suficiente para que se establezca el equilibrio, el gas se satura y alcanzan la misma temperatura, la cual se conoce como temperatura de saturación adiabática. En este sistema, por estar aislado, el calor sensible que pierde el gas es igual al calor latente del líquido evaporado.

Las condiciones anteriormente descritas se alcanzan en una columna de humidificación, térmicamente aislada de altura infinita; a través del cual un gas de temperatura y humedad iniciales determinadas, fluye en contracorriente con el líquido. La diferencia de temperatura y humedad son máximas en el fondo y mínimas en la cima de la columna; la velocidad de transferencia de calor y de materia disminuye progresivamente desde el fondo hasta la cima de la torre.

En la figura Nº 2, se ilustra el proceso de saturación adiabática a través de dos esquemas diferentes pero con el mismo significado. El calor de vaporización del líquido procede del calor sensible del gas, la temperatura del gas desciende desde ? a ?s y la humedad crece de H a Hs; como queda reflejado en la siguiente ecuación (s es cte. para pequeñas variaciones de H).

(?-?s)s=(Hs-H)? ó (H-Hs)=-(s/?)(?-?s)

La ecuación muestra una relación lineal entre la humedad y la temperatura para todas las mezclas de gas y vapor que tengan la misma temperatura de saturación adiabática. Estas curvas para gases con una determinada temperatura de saturación adiabática se conocen como línea de enfriamiento adiábatico.

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Figura Nº 2. Temperatura de saturación adiabática. A: cámara de pulverización; B: bomba de circulación; C: pulverizadores. (Abajo).

Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas. Se denomina por medio de la expresión:

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Para el caso aire – vapor de agua de la temperatura húmeda y el de la temperatura de saturación adiabática prácticamente coinciden, y nosotros tomaremos indistintamente una u otra.

  •  Ejemplo de aplicación

Las tensiones de vapor del etanol a diversas temperaturas son las siguientes:

Tabla Nº 04. Valores de tensión de vapor del etanol a diversas temperaturas.

T, º C

P, mmHg

T, º C

P, mmHg

0

5

10

15

20

25

12,2

17,3

23,6

32,2

43,9

59,0

30

35

40

45

50

55

78,8

103,7

135,3

174,0

222,2

280,6

Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

Calcúlese:

  • a. Las humedades de saturación a 10º C, 20º C, 25º C, 30º C y 40º C para la presión total de 1 atm.

  • b. Las humedades absolutas para las condiciones de a si la humedad relativa es de 30%.

  • c. La temperatura humedad a 50º C si la humedad relativa es del 30 %.

  • d. La temperatura de saturación adiabática en las condiciones de c, tomando para el calor especifico del etanol, como vapor, el valor de 0,345 kcal/kg.º C.

Solución:

  • a. La humedad de saturación vendrá dada por la expresión:

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Los valores calculados para las distintas temperaturas son:

T, º C

10

20

25

30

40

50

Y, kg etanol/kg aire

0,0508

0,0972

0,1335

0,1834

0,3436

0,6553

  • b. La humedad absoluta en las condiciones indicadas será:

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Y los resultados calculados son:

T, º C

10

20

30

40

50

Y, kg etanol/kg aire

0,0149

0,0280

0,0509

0,0895

0,1526

  • c. La temperatura húmeda se determina de acuerdo con la siguiente ecuación. Sabiendo que para la mezcla el coeficiente hc/kY vale 0,345, luego tendremos:

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Hemos de resolver esta ecuación por tanteo, teniendo en cuenta que Yw es la humedad de saturación a la temperatura tw.

1. er tanteo: temperatura supuesta tw = 25º C. Para esta temperatura el valor de ? w determinado en la grafica (tabla A-12, tomado de Ocon y Tojo, 1980) es 238 kcal/kg, y el valor calculado para Yw es:

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A esta humedad le corresponde la temperatura tw de 30,3º C (por extrapolación de los datos del apartado a).

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Diagrama psicrométrico o diagrama de humedad

El diagrama psicrométrico permite la obtención mediante lectura directa de la mayoría de las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua que son necesarias en los cálculos a realizar en la operación de humidificación, para una presión determinada.

En la figura Nº 3, se muestra una carta psicrométrica básica. Está hecha con datos basados a la presión atmosférica normal de 101.325 kPa, y las unidades son las del Sistema Internacional, S.I. Las temperaturas están en grados centígrados; el volumen en m³/kg; la humedad relativa en porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y la entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un kJ/kg = 0.239 kcal/kg = 0.430 btu/lb.

En una carta psicrométrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia son las siguientes:

  • 1. Temperatura de bulbo seco (bs).

  • 2. Temperatura de bulbo húmedo (bh).

  • 3. Temperatura de punto de rocío (pr)

  • 4. Humedad relativa (hr).

  • 5. Humedad absoluta (ha).

  • 6. Entalpía (h).

  • 7. Volumen específico.

Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de la carta.

A continuación se muestra la carta psicrométrica para valores de temperaturas normales y una presión de 1 atm. Dejando en claro que existen cartas psicrométricas de mayor amplitud de lectura.

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Figura Nº 3. Carta psicrométrica a temperaturas normales y presión barométrica de 101.325 kPa (al nivel del mar). Las unidades están en el sistema internacional (SI).

  • Temperatura de Bulbo Seco.- En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya sabemos, es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte baja de la carta, según se muestra en la figura Nº 4.

Las líneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman líneas de temperatura de bulbo seco constantes, o simplemente "líneas de bulbo seco". Son constantes porque cualquier punto a lo largo de una de estas líneas, corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la escala de la parte baja. Por ejemplo, en la línea de 40º C, cualquier punto a lo largo de la misma, corresponde a la temperatura de bulbo seco de 40º C.

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Figura Nº 4. Líneas de temperatura de bulbo seco º C.

  • Temperatura de Bulbo Húmedo.- Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicrométrica. Corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se explicó en la sección anterior, es la temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo de un termómetro ordinario.

La escala de temperaturas de bulbo húmedo, es la que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura Nº 5. Las líneas de temperatura de bulbo húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo, corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, en un ángulo de aproximadamente 30o de la horizontal. También se les dice constantes, porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas, están a la misma temperatura de bulbo húmedo.

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Figura Nº 5. Líneas de temperatura de bulbo húmedo º C.

  • Temperatura de Punto de Rocío.- Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicrométrica. Esta es la temperatura a la cual se condensará la humedad sobre una superficie. La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la escala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la misma escala para ambas propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura de punto de rocío, corren horizontalmente de izquierda a derecha, como se ilustra en la figura 13.14, no en forma diagonal como las de bulbo húmedo (ver figura Nº 6).

Cualquier punto sobre una línea de punto de rocío constante, corresponde a la temperatura de punto de rocío sobre la escala, en la línea curva de la carta.

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Figura Nº 6. Líneas de temperatura de punto de rocío º C.

  • Humedad Relativa.- En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativa constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada línea.

Como ya hicimos notar previamente, la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío, comparten la misma escala en la línea curva a la izquierda de la carta. Puesto que la única condición donde la temperatura de bulbo húmedo y el punto de rocío, son la misma, es en condiciones de saturación; esta línea curva exterior, representa una condición de saturación o del 100% de humedad relativa. Por lo tanto, la línea de 100% de hr, es la misma que la escala de temperaturas de bulbo húmedo y de punto de rocío.

Las líneas de hr constante, disminuyen en valor al alejarse de la línea de saturación hacia abajo y hacia la derecha, como se ilustra en la figura Nº 7.

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Figura Nº 7. Líneas de humedad relativa %.

  • Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire. También se le conoce como humedad específica. La escala de la humedad absoluta, es la escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado derecho de la carta psicrométrica, como se indica en la figura Nº 8.

Los valores de esta propiedad se expresan, como ya sabemos, en gramos de humedad por kilogramo de aire seco (g/kg), en el sistema internacional, y en granos por libra (gr/lb), en el sistema inglés.

Las líneas de humedad absoluta, corren horizontalmente de derecha a izquierda, y son paralelas a las líneas de punto de rocío y coinciden con éstas. Así pues, podemos ver que la cantidad de humedad en el aire, depende del punto de rocío del aire.

A continuación, veremos algunos ejemplos sencillos del uso de la carta psicrométrica, con las cinco propiedades físicas descritas hasta este punto. Luego, veremos las demás propiedades que faltan por estudiar. Como se mencionó anteriormente, conociendo dos de estas propiedades del aire, se pueden determinar las demás con el uso de la carta psicrométrica.

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Figura Nº 8. Líneas de humedad absoluta en gramos/kg.

  • Ejemplo de aplicación

Supongamos que con un psicrómetro se tomaron las lecturas de las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo, siendo éstas de 24oC y de 17oC, respectivamente. ¿Cuál será la humedad relativa?

Refiriéndonos a la carta psicrométrica de la figura Nº 9, encontramos la temperatura de bulbo seco (24oC) en la escala inferior, y la temperatura de bulbo húmedo (17oC) en la escala curva del lado izquierdo de la carta. Extendiendo estas dos líneas, se intersectan en el punto "A". A partir de este punto, se puede determinar toda la demás información. La humedad relativa es de 50%.

En esa misma muestra de aire, ¿cuál será el punto de rocío? Partiendo del punto "A" y desplazándonos hacia la izquierda en forma horizontal, la línea corta a la escala de temperatura de punto de rocío en 12.6oC.

¿Cuál será la humedad absoluta? Partiendo nuevamente del punto "A", en forma horizontal, pero hacia la derecha de la carta, la línea intersecta en la escala de humedad absoluta en un valor de 9.35 g/kg de aire seco.

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Figura Nº 9. Ejemplo del uso de la carta psicrométrica.

  • Ejemplo de aplicación

A una muestra de aire se le midió la humedad relativa, utilizando un higrómetro y ésta es de 60%. Si la temperatura de bulbo seco es de 27º C, ¿cuál será el punto de rocío?

Encontramos el punto donde la temperatura de 27º C de bulbo seco, cruza con la línea de 60% de hr, en la figura Nº 9. A este punto lo llamamos "B". Si la muestra de aire en estas condiciones fuera enfriada, sin cambiar su contenido de humedad, lo cual está representado en la carta psicrométrica como una línea horizontal, la línea del punto de rocío seria intersectada aproximadamente en 18.8º C.

  • Ejemplo de aplicación

Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo seco es de 32º C, y el contenido de humedad (presión del vapor de agua) es de 14 g/kg de aire seco.

Primero, se encuentra la línea vertical que representa la temperatura de bulbo seco constante de 32º C. Subiendo a lo largo de esta línea, hasta cruzar la línea horizontal que representa 14 g de humedad por kg de aire seco. A la intersección le llamamos punto "C", (ver figura Nº 9). Este punto cae entre las líneas de 40% y 50% de humedad relativa. La respuesta sería una humedad relativa de 47%.

  • Entalpía.- Las líneas de entalpía constantes en una carta psicrométrica, son las que se muestran en la figura Nº 10.

Debe notarse que estas líneas, son meramente extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total del aire, depende de la temperatura de bulbo húmedo. La escala del lado izquierdo lejana a la línea curva, da el calor total del aire en kJ/kg (kilojoules por kilogramo) de aire seco, en el sistema internacional o en btu/lb de aire seco, en el sistema inglés. Esta escala aumenta de -6 kJ/kg a la temperatura de -10oC de bulbo húmedo, hasta aproximadamente 115 kJ/kg a 33oC de bulbo húmedo.

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Figura Nº 10. Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco.

  • Volumen Específico.- En la figura Nº 11, se muestran las líneas del volumen específico constante en una carta psicrométrica. Estas líneas están en un ángulo aproximado de 60o con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general, el espacio entre cada línea, representa un cambio de volumen específico de 0.05 m³/kg. Cualquier punto que caiga entre dos de estas líneas, naturalmente debe ser un valor estimado. Si se desea saber la densidad del aire a cualquier condición, como ya sabemos, se debe dividir uno entre el volumen específico, puesto que la densidad es la inversa del volumen específico y viceversa. Debido a que la mayoría de los cálculos en trabajos de aire acondicionado, se basan en el peso del aire en lugar del volumen de aire, se recomienda el uso del volumen específico (m³/kg de aire) en vez de la densidad (kg/m³ de aire).

Ahora, echemos un vistazo a la carta psicrométrica de la figura Nº 3. Su constitución consiste de la sobreimposición de las siete propiedades descritas, ocupando la misma posición relativa sobre la carta. En la descripción de cada una de las siete propiedades, se definió la línea constante como una línea que puede contener un número infinito de puntos, cada uno a la misma condición; esto es, si fuésemos a trazar una sola condición del aire, tal como la temperatura del bulbo seco sobre la carta psicrométrica, ésta podría caer en cualquier punto sobre la línea constante, correspondiente a esa temperatura de bulbo seco.

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Figura Nº 11. Líneas de volumen específico en m3/kg de aire seco.

Pero ahora, en la carta psicrométrica compuesta, tenemos un número de líneas que se cruzan una con otra; así que si trazamos un punto sobre una línea de bulbo seco constante, este punto también corresponderá a diferentes valores sobre las líneas constantes para la temperatura de bulbo húmedo, punto de rocío, humedad relativa, volumen específico, humedad específica y entalpía.

Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas constantes se cruzaran en un punto común sobre la carta, podremos trazar ese punto exactamente, si conocemos dos de cualquiera de esas propiedades del aire. A partir de este punto, podemos entonces movernos a lo largo de las respectivas líneas constantes para las otras propiedades del aire, y podemos leer el valor en sus escalas respectivas, sin tener que recurrir al problema de calcularlos, con las tablas psicrométricas. Aunque este método no es tan preciso como el método de las tablas, es mucho más rápido, y el grado de precisión es suficientemente cercano para fines prácticos.

  • Ejemplo de aplicación

Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de bulbo seco (35º C) y bulbo húmedo (22º C), ¿cuáles serán las demás propiedades?

Primero, trazamos un punto donde estas dos líneas se cruzan, como se muestra en la figura Nº 12, y lo marcamos como punto "A". Este es el único punto en la carta donde existen estas dos condiciones (35º C bs y 22º C bh). Las demás condiciones pueden encontrarse fácilmente, simplemente nos desplazamos a lo largo de la línea constante correspondiente, leyendo el valor en esa escala.

El orden no es importante, y puede comenzarse por cualquier propiedad. Por ejemplo, la temperatura de punto de rocío. Para determinarla, partimos del punto "A", horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y donde cruza la escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la temperatura de punto de rocío, ya que es la misma escala, puesto que en esa línea curva el aire está en su condición de saturación. La temperatura de punto de rocío para este ejemplo es de 15.8º C (punto "B").

El contenido de humedad se determina sobre la escala del lado derecho de la carta; por lo que, partiendo del punto "A", nos desplazamos horizontalmente hacia la derecha, y cruzamos la escala en aproximadamente 11.3 g/kg de aire seco (punto "C").

La humedad relativa se determina por la posición del punto "A", con respecto a las líneas de humedad relativa de la carta. Examinando de cerca este punto, vemos que está aproximadamente a una quinta parte de la distancia entre las líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que podemos estimar que la hr es de 32%.

La ubicación del punto "A", con respecto a las líneas constantes del volumen específico, indica que cae aproximadamente a 4/5 partes de la distancia entre la línea de 0.85 y 0.90 m³/kg de aire seco, (4 ÷ 5 = 0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m³/kg entre una línea y otra, podemos estimar que el volumen específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, o sea 0.89 m3/kg de aire seco, 0.85 + (0.80 x 0.05) = 0.89. La densidad sería lo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 = 1.12 kg/m3.

Extendiendo la línea constante de bulbo húmedo, de 22º C directo hacia arriba y a la izquierda, hasta cortar la escala de calor total o entalpía (punto "D"), podemos leer que la entalpía del aire es de 64.6 kJ/kg de aire seco. Para convertir kilojoules por kilogramo a kilocalorías por kilogramo, dividimos los kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44 kcal/kg). Para convertir los kJ/kg a btu/lb, se dividen los kJ/kg entre 2.326 (64.6 kJ/kg ÷ 2.326 = 27.77 btu/lb).

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Figura Nº 12. Ejemplo del uso de la carta psicrométrica para encontrar las propiedades del aire.

Métodos de determinación de humedad

Un volumen conocido de gas se hace pasar sobre un absorbente y se mide el aumento de peso de éste. Como absorbentes se puede utilizar pentóxido de fósforo (P2O5) disperso sobre piedra pómez; también se puede utilizar ácido sulfúrico concentrado.

  •  Determinación de la temperatura húmeda

  •  La ecuación:

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Permite obtener la humedad de un gas en función de la temperatura, temperatura húmeda y diferentes propiedades de gas y del vapor.

  •  Mediante el diagrama psicométrico entrando con la temperatura del gas y la temperatura húmeda.

  •  Determinación del punto de rocío

Mediante el enfriando de una superficie altamente pulimentada en contacto con el gas y observando la temperatura más alta para la cual se produce condensación.

  •  Higrómetro de cabello o fibra

La longitud de un cabello o fibra se modifica por la humedad de la atmósfera próxima. El aparato necesita un calibrado frecuente debido a que el cero tiende a desplazarse.

  •  Medida de la conductividad de una fibra

Una fibra se impregna con un electrolito, cloruro de litio, su resistencia eléctrica está en función de su contenido de humedad, que a su vez depende de la humedad atmosférica en la que se encuentre. El sistema va acompañado de dos electrodos que mide la intensidad de corriente que circula, para un voltaje constante aplicado; con ello se obtienen lecturas directas de humedad relativa

Métodos para incrementar o disminuir la humedad de una masa de aire

  •  Incremento de la humedad, humidificación

  • Adición de vapor directamente en la cantidad requerida; tiene lugar un ligero aumento de la temperatura del gas-vapor, presente el inconveniente que las posibles impurezas del vapor pasan al gas.

  • Pulverización de agua en el gas para que por evaporación completa, aumente la humedad en la cantidad deseada.

  • Mezcla de gases de distinta humedad.

  • El gas se pone en contacto con el agua de tal forma que solo se evapore parte del líquido (el método más frecuente). Para conseguir una elevada velocidad de humidificación se procura que el área de contacto entre el aire y el agua sea lo más grande posible. Esto se consigue mediante una lluvia fina o una columna de relleno, se produce evaporación si la temperatura del agua es superior al punto de rocío del aire, figura Nº 13.

  •  Disminución de la humedad, deshumidificación

  • Puesta en contacto de aire húmedo con una superficie fría (líquido o sólido) a una temperatura inferior al punto de rocío del gas.

  • Compresión del aire y enfriamiento hasta su temperatura inicial y posterior retirada del agua condensada. Durante la compresión aumenta la presión parcial del vapor y alcanza más fácilmente las condiciones de saturación.

Enfriamiento de agua: torres de enfriamiento

En los diferentes procesos de producción hay puntos en los que es necesario eliminar calor, siendo el agua el fluido utilizado en la mayoría de los casos. El consumo progresivo de agua, el precio creciente y la escasez, en algunos casos, aconsejan emplear circuitos cerrados de refrigeración. La reutilización del agua obliga a que ésta sea enfriada, para lo cual se usan torres de enfriamiento, empleando como refrigerante el aire.

La torre de enfriamiento es una instalación en la que se pone en contacto el agua a enfriar con el aire en contracorriente. El aire no saturado en contacto con el agua tiende a aumentar su humedad; el agua al evaporarse toma el calor latente de vaporización de ella misma y por consiguiente se enfría.

Una torre de refrigeración es un intercambiador de calor de tipo evaporativo y contacto directo. Se produce paso de calor de un fluido a otro; el enfriamiento (un 90%) es debido al intercambio de masa entre los dos fluidos por evaporación de parte del agua. El agua entra por la parte superior de la torre. En su interior hay un relleno (tablillas de madera, plástico, fibra, cemento) que mejora el contacto y favorece el intercambio de masa y calor. Otros componentes importantes de una torre de enfriamiento son:

  • Sistema de distribución del agua, para repartir uniformemente el agua caliente sobre el relleno. Se emplean tuberías con toberas de presión para pulverizar el agua.

  • Separador de gotas, situado encima de la entrada de agua y antes de que la corriente de aire abandone la torre. Evitan el arrastre de gotas de agua fuera de la torre.

  • Balsas para la recogida del agua fría.

  • En las torres de tiro forzado, ventilador o extractor (torres grandes).

  • Todo soportado sobre estructuras construidas de hormigón armado, ladrillos, poliéster.

  •  Tipos de torre de enfriamiento

  •  Torre de enfriamiento de tiro natural.- Las torres pueden ser de tiro natural, figura Nº 13, el aire circula por el efecto chimenea producido por la presencia en la torre de aire y vapor con una temperatura más alta y que por tanto es menos densa que el aire atmosférico y es capaz de ascender. Alcanzan alturas entre 100 y 140 m. El 10 o 12 % de la altura lo ocupa el relleno, la parte superior está vacía y sirve para aumentar el tiro.

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Figura Nº 13. Torre de enfriamiento de tiro natural.

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Figura Nº 14. Torre de enfriamiento de tiro natural.

  •  Torre de enfriamiento de tiro forzado o inducido.- En las que el aire circula por la acción de un ventilador o un extractor.

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Figura Nº 15. Torre de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido.

  • Descripción del funcionamiento de la torre de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido

  • Enfriador evaporativo semiencerrado.

  • El aire entra en la torre por la parte inferior y sale por la superior.

  • El agua caliente (proceso) se bombea hacia la parte superior y se rocía sobre la corriente de aire.

  • Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría el agua restante.

  • La temperatura y contenido de humedad del aire aumentan durante el proceso.

  • El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre y se envía a proceso.

  • El agua de reemplazo debe añadirse para sustituir el agua perdida por evaporación y por el arrastre de agua.

Mecanismos de interacción del gas y del líquido

En las figuras 16, 17, 18 y 19 se representan las distintas medidas en dirección perpendicular a la interfase en abscisas y las temperaturas y humedades en ordenadas. ?x es la temperatura global del líquido; ?i es la temperatura de la interfase; ?y es la temperatura global del gas; Hi es la humedad en la interfase; H es la humedad global del gas.

El trazo discontinuo representa difusión de vapor a través de la fase gaseosa; el trazo continuo indica flujos de calor latente y sensible a través de las fases líquida y gaseosa.

La figura Nº 16, corresponde a un proceso de humidificación, el flujo de calor latente de vaporización desde el líquido hacia el gas es igual al flujo de calor sensible desde el gas hacia el líquido. La temperatura del gas ha de ser mayor que la temperatura en la interfase; la humedad es mayor en la interfase.

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Figura Nº 16. Condiciones de humidificación adiabática.

En la figura Nº 17, se representan las condiciones de deshumidificación, en este caso la humedad es mayor en el gas que en la interfase, y por tanto, el vapor difunde hacia la interfase. Hi y ?i representan un gas saturado y ?y tiene que ser mayor que ?i. Lo que indica que para retirar vapor de un gas no saturado hay que ponerlo en contacto directo con un líquido suficientemente frío.

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Figura Nº 17. Condiciones de deshumidificación.

En una torre de enfriamiento en contracorriente las condiciones dependen de que la temperatura del gas sea superior o inferior a la temperatura de la interfase. En la parte superior de la columna la temperatura del gas es inferior a la de la interfase; los fenómenos que tienen lugar se muestran el la figura Nº 18.

El líquido se enfría por evaporación y por transmisión de calor sensible desde la interfase hasta el gas; la bajada de temperatura a través del líquido tiene que ser suficiente para producir una velocidad de transmisión de calor que asegure los dos flujos de calor.

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Figura Nº 18. Condiciones en la parte superior de una torre de enfriamiento.

En la parte inferior de una torre de enfriamiento la temperatura del gas es superior a la temperatura de la interfase, figura Nº 19. El líquido se enfría, la interfase tiene que estar más fría que la masa global de líquido, de forma que el gradiente de temperatura a través del líquido es hacia la interfase. Existe un flujo de calor sensible desde la masa global del gas hacia la interfase. El flujo de vapor hacia fuera de la interfase transporta, como calor latente, todo el calor sensible suministrado a la interfase desde ambos lados.

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Figura Nº 18. Condiciones en la parte inferior de una torre de enfriamiento.

Bibliografía

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  • McCabe W. y Smith J. (1991). "Operaciones Básicas de Ingeniería" Editorial Reverté. España.

  • Perry, D. y Chilton C. (1982). "Manual del Ingeniero Químico" Ed. Mc Graw-Hill.

  • http://www.montes.upm.es/Dptos/DptoIngForestal/OperacionesBasicas/Docencia/PDF/OpBas%20pdf/Tema%208.pdf

  • http://www.emersonclimatemexico.com/mt/mt_cap_13.pdf

 

 

Autor:

Ing. Agroind. Palmer Vicente Pulla Huillca

UNIVERSIDAD NACIONAL AMAZÓNICA DE MADRE DE DIOS

Facultad de Ingeniería

Monografias.com

Escuela Académica Profesional de Ingeniería Agroindustrial

Curso:

Ingeniería de Operaciones Agroindustriales II

Puerto Maldonado – Perú

2010

Partes: 1, 2


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