Diseño y Construcción de una Interfaz Gráfica del Diagrama Psicrométrico Aplicado en Problemas de Humidificación y

Secado

Daniela Zamario1, Anselmo Osorio1, Ignacio Sánchez1, Luis A. Sánchez1, José Vicente1, Eduardo Hernández1, Rodolfo Hernández2

(1) Univ. Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas, Orizaba. (2) Inst. Tecnológico Superior de Huatusco, Huatusco (México)

(bazaine24@hotmail.com)

RESUMEN

En las operaciones unitarias, así como en los procesos de transporte es necesario efectuar cálculos que se basan en las propiedades termodinámicas de las mezclas de aire seco y vapor de agua, por lo que es importante su estudio en sistemas tales como: humidificación acondicionamiento del aire, secado de productos solidos químicos, alimenticios, etc. En este trabajo se desarrolla una interfaz gráfica de usuario en Visual Estudio V6.0 para la resolución de problemas de humidificación y secado en donde intervienen mezclas de vapor, agua y aire en función de la presión total deseada. La interfaz para construir o trazar la carta psicrométrica utiliza un algoritmo de cálculo simple que se basa en las ecuaciones para la determinación de propiedades y de curvas características en el proceso de humidificación. En la interfaz se capturan los datos del problema, se seleccionan valores, las condiciones de operación o propiedades del sistema a utilizar y se muestran los resultados numéricos obtenidos por el algoritmo de cálculo, así como el trazo gráfico de la carta psicrométrica. Esta interfaz gráfica se utiliza en la solución de problemas de experiencias educativas relacionadas con humidificación y secado, como un soporte complementario didáctico y de apoyo en el proceso enseñanza-aprendizaje en carreras de ingeniería. INTRODUCCIÓN El aire es una mezcla de gases altamente sobrecalentados, que rodea a la tierra puesto que el conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es de gran importancia dentro de las operaciones unitarias se requiere conocer la concentración del vapor de agua en el aire a diversas condiciones. La psicrometría se define como la medición del contenido de humedad del aire, involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales. El diagrama o carta psicométrica es una representación gráfica de los datos termodinámicos; las líneas en el diagrama representan las propiedades termodinámicas del aire húmedo. Esta carta se utiliza para determinar las propiedades del aire a una temperatura y presión determinada (Geankoplis, 2006). Se puede construir una carta de humedad para cualquier sistema en función de la presión total que se desee, realizando las modificaciones pertinentes a las ecuaciones de las propiedades termodinámicas (McCabe, 2007).

La humidificación hace referencia a los estudio de mezcla de aire y vapor de agua, las operaciones de humidificación y deshumidificación implican transferencia de materia entre una fase líquida pura y un gas permanente que es insoluble en el líquido (Treybal, 1984). En la actualidad los programas computacionales resultan ser de gran importancia dentro de los procesos de enseñanza y aprendizaje en ingeniería. En este sentido, se puede observar la importancia del desarrollo de un programa para coadyuvar a las tareas de aprendizaje y participación de los alumnos en el proceso de autoestudio para una formación integral profesional, La interfaz gráfica amigable al usuario es posible aplicarla en la resolución de problemas de clase o de aplicación industrial, propuestos en libros de texto sobre operaciones unitarias. En la interfaz se captura los datos del problema, se seleccionan valores, las condiciones de operación o propiedades del sistema a utilizar y se muestran los resultados numéricos obtenidos por el algoritmo de cálculo, así como el trazo grafico de la carta psicométrica que permite la resolución de problemas de humidificación y secado en diferentes condiciones. Además de ser una herramienta que resume las curvas básicas de diferentes procesos de transferencia de masa en mezclas agua-aire-vapor de agua, resulta ser útil como una herramienta didáctica aplicada al proceso enseñanza aprendizaje que permite estudiar estos fenómenos de transferencia. El lenguaje de programación para la construcción de la interfaz gráfica es el lenguaje Microsoft Visual Basic 6.0. es un lenguaje de programación visual de 4ta generación, utilizado como un desarrollador integrado orientado a la realización de programas donde se pueden incorporar elementos como ventanas, botones, cajas de diálogo y de texto, botones de opción, de selección, gráficos, menús, etc. A continuación se describen los pasos metodológicos para el diseño y construcción de la interfaz gráfica, posteriormente se presentan los resultados sobre el funcionamiento de la interfaz gráfica y a su aplicación a la resolución de un problema de clase típico sobre humidificación, y finalmente se dan algunas conclusiones. METODOLOGIA

En esta sección se presenta la descripción de los procedimientos empleados para el desarrollo de la interfaz gráfica de usuario. Diseño de la interfaz gráfica: en esta etapa se propone el diseño de la interfaz gráfica de usuario a través de la codificación de un algoritmo de cálculo en Visual Basic 6.0 para resolver problemas de humidificación y generar el trazo de la carta psicrométrica. La aplicación Visual Basic VB trabaja de dos modos distintos: 1) En modo de diseño, el usuario construye interactivamente la aplicación, colocando controles en el formulario, definiendo sus propiedades y desarrollando funciones para gestionar los eventos. 2) En modo de ejecución, el usuario actúa sobre el programa y prueba como responde. La plataforma de Visual Studio provee la facilidad de poder elegir con gran libertad los nombres de variables y funciones que se involucran dentro del algoritmo de programación, teniendo siempre cuidado de respetar las reglas del lenguaje y de no utilizar un conjunto de palabras reservadas (keywords) que son utilizadas por el propio lenguaje.

Desarrollo y construcción de la Interfaz: primero se ejecuta la aplicación VB en el modo de diseño para la creación interactiva de la interfaz que contendrá el programa. Se inicia con el módulo que se refiere al de carga de datos a partir del cual se obtendrán los valores necesarios para construir los gráficos de humedad relativa y saturación adiabática, estos valores son, por ejemplo, temperatura, presión, calor latente, etc. Estos datos se calculan a partir de las ecuaciones básicas para el análisis de procesos de humidificación y secado, en la tabla 1, se da un resumen de estas relaciones. Tabla 1. Determinación de propiedades termodinámicas en procesos de humidificación y secado.

Presión Total

Humedad molar o saturación molar

Humedad absoluta o saturación absoluta

Humedad relativa o saturación relativa

Humedad porcentual o saturación porcentual

(

)

Volumen especifico del gas húmedo (

)

Calor especifico del gas húmedo

Entalpia especifica

Temperatura húmeda o temperatura del termómetro húmedo

Temperatura de saturación adiabática

Siendo: pw* =Tensión de vapor del líquido a la temperatura húmeda; pv =Presión parcial del vapor en el gas; hc=coeficiente de convección liquido-gas; Kg=coeficiente de trasporte de materia; Mv=masa molecular del vapor;

w=calor latente de vaporización del líquido a la temperatura húmeda; Ys=humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabática; ts=temperatura de saturación adiabática; c=calor especifico de la masa húmeda; λs=calor latente de vaporización del líquido a temperatura

Enseguida, se declaran variables globales, estas serán almacenadas en dos vectores; el vector uno se denomina psmmhg, el cual considera valores constantes que correspondan a datos de presión en intervalos de 5 mm Hg (Figura 1); el vector dos se designa tem-sat encargado de almacenar datos de temperatura de saturación (Figura 2).

Fig 1. Declaración de los valores de presión Fig. 2. Declaración de los valores de

temperatura.

A continuación se realiza la formación de una matriz dispuesta de 20 columnas por 23 filas con valores variables, a partir de los cuales se genera una gráfica para uso posterior. La matriz generada (Figura 3), se llena con los valores que corresponden a humedad y saturación adiabática, estos valores se localizan en una base de datos en el modo listview, para su disposición práctica en tablas ubicadas en un objeto denominado frame (Figura 4).

Fig. 3. Generación de Matriz en modo listview Fig. 4. Base de datos en objeto frame. Se deben de redondear los datos que se emplean en variables tipo doble. Para finalizar con el módulo, se procede con la edición del objeto de gráficos, mediante la función de drawchart (Figura 5), para su disposición final en la ventana correspondiente a gráficos (Figura 6).

Fig. 5. Edición del objeto del gráfico. Fig. 6. Programación de secuencia función drawchart.

Para la construcción de los gráficos se usa un control de Microsoft chart, aquí se accede a un frame llamado frame1 y el elemento se llama mschart1. Una vez que se ejecuta la orden de graficar se muestra la carta psicométrica con los datos provenientes de la base de datos. El programa desarrollado permite comprender y visualizar la solución de problemas de humidificación y secado, mediante cálculos complementados con la construcción de la carta psicrométrica correspondiente. La interfaz principal del programa desarrollado (Figura 7) permite seleccionar el tipo de problema que se aborda para su resolución, considerando la opción de humificación o secado.

Fig. 7. Interfaz principal del programa.

Datos porcentuales de humedad relativa con número de lista 1 a 10, correspondientes a valores de humedad relativa con intervalo de 10% a 100%, respectivamente, se almacenan en forma de tablas dentro del objeto frame, el cual se muestra al presionar el botón Humedad (Figura 8). Cálculo de humedad adiabática, estos datos se ingresan en un objeto listview1, iniciando en la posición del número de lista 11 al 22. Todas las tablas están contenidas dentro de un objeto frame, el cual se muestra al presionar el botón Adiabático (Figura 9).

Fig. 8. Datos de Humedad Relativa. Fig. 9. Datos de Humedad Adiabática.

La construcción de la gráfica se basa en un control de Microsoft chart, con un frame, llamado frame1 y el elemento mschart1. Una vez que se ejecuta la orden de graficar se muestra la carta psicrométrica (Figura 10).

Fig. 10. Carta Psicrométrica.

RESULTADOS

Aplicación en la solución de problemas de Secado: para fines de validación del programa se considera el cálculo de la temperatura mínima hasta la que el aire se enfría en el secador, la cantidad máxima de agua evaporada por kilogramo de aire que entra en el secador, así como, el volumen de aire a la salida del secador por metro cúbico de aire de entrada si la cantidad de agua evaporada es la máxima posible, considerando que el secador funciona en condiciones adiabáticas y el aire es suministrado a 60 °C tiene una temperatura de rocío de 10 °C, (Ocon y Tojo, 1980). Para obtener la solución, el método se basa en la construcción del diagrama psicrométrico; se introducen los valores iniciales para los datos del problema (Figura 11), tal como la temperatura de rocío en °C y temperatura del problema. En la parte superior izquierda de la interfaz se encuentran los comandos de calcular humedad y calcular H, estos se deben seleccionar de forma cronológica, para que interfaz muestre los resultados de humedad, así como la temperatura mínima de enfriamiento de la masa de aire (Figura 12).

Fig. 11. Introducción de datos de secado Fig. 12. Interfaz de la resolución en secado

Al seleccionar en la parte inferior de la interfaz la cantidad de agua y volumen máximos, se muestra la masa de agua evaporada por kilogramo de aire, el volumen de aire de salida, el volumen de entrada de aire y el volumen total de aire (Figura 13).

Fig. 13. Interfaz para calcular la masa evaporada.

Aplicación en la solución de problemas de humidificación adiabática: para fines de validación del programa, se considera un sistema de acondicionamiento de aire que ha de mantener una nave de 1000 m3 a 22 °C y humedad relativa del 62 %, renovando completamente el aire a razón de dos veces por hora. El sistema consiste en un precalentador, una torre de humidificación adiabática, de la que el aire sale prácticamente saturado y un recalentador final. Si el aire del que se dispone está a 8 °C con humedad relativa del 95 %, calcular para una presión total de 750 mm Hg, la cantidad de agua suministrada al aire por hora, el caudal de entrada de aire en la torre y la cantidad de calor suministrada por hora, (Ocon y Tojo, 1980). Para iniciar el cálculo seleccionar humidificadores adiabáticos e introducir los datos iniciales y finales del humidificador; después oprimir el botón continuar, enseguida el programa calcula la humedad inicial y final, los resultados numéricos se muestran en la interfaz gráfica (Figura 14). El cálculo de la presión de vapor del líquido a la temperatura húmeda y presión dada para una temperatura de bulbo seco propuesta se muestra en la Figura 15.

Fig. 14 Interfaz de humidificación adiabática. Fig. 15. Interfaz cálculo presión de vapor-

temperatura húmeda. La interfaz para calcular el calor específico, la humedad de saturación y el calor latente a la temperatura de saturación a partir de los datos iniciales, se presenta en la Figura 16. El cálculo de la temperatura del precalentador en la interfaz, se muestra en la Figura 17.

Fig. 16 Interfaz para cálculo del calor latente y

humedad de saturación Fig. 17. Cálculo de Temperatura en el

precalentador.

El usuario ingresa el volumen de aire y las veces por horas que es renovado el aire, el programa calcula el volumen específico de aire a las condiciones finales; posteriormente, se realizan los cálculos de la masa del aire y del agua, así como el flujo de calor suministrado al humidificador (Figura 18).

Fig. 18 Interfaz con los resultados del problema.

CONCLUSIONES

Mediante este trabajo se desarrolló un programa de cómputo en Visual Studio V6.0 con una interfaz gráfica de usuario que permite realizar el cálculo y resolución de problemas de humidificación y secado. El programa permite trazar los datos de humedad y temperatura en una gráfica y realizar la construcción del diagrama psicrométrico, tiene la característica de visualizar los resultados numéricos en forma tabular, si así se desea. Esta interfaz constituye una herramienta de apoyo didáctico para el proceso de enseñanza-aprendizaje, aplicada en la resolución de problemas de humidificación y secado relacionados a la experiencia educativa Operaciones de Transferencia de Masa III, en el modelo educativo MEIF, de la carrera de Ingeniería Química de la Universidad Veracruzana. AGRADECIMIENTOS A PROMEP convocatoria 2011 y Proyecto 109491 FOMIX CONACYT- Veracruz.

REFERENCIAS Beristaín L.Y., Interconexión de Módulos para el Cálculo de Columnas de Destilación con Interfaces Graficas para un Laboratorio Virtual de Operaciones Unitarias. Tesis Profesional, Universidad Veracruzana. F.C.Q. Orizaba, Ver. (2010). Geankoplis C. J., Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación. 4ª Edición. Compañía Editorial Continental. México. (2006). Ocon G. J. y Tojo B. G., Problemas de Ingeniería Química Operaciones Básicas Tomo I, Ediciones Aguilar, Madrid, España. (1980). McCabe. W. L., Smitm J. C. y Harriott. P., Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 7º Edición. McGraw-Hill Co., México. (2010). Perry R. H., Manual del Ingeniero Químico. 7ª Edición, Volumen I, Volumen II. McGraw-Hill, Co.. México. (2010). Treybal R. E., Operaciones de Transferencia de masa. 2ª Edición. McGraw-Hill Co., (1984). Smith J. M. Van Ness H. C. y Abbott M. M. Introducción a la termodinámica en ingeniería química. McGraw-Hill Co., México. (1980). Zamario R. D. Tesis Licenciatura, construcción de cartas de humedad y determinación de propiedades de mezclas de vapor de agua-agua aire. Universidad Veracruzana. (2013). Manual de Visual Basic V6.0. Disponible en (15/09/2013): http://www.manualespdf.es/manual-visual-basic-6-0/