Operaciones Unitarias II

“Enfriamiento evaporativo de agua en ollas en aire quieto”

Presentado por : Lorena Gabriela Berrelleza Robles

Jueves 6 de septiembre de 2012

• “Evaporative Cooling of Water in Earthen Pots

in Quiescent Air”

• J. A. Olorunmaiye

• Departamento de Ing. Mecánica

• Universidad de Llorin

• Llorin, Nigeria

Índice

• Resumen

• Introducción

• Análisis teórico

• Procedimiento experimental

• Discusión de resultados

• Conclusión

Resumen• Las ollas de barro son utilizadas para almacenar agua.

• Mantienen el agua por debajo de la temperatura ambiente por enfriamiento evaporativo.

• Se llenó una olla con agua a temperatura ambiente, se midió la temperatura del cuarto y la humedad relativa.

• Mediciones cada dos horas de 8 am-8 pm por cinco días consecutivos.

Introducción

• El enfriamiento evaporativo es un proceso de transferencia de calor y masa en el cual algo de calor sensible de los alrededores de la superficie húmeda es usado para evaporar la humedad en el aire y así es convertido a calor latente de la humedad.

• En el caso de una olla de barro porosa, parte de losalrededores de la superficie externa húmeda de la olla esel agua contenida dentro de ella, y de esta manera, seobtiene algo de calor latente de la evaporación.

• Enfriamiento evaporativo en localidades donde seencuentre alta temperatura de bulbo seco (≥32°C) queocurre simultáneamente con una baja temperatura debulbo húmedo (≤24°C) por periodos extendidos.

• En Asia ya se utilizaba esta técnica utilizando grandes jarrones de barro porosos en la sombra.

• En 1940 se utilizaron enfriadores evaporativos de barro mas pequeños en Europa (mantequilla, queso, etc.)

• Las ollas de barro son usadas para mantener elagua potable para tomar, las ollas son puestasdentro de las locaciones en las esquinas, asípues, es necesario estudiar el enfriamientoobtenido de estas ollas cuando no hay corrientede aire para saber que tan efectivo es.

Análisis Teórico

• La filtración del agua dentro de la olla hacia lasuperficie externa se debe a la presióngravitacional del agua en la olla. El flujo a travésde la porosidad de la pared se asume que obedecela ley de Darcy.

• En este trabajo se estudiara la transferencia decalor y masa de la superficie externa de la olla.

• El proceso de transferencia de calor y masa es inestable.

• Sin embargo, se asume que es casi estable.

• La velocidad de transferencia de calor sensible de lasuperficie externa húmeda de la olla está dada por:

…..(1)

Donde:hc= coeficiente convectivo de transferencia de calor.A= Área de la superficie externa de la olla.Tes= Temperatura de la superficie externa de la olla.Trm= Temperatura del cuarto.

La rapidez de la transferencia de calor latente de la superficie externa de la olla está dada por:

…… (2)

Donde:hD=Constante de proporcionalidad de la transferencia de masa.Wes= El promedio de humedad de aire saturado en la superficie húmeda.Wrm= Es el promedio de humedad del aire en el cuartohfg= Es el calor latente de vaporización del agua en Temperatura de la superficie externa de la olla (Tes).

• La relación entre el coeficiente convectivo de transferencia de calor hc y la constante de proporcionalidad de la transferencia de masa hD es llamada relación de Lewis:

……(3)

Donde el calor especifico de la humedad del aire:

……(4)

Cp es el calor especifico del aire seco a presión constanteCpv es el calor especifico del vapor de agua a presión constante

Sustituyendo la ec. 3 en 2, la rapidez total de la transferencia de calor de la superficie húmeda está dada por:

Se puede demostrar que: Donde:hes= Entalpia de saturación del aire a la temperatura de la superficie húmedahrm = Entalpía del aire del cuarto

• En un sistema donde hay contacto directo entre aire y agua, el concepto de potencial de entalpía (ec. 6) Es muy útil para cuantificar el total de transferencia de calor entre la superficie húmeda del aire.

• De la ecuación 6 se aprecia que el potencial para la transferencia simultánea de calor y masa en una mezcla de vapores aire-agua es la diferencia de entalpías

La transferencia de calor entre la superficie húmeda de la olla y el agua en la olla es por conducción a través de la porosidad de la pared en la cual el agua se filtra.

La efectividad de la conductividad térmica de la paredporosa en la cual el agua está fluyendo por los porosinterconectados puede ser encontrada utilizando laecuación aplicada al enfriamiento por transpiración en unapared porosa:

Donde:Vf= Es la fracción vacante de la estructura porosa.Kw= Conductividad térmica del agua.Ks= Conductividad de la estructura porosa del material.

El factor de tortuosidad de la conductividad térmica de la estructura porosa es:

Donde:

= Es la conductividad térmica de la pared de la olla cuando está seca.

Asumiendo la resistencia a la transferencia convectiva de calor en lasuperficie interna de la olla es despreciable en comparación con laresistencia térmica a través de la pared.

La temperatura de la superficie interna será la misma que latemperatura del agua (asumiendo uniformidad) y la temperatura de lasuperficie de la pared externa está dada por:

Tw= Es la temperatura del agua en la olla .t= Es el grosor de la pared de la olla..

Procedimiento Experimental

• Una olla de barro vacía 3.062 Kg. Capacidad 4.686 lts. Área superficial aprox. 0.165 m2

• La olla, el tazón de plástico, el agua contenida y lacubierta fueron pesados cada dos horas desde las8am- 8pm por cinco días consecutivos del 7-11 dediciembre de 1997.

• Se midió cada dos horas la temperatura del airedel cuarto, la humedad relativa y la temperaturadel agua en la parte superior, media y baja de laolla.

Discusión de Resultados

En esta tabla muestra una reducción aproximadamente lineal de la masa del agua en el tiempo debido a la evaporación

La velocidad promedio de enfriamiento evaporativo durante un periodo de dos horas por unidad de área superficial fue calculado usando la sig. Ecuación:

Donde:m y mf : masa inicial y final del agua en la olla y el tazon plastico.hf=Entalpia de vaporizacion del agua

• El promedio de la vel.de enfriamiento durante un periodo de dos horas para el agua que permanece en la olla es calculado usando la sig. Ecuación:

Donde:Cpw= Es la capacidad de calor especifico del agua en la olla.Ti y Tf= Promedio de las temperaturas inicial y final del agua en la olla

La velocidad de enfriamiento calculada usando esta ecuación (11) se muestra en la tabla 2.

Conclusiones

Cuando las ollas de barro son alejadas de la luz solar son utilizadas para contener agua en areas rurales, y poder así, mantener la temperatura del agua apreciablemente menor a la temp. ambiente a pesar de que esté sin corrientes de aire.

Las mayores disminuciones de la temperatura del agua se obtienen a la hora del día cuando la temperatura del aire es mayor y la humedad relativa es menor.

El periodo mas largo de enfriamiento continuo de agua en la olla ocurre el primer día.

Para reducir las perdidas de agua potable en la olla, es necesario reducir la velocidad de filtración de agua fuera de la olla haciéndolas menos porosas.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN