1

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Sem. 2008-2

Sexta Serie de Problemas

Sistema Aire-Agua 1.- Un reporte de las condiciones climatológicas indica que: la temperatura del aire es de 31 °C, la presión barométrica es 760 mmHg y la humedad relativa es 90 %. Calcule:

a) La fracción mol del agua en el aire b) La humedad absoluta del aire c) La fracción masa del agua en el aire d) La humedad de saturación e) La temperatura de bulbo húmedo f) La temperatura de rocío del aire g) La entalpía del aire h) El porcentaje de saturación i) El volúmen específico del aire

2.- El aire en un edificio se renueva con aire acondicionado a 25 °C y 45 % de humedad relativa. La presión barométrica es de 586 mmHg. El aire acondicionado se obtiene mediante el siguiente proceso: aire externo a 32 °C y humedad relativa de 77 % se pasa por una torre donde se le rocía agua. El aire sale de la torre frío y saturado con agua. Para entregarlo a las condiciones requeridas se pasa por un equipo de calentamiento. Calcule:

a) La temperatura del aire a la salida de la torre b) La cantidad de agua añadida o removida del aire en la torre por m3 de aire entregado

3.- Se desea acondicionar aire mediante el siguiente proceso: Calcule:

a) La humedad absoluta del aire de entrada y de salida b) La cantidad de agua condensada en el enfriador c) La temperatura del aire a la salida del enfriador d) El calor eliminado en el enfriador e) El calor añadido en el calentador

Considere que el agua y el aire salen del enfriador a la misma temperatura. La presión atmosférica es de 760 mmHg. 4.- Aire húmedo a 50 °C y 1 atm con 2 °C de sobrecalentamiento se alimenta a un condensador. El aire y el agua líquida salen del condensador en equilibrio a 20 °C y 1 atm. Calcule la masa de agua condensada y el calor que debe ser removido en el condensador por metro cúbico de aire alimentado al condensador.

Enfriador

Aire externo87 °F

80 % humedadrelativa

Aire saturado

Agua líquida

Calentador

104 ft3/min

70 °F40 % humedad relativa

2

5.- Una torre de enfriamiento y deshumidificación de aire opera bajo las siguientes condiciones:

T O

R R

E

B

A

Aire 10 °Csaturado

Aire1000 kg/h30 °C60 % humedad relativa

Enfr

iador

Agua C

Agua D

10 °C

E

F

La presión de operación es de 760 mmHg absoluta. Calcule:

a) La masa de agua (corriente F), que se retira del proceso b) La carga térmica del enfriador c) Para diferentes valores de Tc, encuentre la masa de agua que se debe recircular

6.- Un secador produce 180 kg/h de un producto que tiene 8 % de humedad (8 % peso de agua), a partir de un sólido que contiene 1.25 g H2O/ g de sólido seco. El aire entra al secador a 100 °C y tiene una temperatura de bulbo húmedo de 38 °C. El aire que sale del secador está a 53 °C y tiene una humedad relativa del 60 %. Parte del aire de salida se mezcla con aire fresco que se suministra a 21°C y 52 % de humedad relativa. El aire se calienta hasta 100 °C para alimentarlo al secador. Si el sistema se encuentra a una presión atmosférica de 586 mmHg, calcule:

a) La cantidad de aire que se alimenta al secador b) La cantidad de agua que se elimina del sólido c) La cantidad de calor suministrado en el calentador de aire d) La cantidad de aire fresco que se requiere

7.- Aire limpio y acondicionado se suministra a dos cuartos que requieren aire de baja humedad. El aire que se alimenta al primer cuarto pasa al segundo en donde se adiciona una cantidad extra de aire fresco. La humedad del aire alimentado es de 0.0040 kg H2O/ kg AS. La humedad del aire que sale del primer cuarto es de 0.0055 kg H2O/kg AS y la humedad del aire que sale del segundo cuarto es de 0.0065 kg H2O/kg AS. En el primer cuarto se evapora agua a razón de 2.03 kg/h y en el segundo cuarto a razón de 2.53 kg/h. Calcule la cantidad de aire que es necesario alimentar a cada cuarto. Considere que el sistema se encuentra a una presión atmosférica de 760 mmHg.

3

8.- Las condiciones de operación de de una torre de enfriamiento de agua se muestra en el siguiente diagrama: El aire de entrada tiene una temperatura de bulbo húmedo de 77 °F. La presión barométrica es de 760 mmHg. Calcule:

a) La humedad del aire alimentado b) La cantidad de aire que pasa por la torre por kg de agua alimentada a la torre c) El porcentaje de agua que se vaporiza en la torre

Cálculo generalizado de propiedades:

Cambios de temperatura, presión y fase

9. Se desea acondicionar aire mediante el siguiente proceso:

Calcule: a) La humedad del aire de entrada y de salida b) La cantidad de agua condensada c) La temperatura de salida del aire saturado del enfriador d) El calor eliminado en el enfriador e) El calor añadido en el calentador

La presión atmosférica es de 700 mmHg

10. Una mezcla equimolar de propano-butano entra a un cambiador de calor a 250 psia y 100°F como líquido, y sale a 300°F y 250 psia como vapor. El calentamiento se efectúa mediante un líquido de alto peso molecular, cuya capacidad calorífica es Cp = 0.60 BTU/lb °F, que sufre un abatimiento de temperatura de 600°F a 450°F. Calcule: a) El calor intercambiado

Aire85 °F

Agua102 °F

Aire saturado90 °F

Agua 89 °F

Enfriador Calentador10,000 ft3 / min70°F40% humedad relativa

Aire saturado

Agua líquida

Aire externo87°F80% humedad relativa

4

TORRE

EN

FRIA

DO

R

Aire salida50°FSaturado

Aire entrada1000 lb/h85°F50% Humedad relativa

50°F

T1

M5

1

2

3

4

5

6

b) La cantidad de líquido de enfriamiento necesaria.

El flujo de la corriente de propano-butano es de 200 lb/h. 11. Se tiene el siguiente arreglo compresor-expansor que opera con CO2. Considere comportamiento

adiabático y que ambos equipos tienen una eficiencia aidabática del 80%.

M1 = 15000 kg/h T1 = 100°C P1 = 20 bar P2 = 6 bar M3 = 12000 kg/h T3 = 30°C P3 = 5 bar

Calcule la potencia de cada equipo y la presión de descarga del compresor (P4) y las temperaturas de descarga de los equipos (T2 y T4).

Datos para el CO2:

Cp = 19.8 + 0.07344 T – 5.602x10-5 T2 + 1.715x10-8 T3 ; T en K ; Cp en J/mol K 12. Una torre de enfriamiento y des-humidificación de aire opera bajo las siguientes condiciones:

Vapor, 300°F

600°F450°F

Propano-Butanolíquido, 100°F

EXPANSOR COMPRESOR

12 3

4

5

La presión de operación es de 710 mmHg absoluta.

Calcule:

a) La masa de agua, M5, que se retira del proceso b) La carga térmica necesaria en el enfriador c) Para diferentes valores de T1, encuentre la masa de agua que se debe recircular

6

7