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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
EVALUACION EXPERIMENTAL DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO EN ELLABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD
RAFAEL URDANETA
Trabajo Especial de Grado Presentado para Optar alTítulo de Ingeniero Químico
PRESENTADO POR:
Acquaviva Jonella Ferrebúz RobertoC.I. 18.632.946 C.I. 17.805.940
MARACAIBO, ABRIL DE 2009
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CONSTANCIA DE REVISION DEL TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
El suscrito profesor, Humberto Martínez, designado por la Dirección de la
Escuela de Ingeniería Química como tutor Académico del Trabajo Especial de
Grado titulado “ EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE
LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA” , presentado por las bachilleres
Acquaviva Jonella, titular de la C.I: 18.632.946 y Ferrebúz Roberto, titular de la C.I.
17.805.940; declaro:
Que el trabajo cumple con los requisitos exigibles de acuerdo a sus
objetivos
Que el trabajo aun no cumple con los requisitos exigibles de acuerdo a
sus objetivos
Que el trabajo presenta muchas deficiencias de fondo y de forma.
Por lo que sugiero:
Autorizar se fije fecha de Exposición y Defensa
No permitir su exposición y defensa, hasta que se realice otra revisión
Firma: ___________________
Prof. (a): Humberto Martínez.
Teléfono: 0414-647-7271
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VEREDICTO
Nosotros Profesores: ______________________, ______________________,
y ______________________, designados como Jurado Examinador delTrabajo Especial de grado “ EVALUACION EXPERIMENTAL DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE
LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA” presentado por las Bachilleres:
Jonella Acquaviva, Roberto Ferrebuz , titulares de la Cédula de Identidad No.
18.632.946 y 17.805.940 respectivamente, nos hemos reunido para revisar dicho
trabajo y después del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado con
_________________________ de acuerdo con las normas vigentes aprobadas
por el Consejo Académico de la Universidad Rafael Urdaneta, para la Evaluación
de los Trabajos Especiales de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico.
En fe de lo cual firmamos, en Maracaibo, a los ______ días del mes de
_________ del año _______.
____________________
Ing. Humberto MartínezC.I.: V.- 3.112.555Tutor Académico
___________________ ___________________Prof.: Oscar Urdaneta Prof.: María Da Costa
C.I.: V.- 4.520.200 C.I.: V.- 14.474.932Jurado Jurado
___________________ ___________________Prof.: Oscar Urdaneta Prof.: José Bohorquez
C.I.: V.- 4.520.200 C.I.: V.- 3.379.454Director de Escuela Decano
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DEDICATORIA
Le dedico el triunfo de mi carrera a Dios, por haber estado conmigo
apoyándome y permitiéndome alcanzar metas ayudándome a crecer como
persona para llegar a ser quien soy hoy. Gracias Dios. A la memoria de mi papa
Carlos Ferrebuz que desde el cielo me cuida y me protege
A mi mama Nola de Ferrebus, gracias a ella encontré caminos que me
permitieron llegar más fácilmente a las metas propuestas de las cuales una de
ellas fue formarme como Ingeniero Químico
Mi Hermano Carlos Ferrebus y su esposa Kenny Torres, por haberme apoyado
en todo momento para seguir adelante, por sus consejos, sus valores, por la
motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien. . A mi sobrino
Carlos David por darme esa alegría característica que lo define como persona.
A Enmileidys Moran por ser un gran soporte en mi vida y, con paciencia y
ánimo, logró brindarme las ganas de seguir esforzándome a superar los
obstáculos presentado a lo largo de mi vida.
A mis amigos por estar siempre conmigo, en las buenas y en las malas siempre
apoyándome y llenándome de alegría y dicha. A mi amiga y compañera de tesis
Jonella Acquaviva por darme una hermosa amistad y haberme apoyado en todo
momento con una paciencia incondicional
Al Ing. Humberto Martínez y al T.S.U. Mauro Urdaneta, quienes con su ayuda,
orientación, dedicación impartieron conocimientos en mi carrera.
Muchas gracias a todos
Roberto Ferrebuz
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DEDICATORIA
A Dios y a mi padre, por ser quienes han hecho todo esto posible. Gracias!
A mi madre Jone, por ser padre y madre, y por guiarme hasta donde estoy.
Gracias por todo el amor que me has dado, y por dedicar tu vida a tus hijos. Eres
maravillosa! A mi hermano por darme siempre su apoyo incondicional, por formar
parte de mi vida y quererme tanto.
A toda mi familia por apoyarme y creer en mí, gracias por ser de gran ayuda
para mi crecimiento personal. A mis abuelos Joaquín, Amalia, María Teresa y
Francesco a quienes adoro.
A Pablo Zavala por estar siempre presente y darme aliento cuando más lo
necesito.
A mis amigos Victoria Peña, Edgar Leal y Nellymar Villalobos, quienes me han
brindado su amistad incondicional, de quienes me llevo los mejores recuerdos, y
espero que tengan éxito en su futuro. A mi compañero de tesis, Roberto Ferrebúz
por su grande y valiosa amistad, por acompañarme durante todo este trayecto. A
quien le deseo lo mejor del mundo y muchos éxitos.
Al Ing. Humberto Martínez y al T.S.U Mauro Urdaneta, por toda su colaboración en
la realización de esta tesis.
Gracias!
Jonella Acquaviva
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AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Rafael Urdaneta por ser nuestra segunda casa durante estos
años de infinitos aprendizajes, por brindarnos las aulas de clase en las quecrecimos como profesionales y dejamos nuestros más lindos recuerdos de
estudiantes
También deseamos dejar constancia de nuestro mas profundo y sincero
agradecimiento a nuestro tutor Ing. Humberto Martínez, ya que sin su ayuda y
compresión, todo este trabajo habría sido posible realizar
A nuestro director de la escuela de Ingeniería Ing. Oscar Urdaneta a la
secretaria de la escuela de Ingeniería química la Sra. Beatriz, quienes nos
brindaron su colaboración en todo momento.
A la Ing. María E. Da Costa por su ayuda incondicional y eterna disposición al
brindarnos sus conocimientos.
Al T.S.U Mauro Urdaneta por todos los conocimientos y desinteresada
colaboración que nos brindo en todo el momento de este proyecto
Queremos expresar nuestro más sincero agradecimiento a todas las personas
que de manera directa e indirecta nos han ayudado en la realización de esta tesis
Gracias..!
Jonella Acquaviva y Roberto Ferrebúz
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RESUMEN
Acquaviva Jonella, Ferrebúz Roberto. “EVALUACION EXPERIMENTAL DE UNA
TORRE DE ENFRIAMIENTO EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES
UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA” . Universidad Rafael
Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Abril 2009.
Trabajo Especial de Grado.
Esta investigación tuvo como principal objetivo “Evaluar experimentalmente una
torre de enfriamiento en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad
Rafael Urdaneta”. Sus objetivos específicos fueron: Determinar los intervalos de
temperatura y humedad de la torre, verificar el sistema de calentamiento y
funcionamiento de la torre, adaptar la torre de enfriamiento para utilizarla como
practica experimental y finalmente realizar una guía práctica que permita a los
estudiantes hacer uso de la torre como parte de la práctica de laboratorio. El tipo
de investigación se catalogó como descriptiva, debido a que se enfocó en
observar y evaluar los parámetros que posee la torre de enfriamiento durante el
funcionamiento de la misma en su estado real. Según los datos obtenidos se
concluyó que el funcionamiento de la torre de enfriamiento fue el esperado, este
cumplió con todos los requerimientos a evaluar y se pudo obtener los datos
necesarios para que los estudiantes de Ingeniería Química obtengan
conocimientos acerca de la misma, y así tener una mejor aptitud académica. El
aporte principal de la investigación se enfocó en la optimización del desarrollo
académico de los estudiantes de Ingeniería Química, así como un mejoramiento
de los equipos en el laboratorio de Operaciones Unitarias ya que su función
primordial es complementar en forma práctica los conceptos teóricos impartidos enlas diferentes materias que se cursan durante la carrera.
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ABSTRACT
Acquaviva Jonella, Ferrebúz Roberto. "EXPERIMENTAL EVALUATION OF ACOOLING TOWER IN THE UNITARY OPERATIONS LABORATORY OF
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA" . Universidad Rafael Urdaneta. Faculty ofEngineering. School of Chemical Engineering. April 2009. Engineering DegreeWork.
This research had as the main objective the experimental evaluation of a
cooling tower in the unitary operations laboratory of University Rafael Urdaneta.
The specific objectives were determining the ranges of temperature and humidity
of the cooling tower, checking the heating system and daily operation of the tower,
adapting the cooling tower for experimental practices, and finally designing anexercising guide for students that use the tower during laboratory practices. This
investigation research was classified as descriptive, because it was focused on
describing the cooling tower working operation performance in a daily operation.
According to the data obtained it was concluded that the operation of the cooling
tower was the expected as it complied all the requirements needed to evaluate and
obtain the data useful for students of the Chemical Engineering School, so that
they could develop better technical and academic skills. The main contribution of
this research was focused on optimizing the academic performance of students of
Chemical Engineering as per making maintenance for the Unitary Operations
Laboratory equipments, a very important contribution as this laboratory provides a
working place for practicing all the basic concepts taught in different universitary
subjects.
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INDICE GENERAL
DEDICATORIA IV
AGRADECIMIENTOS VI
RESUMEN VII
INDICE GENERAL IX
INTRODUCCION 12
NOMENCLATURA 13
CAPITULO I. PRESENTACION DEL PROYECTO
1.1 PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA 141.2 FORMULACION DEL PROBLEMA 15
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 15
1.3.1 OBJETIVO GENERAL DE LA INVESTIGACION 15
1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS DE LA INVESTIGACION 15
1.4 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION 16
1.5 DELIMITACION DE LA INVESTIGACION 17
1.5.1 DELIMITACION ESPACIAL DE LA INVESTIGACION 17
1.5.2 DELIMITACION TEMPORAL DE LA INVESTIGACION 17
CAPITULO II. MARCO TEORICO
2.1 ANTECEDENTES 18
2.2 BASES TEORICAS 23
2.2.1 TORRE DE ENFRIAMIENTO 23
2.2.2 CLASIFICACION DE TORRES DE ENFRIAMIENTO 23
2.2.3 TORRES DE CIRCULACION NATURAL 24
2.2.4 TORRES DE TIRO MECANICO 24
2.2.5 TORRES DE TIRO INDUCIDO 24
2.2.6 TORRES DE TIRO FORZADO 26
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2.2.7 BALANCE DE MATERIA 27
2.2.8 BALANCE DE ENERGIA 29
2.2.9 HUMEDAD ABSOLUTA 30
2.2.10 HUMEDAD RELATIVA 30
2.2.11 TEMPERATURA DE BULBO SECO 31
2.2.12 TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO 31
2.2.13 EQUILIBRIO ENTRE AIRE HUMEDO Y AGUA 32
2.2.14 APROXIMACION A TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO 32
2.2.15 RANGO DE ENFRIAMIENTO 33
2.2.16 HUMIDIFICACION 33
2.2.17 PROBLEMAS DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO 36
2.2.18 CORROSION 342.2.19 INCRUSTACIONES 36
2.2.20 ENSUCIAMIENTO 37
2.2.21 FORMACIONES ORGANICAS 37
2.2.22 CAUDAL DEL AGUA 37
2.2.23 PORCENTAJE DE HUMEDAD 38
2.2.24 CALOR HUMEDO 38
2.2.25 VOLUMEN HUMEDO 39
2.3 CUADRO DE VARIABLES 39
2.4 DEFINICION DE TERMINOS BASICOS 41
CAPITULOIII. MARCO METODOLOGICO
3.1 TIPO DE INVESTIGACION 43
3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACION 44
3.3 TECNICAS DE RECOLECCION DE INFORMACION 45
3.3.1 INSTRUMENTO DE RECOLECCION DE DATOS 46
3.4 FASES DE LA INVESTIGACION 46
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CAPITULO IV. RESULTADOS Y ANALISIS
4.1 DETERMINAR LOS INTERVALOES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD DE
LA TORRE 51
4.1.1 INTERVALOS DE TEMPERATURA 51
4.1.2 HUMEDADDE LA TORRE 52
4.2 VERIFICAR EL SISTEMA DE CALENTAMIENTO Y FUNCIONAMIENTO DE
LA TORRE 57
4.3 ADAPTAR LA TORRE DE ENFRIAMIENTO PARA USARLA COMO
PRACTICA EPERIMENTAL 60
4.4 REALIZAR UNA GUIA PRACTICA QUE PERMITA A LOS ESTUDIANTES
HACER USO DE LA TORRE COMO PARTE DE LA PRACTICA DE
LABORATORIO 63
CONCLUSION 65
RECOMENDACIONES 66
APENDICE 67
BIBLIOGRAFIA 72
ANEXOS 73
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INTRODUCCION
En las plantas de procesos se necesitan grandes cantidades de agua de
enfriamiento y con la finalidad de reutilizarla existen en dichas plantas llamadas
torres de enfriamiento, las cuales tienen la función de enfriar el agua sale del
proceso. Aunque no es posible completa reutilización (debido a que en las torres
de enfriamiento se presenta la evaporación de una parte del agua), ya que solo es
necesario añadir la cantidad evaporada y no todo el flujo de agua de enfriamiento.
Por esto, se hace indispensable dotar a la Universidad Rafael Urdaneta con
un equipo de aguas de enfriamiento correctamente evaluado para así facilitar el
adecuado funcionamiento de dicha torre y de esta manera realizar las practicas
necesarias para optimizar el conocimiento de los estudiantes de la universidad.
El principal objetivo de esta investigación se fundamenta en evaluar
experimentalmente una torre de enfriamiento en el laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
Dicho esto, se muestra a continuación el desarrollo del presente trabajo de
investigación de la siguiente manera: el capítulo I abarca el planteamiento del
problema. El capítulo II enfoca los estudios previos relacionados con el trabajo y
las bases teóricas. El capítulo III expone los lineamientos metodológicos del
trabajo. El capítulo IV plantea los resultados obtenidos en función del diseño. Para
finalizar se encontraran, las conclusiones derivadas del estudio, las
recomendaciones planteadas y las limitaciones encontradas en el proceso de
realización del trabajo especial de grado.
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NOMENCLATURA
Tbs1 = Temperatura Bulbo seco tope
Tbs2 = Temperatura bulbo seco fondo
Tbh1 = Temperatura bulbo húmedo tope
Tbh2 = Temperatura bulbo húmedo fondo
TA1 = Temperatura de entrada del agua
TA2 = Temperatura de salida del agua
VI = Volúmen inicial
VF = Volúmen final
T = Tiempo
Posición = Apertura de la válvula
Y1, Y2 = Humedad absoluta
H1, H2 = Entalpia del aire
h1, h2 = Entalpia del agua
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a estudio en la práctica además de optimizar las condiciones operativas de la
misma y asimismo lograr adaptar dicha torre para el uso práctico del laboratorio.
Al tomar en cuenta los argumentos antes mencionados, se presentó unapropuesta de evaluar experimentalmente la torre ya existente para mejorar sus
condiciones y realizar una guía práctica de manera que sirva de gran ayuda para
que los estudiantes de la Universidad Rafael Urdaneta amplíen sus conocimientos,
tanto teóricos como prácticos de los principios básicos de los procesos de
enfriamiento, mediante una torre de enfriamiento.
1.2 . Formulación del Problema.
Por lo anteriormente explicado se plantea la siguiente pregunta de
investigación: ¿Cómo evaluar experimentalmente una torre de enfriamiento en el
laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta?
1.3 . Objetivos de la investigación.
1.3.1 Objetivo General de la investigación.
Evaluar experimentalmente una torre de enfriamiento en el laboratorio de
Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
1.3.2 Objetivos Específicos de la invest igación.
1. Determinar los intervalos de temperatura y humedad de la torre.
2. Verificar el sistema de calentamiento y funcionamiento de la torre.
3. Adaptar la torre de enfriamiento para utilizarla como practica experimental.
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4. Realizar una guía que permita a los estudiantes hacer uso de la torre como
parte de la práctica de laboratorio.
1.4 . Justi ficación e Importancia de la investigación:
La importancia de este trabajo de investigación radicó en la carencia que tiene
el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta de una
guía práctica que indique el uso de la torre de enfriamiento ya existente en el
laboratorio y para esto es necesario realizar la evaluación ya presentada con el fin
de conocer los perfiles de operación de la torre y sus variables a medir y de este
modo adaptar la misma para realizar una guía práctica que permita el uso
correcto de dicha torre como practica experimental.
El desarrollo apropiado de este trabajo de investigación permitió a los
estudiantes de dicha cátedra afianzar los conocimientos de Operaciones Unitarias
tanto a nivel teórico como práctico, en este caso el trabajo de investigación se
enfocó en el estudio de los procesos de enfriamiento que se cuentan entre los más
antiguos a nivel industrial, adquiriendo así una importancia significativa teniendo
en cuenta que dicho trabajo de investigación permitió la adaptación de la torre de
enfriamiento ya existente para que se utilice como práctica experimental y de esta
manera crear una guía que permitió realizar las prácticas no contempladas en el
programa actual del Laboratorio de Operaciones unitarias, lo cual va en la mejora
de la aptitud de los estudiantes como profesionales egresados de la Universidad
Rafael Urdaneta.
1.5 . Delimitación .
1.5.1 Delimi tación Espacial de la Investigación:
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Se determinó la evaluación experimental de la torre de enfriamiento en los
Laboratorios de Operaciones Unitarias ubicados en la Universidad Rafael
Urdaneta. Maracaibo, Estado Zulia.
1.5.2 Delimi tación Temporal de la Investigación:
El trabajo de investigación tuvo una duración de seis (6) meses entre el período
del Mes de Septiembre del 2008 hasta el Mes de Abril del 2009.
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1. Antecedentes.
Nava, Yoherica y Urdaneta, Karel. “INGENIERÍA CONCEPTUAL Y BÁSICA DE
UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO PARA LOS LABORATORIOS DE FLUIDOS
PARA LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL
URDANETA”. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de
Ingeniería Química. Octubre 2003. Trabajo Especial de Grado.
Se propuso el diseño de una torre de enfriamiento tipo tiro forzado la cual tuvo
como objetivo general: desarrollar la Ingeniería Conceptual y Básica de una torre
de enfriamiento para los Laboratorios de Fluidos de la facultad de Ingeniería de la
Universidad Rafael Urdaneta, y como objetivos específicos: Determinar los
requerimientos de agua de enfriamiento en las instalaciones de los Laboratorios
de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta (Sede Vereda del
Lago), elaborar la Ingeniería Conceptual de una torre de enfriamiento para la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta (Sede Vereda del Lago),
y finalmente elaborar el Manual de operación de la torre de enfriamiento
propuesta.
Este trabajo de investigación se clasificó como descriptivo, debido al estudio
realizado sobre las torres de enfriamiento seleccionando como muestra la
aplicación de la Ingeniería Conceptual y Básica, de una torre de Tiro Forzada,
estudiando además sus características para el correcto funcionamiento dentro de
un laboratorio, y por ser un proyecto requirió un diseño de campo, entendiéndose
el campo como un área definida de estudio a través del cual los datos se recogen
de manera directa en su realidad cotidiana, natural, observando ò interrogando a
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las personas relacionadas con el trabajo a desarrollar. La propuesta
principalmente contempla los planos de construcción y el manual para operarla.
La técnica de recolección de datos utilizada fue la entrevista no estructurada,además de la información bibliográfica para recopilar los diferentes elementos y
procesos constituyentes a la torre de enfriamiento del laboratorio de fluido de la
Facultad de Ingeniería, referente al manual de operación del equipo referido
anteriormente, así como las medidas necesarias.
Como conclusión de esta investigación se obtuvo que la Torre de enfriamiento
de Tiro Mecánico Forzado fue la que se adaptó a lo requerido, además de esto el
diseño de dicha torre permitió suplir con agua de enfriamiento a los usuarios en el
Laboratorio de Fluidos, teniendo mayor éxito en sus objetivos debido al material
utilizado, lo que garantizó la no existencia de corrosión evitándose así el uso de
tratamientos químicos. La Torre de Enfriamiento utilizó agua municipal como
suministro de agua de reposición.
El aporte principal que ofrece esta investigación es la ayuda a la operación de
la torre de enfriamiento, específicamente su manera de trabajar y todas las partes
y detalles que deben saberse de una torre de enfriamiento; esto permite el fácil
manejo de la misma al momento de operarla.
Luís Díaz, Johantty Villamizar. “ IMPLANTACION DE UN EQUIPO
EXPERIMENTAL DE FLUIDIZACIÓN DE SÓLIDOS UTILIZANDO AGUA COMO
MEDIO DE TRANSPORTE” . Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería.
Escuela de Ingeniería Química. Septiembre 2008. Trabajo Especial de Grado.
Este trabajo tuyo como principal objetivo “Implantar un Equipo Experimental de
Fluidización de Sólidos utilizando agua como medio de transporte” a escala de
laboratorio que pueda ser agregada al programa de estudio de Operaciones
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Unitarias. Sus objetivos específicos fueron: Construir un sistema de Fluidización,
desarrollar el procedimiento para operar el sistema de Fluidización, evaluar las
capacidades experimentales haciendo uso de la ecuación de Ergun y redactar una
guía de prácticas que sirviera como soporte a los estudiantes que cursaran la
mencionada cátedra.
El tipo de investigación se catalogó como descriptivo, debido a que se estudió
la variable del equipo de fluidización, caracterizando sus aspectos más relevantes
y su funcionamiento en el entorno estudiado mediante la obtención de datos
directamente de fuentes primarias. En cuanto al diseño de investigación este se
clasificó como descriptivo transeccional, por cuanto el estudio llevó a caracterizar
el equipo de fluidización, sus diversas mediciones y aplicaciones dentro del
Laboratorio de Operaciones Unitarias.
La recolección de datos se realizó mediante una observación directa de los
parámetros requeridos, para evaluar y caracterizar el sistema de fluidización en las
instalaciones del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael
Urdaneta, efectuando el registro sistemático, válido y confiable del
comportamiento manifestado. El aporte de esta investigación incide en la
formación académica de los estudiantes de Ingeniería Química.
Luego de los estudios realizados en dicha investigación se obtuvo que el
modelo experimental de fluidización permitió observar el comportamiento de
sólidos al ser sometidos a una corriente de agua, al momento de validar los
experimentos se realizó de forma cuantitativa, comprobándose de esta forma la
metodología teórica expuesta en el capítulo II. Se realizó una guía de práctica de
laboratorio para que los estudiantes de Laboratorio de Operaciones Unitarias
conocieran el funcionamiento del Equipo de Fluidización de Sólidos, tomar los
datos requeridos y obtener los parámetros estudiados en la Fluidización aplicando
la ecuación de Ergun.
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Como aporte principal se tiene la realización de la guía práctica, la cual sirvió
de mucha ayuda puesto que se aprovechó como un instructivo para poder ejecutar
la guía de laboratorio presentada como objetivo.
Johansen Fox, Mauricio Peluffo. “ IMPLANTACIÓN DE UNA TORRE DE
ENFRIAMIENTO DENTRO DE LOS LABORATORIOS DE OPERACIONES
UNITARIAS DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA EN LA UNIVERSIDAD
RAFAEL URDANETA”. Universidad Rafael Urdaneta, Facultad de Ingeniería.
Escuela de Ingeniería Química. Septiembre 2004. Trabajo Especial de Grado.
La investigación tuvo como objetivo general el de Implantar una torre de
enfriamiento dentro del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta. Sus objetivos específicos fueron:
realizar la Ingeniería de Detalle de la torre de enfriamiento para dicho Laboratorio,
construir la torre de enfriamiento y montarla, definir protocolo de arranque inicial y
puesta en marcha de la torre de enfriamiento y finalmente redactar los manuales
de operación y mantenimiento de la torre de enfriamiento de la Universidad Rafael
Urdaneta.
Esta investigación se clasificó como aplicada, ya que depende de la
investigación teórica para proceder a su aplicación inmediata. Y por ser un
proyecto que requirió la aplicación de un diseño de campo, se pudieron recolectar
observando o interrogando a las personas relacionadas con el trabajo a
desarrollar.
La recolección de datos que se utilizó fue la entrevista no estructurada, además
de la información bibliográfica para recopilar los diferentes elementos y procesos
constituyentes a la torre de enfriamiento del laboratorio de operaciones unitarias
de la Facultad de Ingeniería, referente al manual de operación del equipo referido
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anteriormente, así como las medidas necesarias. Luego se realizaron una serie de
entrevistas al personal docente y técnico del Laboratorio de Operaciones Unitarias
de la Universidad Rafael Urdaneta (URU) y de La Universidad del Zulia (LUZ).
Como conclusión de esta investigación se obtuvo que el material seleccionado
para la construcción de la torre de enfriamiento fue acero galvanizado, con el fin
de reducir costos de construcción. La torre de enfriamiento permitió a los alumnos
adquirir una mejor perspectiva de la operación de un sistema de agua de
enfriamiento. Así como también, evaluó el desempeño de la torre dentro del
proceso en el cual está operando. Y finalmente el cambio de un soplador
centrífugo, propuesto en el diseño original, por un soplador Helicoidal resultó
eficiente y demostró que proporciona el mismo flujo de aire y permitió realizar el
proceso en forma óptima, sin variar ninguna de las variables restantes en el
diseño.
El aporte principal de dicha investigación es la ayuda que esta prestó para
aprender cómo arrancar y poner en marcha la torre para comenzar a trabajar con
la misma, así como el mantenimiento que debe hacerse para que la torre de
enfriamiento trabaje de mejor manera.
2.2 . Bases Teóricas.
2.2.1. Torre de Enfriamiento.
Las Torres de Enfriamiento son estructuras para refrigerar agua y otros
medios a temperaturas próximas a las ambientales. El uso principal de grandes
torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de
refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas
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petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones
industriales.
Existen diferentes formas de clasificar los tipos de torres de enfriamiento, ya
sea por conceptos de su termodinámica o por su diseño estructural, y aunque las
más conocidas son las más grandes, como las utilizadas en plantas nucleares o
plantas de generación eléctrica, lo cierto es que, los modelos de torres de
enfriamiento más comunes se encuentran en mayor cantidad en plantas de
proceso o industria en general. Usualmente son de tamaños pequeños o
medianos, generalmente de procedencia de alguna fábrica. Cuando las torres de
enfriamiento superan cierto tamaño, estas se fabrican y montan en el mismo lugar.
2.2.2. Clasificación de torres de enfr iamiento
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que
se suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para
suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua.
2.2.3. Torres de ci rculación natural
- Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas de aire, este penetra a
través de rompevientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones
del año y las condiciones atmosféricas.
- Tiro natural: Operan de la misma manera que una chimenea de un horno. La
diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior originan un
flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente
menos denso en la parte superior.
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2.2.4. Torres de tiro mecánico
- Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico
situado en la parte superior de la torre.
- Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de la torre y se
descarga por la parte superior.
2.2.5. Torres de Tiro Inducido
Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo
cruzado.
Torres de flujo a contracorriente: El flujo a contracorriente significa que el
aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos de agua
y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto (Fig.1).
La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en
contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas, el
aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se
consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la
elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de arrastre de
suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre.
La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una
gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en
comparación con las torres de flujo cruzado.
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Figura 1 Torre de flujo a contracorriente (tiro inducido).
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
Torres de flujo cruzado: En las torres de flujo cruzado, el aire circula en
dirección perpendicular respecto al agua que desciende (Fig. 2). Estas torrestienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura
total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas
torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido
a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes
internos de la torre.
La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para
aquellos casos en los que se requiera un gran salto térmico y un valor de
acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y
más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.
Figura 2 Torre de flujo cruzado (tiro inducido)
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
2.2.6. Torres De Tiro Forzado
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⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
−⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
+
⎪⎪
⎭
⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
−
⎪⎪
⎭
⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
=⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
sistemadeldentro
Consumo
sistemadeldentro
Generación
sistemadel
Límites
los por
Salidas
sistemadel
Límites
los por
Entradas
sistemadeldentro
n Acumulació
(1)
La acumulación puede ser positiva o negativa. La ecuación 1, se reduce a
la ecuación 2, para los casos donde no hay generación de materiales dentro del
sistema:
Acumulación = entradas – salidas (2)
Se reduce aún más a la ecuación 3 cuando no existe acumulación alguna
dentro del sistema, es decir, cuando el flujo está en estado estacionario:
Entradas = Salidas (3)
Entonces, asumiendo que la torre de enfriamiento esta en sistema estacionario y
no hay pérdidas de calor a lo largo de la torre, se tiene:
L1 G1=G’*Y1
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L2 G2=G’*Y2
Balance Global
L1 + G2 = L2 + G1 (4)
Balance de Agua
L1 + Gs2 Y2 = L 2 + Gs1Y1 (5)
Haciendo un análisis dimensional;
Kg agua + Kg A.S Kg agua = Kg agua + Kg A.S Kg agua
hr hr kg A.S hr hr kg A.S
Kg Agua = Kg Agua
hr hr
Asumiendo que:
Gs2 = Gs1 = Gs
La ecuación de balance de agua quedaría:
L1 - L 2 = G s (Y1 – Y2) (6)
Agua evaporada = Agua que absorbe el ai re
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2.2.8. Balance de energía
L1 H1 + Gs2 H2 = Gs1 H1 + L2 H2 (7)
Asumiendo que:
G s2 = Gs1 = Gs
La ecuación del balance de energía, quedaría:
Gs (H 2 - H 1) = L2 H2 – L1 H1 (8)
Calor absorb ido por el aire = calor perdido por el agua
2.2.9. Humedad Absoluta
Expresa el contenido de vapor en el aire y se define mediante la siguiente
ecuación:
B
A
M
M Y Y ×=′
(9)
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
Y`= Humedad másica absoluta
Y = Humedad molar absolutaM A = Peso molecular del agua
MB = Peso molecular del aire
2.2.10. Humedad Relativa
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Es la relación entre la presión parcial de vapor en el aire y la máxima presión
de vapor posible, es decir, la de saturación. Este valor carece de significado si no
se indican la presión y la temperatura a la cual corresponde. (Treybal, 1996)
(10)
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
2.2.11. Temperatura de Bulbo seco
Es la temperatura de una mezcla de vapor y gas, determinada de forma
ordinaria con el uso de un termómetro (Treybal, 1996). Es la medida con un
termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.
Esta temperatura junto a la temperatura de bulbo húmedo es utilizado en la
valoración del confort higrotérmico, en la determinación de la humedad relativa, en
la determinación del punto de rocío, en psicrometría para el estudio y
determinación del comportamiento de mezclas de aire.
2.2.12. Temperatura de Bulbo Húmedo
La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura en estado estacionario
alcanzada por una pequeña cantidad de agua líquida evaporada en una gran
cantidad de mezcla aire-vapor de agua no saturada. A partir de balances de
materiales y energía se obtuvo:
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Y G
BH BH
BH G
K H
Y Y T T T
)( '' −Λ=− (11)
Para determinar el vapor de Y con el uso de esta ecuación, es necesario utilizarel valor apropiado de HG/KY, está representada la relación psicrométrica. Los
datos experimentales para el sistema aire-vapor de agua predicen un valor para
HG/KY:
K Kg J
Y
G
K H
905= (12)
En el sistema aire-agua, el valor de HG/KY, se puede sustituir por CS (Calor
húmedo), bajo las condiciones de temperatura y de humedad utilizados
generalmente en los enfriadores de agua con aire. En los sistemas aire-agua la
temperatura de saturación adiabática es igual a la temperatura de bulbo húmedo.
2.2.13 . Equilibrio Entre Ai re Húmedo Y Agua.
El equilibrio termodinámico debe incluir tanto el equilibrio térmico como el
difusivo. El primero consiste en la igualdad de temperaturas, y el segundo en la
igualdad entre la tendencia del agua líquida a evaporarse (medida por su presión
de Saturación) y la tendencia del vapor de agua a condensarse (medida por su
presión parcial en el aire húmedo).
Esto quiere decir que los procesos de transferencia ocurren en caso de
desequilibrio, de forma tal que el flujo de calor se produce de la temperatura más
alta a la más baja y el flujo de masa de la presión de agua más alta a la más baja,
de forma totalmente independiente uno de otro. (Treybal, 1996)
2.2.14. Aproximación a la Temperatura de Bulbo Húmedo, ATBH
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Es la diferencia de temperatura entre el agua que sale de la torre y la de bulbo
húmedo del aire exterior. A medida que esta diferencia es más pequeña mucho
más difícil será el proceso de enfriamiento y mayor será la altura de contacto
requerida. Se define como: (Treybal, 1996)
(13)
2.2.15. Rango de Enfriamiento
Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente que entra a la torre y el
agua fría que sale. (Treybal, 1996)
(14)
2.2.16. Humidificación
La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una
transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor
externa. De hecho siempre que existe una transferencia de materia se transfiere
también calor.
Pero para operaciones como extracción, adsorción, absorción o lixiviación, la
transferencia de calor es de menor importancia como mecanismo controlante de
velocidad frente a la transferencia de materia. Por otro lado, en operaciones como
ebullición, condensación, evaporación o cristalización, las transferencias
simultáneas de materia y calor pueden determinarse considerando únicamente la
transferencia de calor procedente de una fuente externa.
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La transferencia simultánea de materia y calor en la operación de
humidificación tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro,
en el cual es prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentesaplicaciones además de la humidificación del gas, como son su deshumidificación,
el enfriamiento del gas (acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido,
además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas.
Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal
aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración, que será el objeto
de estudio de la práctica que nos ocupa. A grandes rasgos, el proceso que tiene
lugar en la operación de humidificación es el siguiente:
- Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o
con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosférico.
- Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.
- El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.- A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se
humidifica.
En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La
materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que
dependiendo de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se
condensa (deshumidificación).
Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacamos las
torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad. En ellas, el agua suele
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introducirse por la parte superior en forma de lluvia provocada, y el aire fluye en
forma ascendente, de forma natural o forzada. En el interior de la torre se utilizan
rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre las dos fases.
El Diagrama de humedad también llamado carta psicométrica, 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 2 se
representa el diagrama de humedad para la presión de 1 atm.
Figura 4: Diagrama de humedad
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Las impurezas del agua, tales como calcio y magnesio, pueden precipitar y
depositarse, dependiendo de sus concentraciones, temperatura. PH, alcalinidad y
otras características del agua.
2.2.20. Ensuciamiento
Los sólidos suspendidos, procedentes de fuentes internas o externas, pueden
sedimentar causando depósitos. El polvo y la suciedad del medio circundante se
acumulan gradualmente en el depósito de la torre en forma de lodo.
2.2.21. Formaciones Orgánicas
Estas formaciones orgánicas incluyen algas, limos y hongos. Estos pueden
causar el deterioro y pueden cubrir las superficies de transferencia de calor,
reduciendo la capacidad del sistema. El agua del sistema de enfriamiento ofrece
un ambiente favorable para el desarrollo de microorganismos.
2.2.22. Caudal de agua
t
V V caudal
i f
agua
)( −=
(15)
2.2.23. Porcentaje de Humedad (%H):
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100% ×=sat Y
Y H
(16)
0
0
A
A
sat
PP
PY
−
= (17)
A
A
PP
PY
−=
(18)
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
Donde:%H = Porcentaje de Humedad.
P A = Presión parcial.
P = Presión atmosférica.
2.2.24. Calor húmedo (Cs):
Para el sistema agua-aire:
Y Cs ′+= 884.1005.1 (19 )
FUENTE: R. TREYBAL (1996)
Donde:
Cs = Calor húmedoY ′= Humedad absoluta masica
2.2.25. Humedad relativa
Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad relativa y se
define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua, es decir, es la
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relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de aire
en unas condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si
estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una
muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre.
2.2.26. Volumen húmedo
Se define el volumen específico de un aire húmedo, también llamado
volumen húmedo simplemente, como el volumen ocupado, a una temperatura y
presión determinadas, por una masa de aire húmedo que contiene la unidad de
masa de aire seco
2.3. Cuadro de Variables
Operacionalización de la variable.
Fuente: Acquaviva Jonella, Ferrebuz Roberto.
Objetivo General: Evaluar experimentalmente una torre de enfriamiento en el
laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
Variable: Torre de Enfriamiento.
Definición conceptual: La torre de enfriamiento es un aparato que permite la
reutilización del agua, que sirve como medio refrigerante procedente de los
equipos industriales. Este enfriamiento se efectúa poniendo en contacto el agua
con aire sin saturar en condiciones tales, que el aire se humidifica y el agua se
pone aproximadamente a la temperatura de bulbo húmedo; transfiriendo el calor
al aire, el aire se desplaza dentro de la torre por gravedad en sentido contrario al
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agua. Todos los métodos para enfriar el agua por el procedimiento de ponerla en
contacto con el aire, entraña la subdivisión del agua en forma tal que presente la
mayor superficie posible.
Definición Operacional: La operación de la torre de enfriamiento tiene como
función la determinación de intervalos de temperatura y de humedad de la
misma. En el transcurso de la operación el sistema presentará el mismo intervalo
de temperatura, con la ayuda del sistema de calentamiento adecuado para dicha
operación y con esto se tomarán los datos necesarios para una apropiada
evaluación de la torre
Objetivo EspecificoVariable Dimensión Indicadores
Determinar los
intervalos de
temperatura y
humedad de la torre.
Intervalos de
temperatura y
humedad de la
torre.
Temperatura del bulbo
seco, bulbo húmedo y
temperatura del agua
Verificar el sistema de
calentamiento y
funcionamiento de la
torre
Sistema de
calentamiento
de la torre.
Temperatura de
entrada y salida del
agua.
Adaptar la torre de
enfriamiento para
utilizarla como practica
experimental.
Torre
De
Enfriamiento
Torre
De
Enfriamiento.
Implantación de
termocuplas, contador
de flujo y ducha con
resistencia.
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Realizar una guía de
práctica que permita a
los estudiantes hacer
uso de la torre como
parte de la práctica de
laboratorio.
Guía Práctica.
Fundamentación
teórica, Objetivos,
Preparación preliminar
del equipo,
Procedimiento
Experimental.
2.4. Definición de Términos Básicos
- Curva de Aproximación: Representa la diferencia entre la temperatura de
agua fría en la torre y la temperatura de bulbo húmedo.
- Deshumidificación: Esta se lleva a cabo enfriando la masa de aire hasta una
temperatura la cual la humedad de saturación sea la requerida.
- Humedad Absoluta: Es el peso del vapor de agua, capaz de transportar una
cantidad de aire seco en condiciones previamente determinadas, también
llamadas relación de humedad o saturación absoluta.
- Humedad Relativa: Es el cociente de la presión parcial del vapor de agua
entre la presión de saturación a la misma temperatura, también llamada
saturación relativa.
- Humidificación: Es el estudio de mezclas de aire y vapor de agua.
- Intercambiador de Calor: Este realiza una función doble; calienta un fluido
frío por medio de un fluido caliente que se enfría, no se pierde ninguna parte
del calor transferido.
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- Temperatura del Agua Caliente: Es la temperatura del agua a la salida del
proceso y entra a la torre de enfriamiento.
- Temperatura del Agua Fría: Es la temperatura del agua saliente de la torre
de enfriamiento y retornada al proceso.
- Temperatura de Bulbo Húmedo: La temperatura de bulbo húmedo es la
temperatura en estado estacionario alcanzada por una pequeña cantidad de
agua líquida evaporada por una gran cantidad de mezcla aire-vapor de agua
saturada.
- Temperatura de Bulbo Seco: Es la temperatura de la mezcla aire-agua
determinada por la simple inmersión de un termómetro de mercurio en la
solución acuosa.
- Tiro: Se refriere a la diferencia de presión necesaria para hacer fluir el aire a
través de un dispositivo tal como una torre de enfriamiento.
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produce el fenómeno, entrando en contacto con ellos; sus resultados se
consideran datos estadísticos originales, por esto se llama también a esta
investigación primaria".
De acuerdo con Bavaresco (1996) la observación directa se puede considerar
como la técnica de mayor importancia, por cuanto es la que conecta al
investigador con la realidad, es decir, al sujeto con el objeto o problema.
Por otra parte dicho autor también afirma que la observación documental o
bibliográfica viene a constituirse en el “hacer del (de la) científico(a)”, considera
que es casi imposible que un estudio escrito carezca del soporte documental, pues
conviene siempre revisar lo que ha ocurrido o acontecido en diferentes lugares o
tiempo, tanto con las mismas variables o con diferentes; de estudios de reputados
autores, artículos científicos o experimentos inéditos (sin publicar).
A su vez, Baena (1985) p.72 explica que “la observación documental es una
técnica que consiste en la selección y recopilación de información por medio de la
lectura y crítica de documentos y materiales bibliográficos, de bibliotecas,
hemerotecas, centros de documentación e información“.
Con lo antes mencionado se puede indicar que la recolección de datos se
realizó mediante una observación directa, puesto que el operador visualizó
personalmente los parámetros de la torre de enfriamiento al momento de su
funcionamiento. Dicho operador observó y recolectó datos directamente de la
variable a evaluar en este caso la torre de enfriamiento.
Asimismo, se empleó la observación documental, pues se consultó en los
textos la información relacionada a todo lo referido a evaluación y estudio de torres
de enfriamiento y a los parámetros de la misma.
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3.3.1. Instrumento de recolección de datos
TBS1 TBS2 TBH1 TBH2 TA1 TA2 Q
(°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (m3/seg)
∑=
Fuente: Acquaviva, Ferrebuz
3.4. Fases de la Investigación.
Las fases de la investigación son los pasos que se siguieron de forma
secuencial para la realización de este trabajo de acuerdo a los objetivos
propuestos. Dicha investigación se desarrolló a través de las fases que se
describen a continuación:
Fase I. Determinar los intervalos de temperatura y humedad de la torre.
Para determinar los intervalos de temperatura, se realizó varios experimentos
donde se controló el volumen de agua que entraba a la torre por unidad de tiempo,
con un contador de flujo y así poder tomar las temperaturas del agua. De igual
manera se tomó el tiempo que transcurría en cada toma de temperatura, para
finalmente calcular el caudal de agua que pasaba por la torre en ese instante.
t
V V caudal
i f
agua
)( −=
Donde:
Vf,Vi = volumen del agua en ( m3 )
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100% ×=sat Y
Y H
0
0
A
A
sat
PP
PY
−
=
A
A
PP
PY
−=
Donde:
%H = Porcentaje de Humedad.
P A = Presión parcial.
P = Presión atmosférica.
- Volumen húmedo:
Este valor se toma de la carta psicrométrica con los datos de temperatura de
bulbo seco y humedad másica absoluta. El punto de intersección con estos
valores da como resultado el volumen húmedo en las líneas de volumen en la
carta.
- Calor húmedo (Cs):
Para el sistema agua-aire:
Y Cs ′+= 884.1005.1
Donde:
Cs = Calor húmedo
Y ′= Humedad absoluta masica
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Fase II. Verificar el sistema de calentamiento y funcionamiento de la torre.
El sistema de calentamiento de la torre de enfriamiento se colocó en
funcionamiento para observar sus condiciones de operación y asimismodeterminar si tal sistema se encontraba apto para calentar el agua, de esta
manera simular que dicha agua venia de un proceso anterior. El sistema se
procedió a conectar a un toma corriente de 120 voltios, donde inmediatamente se
le suministró agua y posteriormente se observaron los valores de temperaturas a
la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento. Finalmente se comprobó que
dicha torre operaba de forma adecuada puesto que al analizar estos valores se
noto un diferencial de temperatura.
Fase III. Adaptar la torre de enfriamiento para utilizarla como practica
experimental.
La torre de enfriamiento se adaptó de manera que pueda ser incluida como una
de las prácticas del laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael
Urdaneta. A dicha torre se le colocaron unas termocuplas para determinar las
temperaturas antes mencionadas, siendo estas la temperatura de bulbo seco, la
temperatura de bulbo húmedo y la temperatura del agua, además de un contador
de flujo para medir el volumen de agua que circula por la torre, de manera
accesible y sofisticada para los estudiantes, y de tal forma poder usar ecuaciones
que puedan ser aplicadas por el estudiantado.
Fase IV. Realizar una guía práctica que permita a los estudiantes hacer uso de la
torre como parte de la práctica de laboratorio.
Se elaboró un manual para guiar a los estudiantes del Laboratorio de
Operaciones Unitarias en el manejo del equipo de torre de enfriamiento, donde
primeramente se explicó los objetivos de dicha práctica, así como una breve
fundamentación teórica acerca de torres de enfriamiento y su funcionamiento en
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CAPITULO IV
RESULTADOS Y ANALISIS
Luego de haber evaluado el funcionamiento de la torre de enfriamiento sellegó a los resultados obtenidos en función de los objetivos específicos planteados
en este trabajo de investigación, los cuales se presentan de la siguiente manera:
4.1. Determinar los intervalos de temperatura y humedad de la torre.
4.1.1. Intervalos de temperaturas
Para la determinación de las temperaturas se necesitaron instrumentos de
medición como lo son cables de termocuplas tipo K calibre 20, aislada en fibra de
vidrio y un potenciómetro o convertidor.
Termocupla tipo K calibre 20
Estas temperaturas fueron tomadas conectando un extremo de las
termocuplas al selector y el otro extremo en el punto especifico para la
determinación de las mismas. Posteriormente se conectaron los cables del
potenciómetro o convertidor a la salida del selector, arrojando así valores de
temperaturas
Selector
Los valores obtenidos fueron colocados en la siguiente tabla
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Tabla 1. Valores experimentales de temperaturas
TBS1 TBS2 TBH1 TBH2 TA1 TA2
(°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C )
25,4 20,9 21,6 19,8 32,3 22,326,3 21,4 22,1 20 28,7 22,2
26,5 21,8 22,2 20,1 27,1 22,1
26,8 22 22,3 20,3 26,4 22,1
26,8 22 22,4 20,2 25,9 22,1
∑= 26,36 21,62 22,12 20,08 28,08 22,16
Fuente: Acquaviva, Ferrebúz
4.1.2. Humedad de la torre
Para la realización de este objetivo fue necesario tomar los valores de
temperaturas del bulbo seco y bulbo húmedo, así como las temperaturas del agua
en el fondo y en el tope de la torre. Estas temperaturas están ubicadas en la
tabla 1 mostrada anteriormente
- Humedad absoluta.
Aplicando la ecuación (9), se determina la humedad molar absoluta
B
A
M
M Y Y ×=′
Donde:
Y`= Humedad másica absolutaY = Humedad molar absoluta
M A = Peso molecular del agua
MB = Peso molecular del aire
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-
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Para esto es necesario obtener el valor de la humedad masica absoluta por
medio de la carta psicométrica, utilizando los valores de temperaturas del bulbo
seco y húmedo. Calculo mostrado en la página 71
El valor obtenido de Y´ es de 0,013 Kg/ kga.s, a continuación se despeja Y
de la ecuación (9), para obtener el valor de la humedad molar absoluta
A
B
M
M Y Y ×′=
Donde:
Y´ = Humedad másica absoluta
Y = Humedad molar absoluta
M A = Peso Molecular del agua
MB = Peso Molecular del aire
Despejando:
sKmolaoKmolH KmolKg
KmolKgsKgaKgY ./0209.0
/02.18
/97.28./013.0 2=×=
- Humedad relativa.
El cálculo de humedad relativa se realiza haciendo uso de la carta
psicrométrica, entrando en el grafico con la temperatura de bulbo seco y el valor
obtenido de la humedad absoluta. Calculo mostrado en la página 71
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%77./013.0
88.21 02 =⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
=′
= Hr
skgakgY
C Tbs
- Porcentaje de humedad.
Aplicando la ecuación (16), se determina el porcentaje de humedad, usando el
valor de humedad absoluta obtenido anteriormente y el valor de humedad absoluta
de saturación conseguido con las presiones del sistema calculadas de la siguiente
manera:
100% ×=sat Y
Y H (16)
A
A
PP
PY
−= (18)
Donde:
AP = Presión absoluta
P = Presión atmosférica
Ysat= Humedad absoluta de saturación
%H = Porcentaje de humedad
%Hr = Humedad relativa
Despejando P A de la ecuación (18), y sustituyendo el valor obtenido en la
ecuación de humedad relativa, se consigue el valor de 0 AP , de la siguiente manera:
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KPaPP
KPa
P
P Hr
KPaPPkPa
P
PP
PY
A
A A
A
A
A
A
A
A
6940.21000744.2
77100%
0744.233.101
0209.0
0
00 =⇒×=⇒×=
=⇒−
=⇒−
=
Luego, se calcula la humedad absoluta de saturación Ysat con la ecuación
(17), y finalmente el porcentaje de humedad con la ecuación (16)
(17)
(16)
- Calor Húmedo.
Aplicando la ecuación (19), se tiene:
Cs = 1.005+ 1.884Y´
Donde:
Cs = Calor húmedo
%55.761000273.0
0209.0100%
0273.06940.233.101
6940.20
0
=×=×=
=−
=−
=
sat
A
Asat
Y
Y H
KPaKPa
KPa
PP
PY D E R E C
HO S R E S E R V
A DO S
-
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Calentador (HE-1601)
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4.3 Adaptar la torre de enfriamiento para usarla como practica experimental
A la torre de enfriamiento ubicada en el laboratorio de Operaciones Unitarias de
la Universidad Rafael Urdaneta, se le adaptaron dispositivos fundamentales para
la operatividad del equipo e instrumentos necesarios para obtención de datos
importantes al momento de conocer su funcionamiento.
Los equipos adaptados a mencionada torre fueron colocados de manera tal
que pudieran ser de fácil manejo y comprensión para el estudiantado. Los
equipos adaptados son:
- Termocuplas tipo K calibre 20
- Selector de temperaturas
- Contador de volumen
- Aislamiento térmico
El contador de volumen marca LECOMTE, es un contador que permite
medir el volumen de agua a la entrada de la torre en unidades de ( m3), este
contador fue colocado de manera que los estudiantes puedan observar y tomar los
valores de forma clara y precisa.
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El aislamiento térmico es un aislamiento de goma el cual no permite
producir perdidas con el ambiente, este aislamiento fue aplicado a partir del
calentador de forma tal de aislar toda la torre con el ambiente.
Donde se pudo utilizar las ecuaciones (5 y 7) debido a que el equipo no
presentas pérdidas con el ambiente y se dice que el calor absorbido por el aire =
calor perdido por el agua.
Balance de Agua
L1 + Gs2 *Y2 = L 2 + Gs1*Y1
Balance de energía
L1 H1 + Gs2 H2 = Gs1 H1 + L2 H2
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Donde:
L1, L2 = Flujo masico del agua
G’= flujo masico del gas
H1, H2 = Entalpías de entrada y salida del gas
h1, h2 = Entalpía de entrada y salida del agua
Q = 0.0133 m3/min * 993.24 kg/m3 => L1´ = L2´ = 13.21 Kg./min.
Con las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo se determinaron los
valores de entalpía del aire, con ayuda de las tablas de vapor y las temperatura
del agua se determinan las entalpía del agua
Se obtuvieron:
H1 = 65 sKgaKJ ./
H2 = 55 sKgaKJ ./
T1 = 28.08 oC @ h1 =117.4
T2 = 22.16 oC @ h2 = 92.33
min/.1175.3310
1747.331
)4.11733.92(21.13)6555(
112212
122211
sKgaGG
G
h Lh L H G H G
H Gh L H Gh L
=′⇒=′
−=−′
⋅−⋅′=⋅′−⋅′
⋅′+⋅′=⋅′+⋅′
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CFM ft Q
mQmKg
KgGQ
mKg
K K mol
J
molKgPa
aire
aire
aireaire
==
=⇒=′
=
=⇒
+⋅
=
min/2351.976
min/6439.27/198.1
min/1175.33
/198.1
)74.21º273)(º
314.8(
)/97.28)(0133.1(
3
3
3
3
ρ
ρ ρ
4.4 Realizar una guía práctica que permita a los estudiantes hacer uso de la torre
como parte de la práctica de laboratorio
Se desarrolló el diseño de una Guía de Práctica experimental, la cual
formará parte del programa del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Rafael Urdaneta. Para esta se tomaron los datos obtenidos con los
equipos en las pruebas piloto y se realizó la práctica de laboratorio basada en la
torre de enfriamiento. Como referencia se llevo a cabo una revisión documental
utilizando como marcos de referencia las prácticas ya implementadas en el
programa de Laboratorio de Operaciones Unitarias.
Se elaboró un manual de laboratorio para guiar a los estudiantes del
Laboratorio de Operaciones Unitarias en la operación del equipo de enfriamiento,
donde primeramente se explicó los objetivos de dicha práctica, así como una
breve fundamentación teórica acerca de torres de enfriamiento y su
funcionamiento en general para que los estudiantes tengan conocimiento acerca
del tema al momento de trabajar en la torre.
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Facultad de Ingeniería
Laboratorio de Operaciones Unitarias
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Operaciones UnitariasGuía de Prácticas
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CONCLUSIONES
1. Al determinar los intervalos de temperaturas y humedad de la torre de
enfriamiento se observo el comportamiento de la misma, realizando los cálculos
de humedad y diferencial de temperaturas el cual permitió su evaluación
ayudando así el desarrollo de los objetivos propuestos.
2. Al poner en funcionamiento la torre se observaron los rangos de
temperaturas arrojados en los experimentos a diferentes tiempos de operación,
dando como resultado intervalos de temperaturas de 5 oC. Obteniéndose así
una buena operación del calentador debido al incremento de temperatura
notado al momento de medir las mismas a la entrada de la torre luego de haber
pasado por el proceso de enfriamiento.
3. Luego de haber determinado los parámetros a estudiar se procedió a
adaptar la torre para usarla como practica experimental. Se analizó que al
colocarle unas termocuplas en el tope y fondo de la torre, esto permitió la
medición de la temperatura de bulbo húmedo, bulbo seco y temperaturas del
agua. Asimismo se aló un contador de volumen con el cual se pudo medir el
caudal del agua de entrada a la torre, ayudando así a una mejor evaluación y
posteriormente ser de fácil manejo por los estudiantes que cursan el
Laboratorio de Operaciones Unitarias.
4. Se realizo una guía de práctica para que los estudiantes de Laboratorio de
Operaciones Unitarias conozcan el funcionamiento de una torre de
enfriamiento, puedan tomar datos y obtener los parámetros estudiados en la
operación de la misma. La guía práctica se diseño para facilitar el manejo de la
torre por los alumnos, y aplicar los datos experimentales en el manejo de la
carta psicométrica empleando las diferentes ecuaciones para determinar la
humedad de la torre.
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RECOMENDACIONES
1. Al momento de usar la torre de enfriamiento, se debe tener en cuenta
el procedimiento experimental presentado en este trabajo para no acortar la
vida útil del equipo.
2. Se podría utilizar la torre de enfriamiento en conjunto con un sistema
de calentamiento como el intercambiador de calor carcaza y tubo ubicado
en el laboratorio de la Universidad Rafael Urdaneta de manera de estudiar
los equipos de forma simultánea.
3. Es importante colocar un filtro en el suministro de agua municipal
para evitar el paso de partículas que produzcan incrustaciones en las
tuberías, evitando así el deterioro de los equipos en funcionamiento.
4. El equipo será utilizado por los estudiantes de la Cátedra de
Operaciones Unitarias bajo la supervisión del profesor de laboratorio o su
asistente.
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ANEXOS
Facultad de IngenieríaLaboratorio de Operaciones Unitarias
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Operaciones Unitarias
Guía de Prácticas
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Sistema didáctico experimental de una torre de enfriamiento
Introducción:
Uno de los procesos más útiles, comunes y de uso más antiguo y a mayor
escala para lograr el enfriamiento de agua, es el que se realiza por medio de la
humidificación de aire, haciendo pasar este último a través de una corriente de
agua. Aún cuando existen varios diseños para lograrla humidificación, la forma
más conocida de realizar este proceso es por medio de una torre de
enfriamiento, la cual consiste en una serie de empaques sobre los que cae el
agua, logrando con esto que la corriente de agua se realice en pequeñas gotas,
formando una lluvia dentro del equipo. Las torres de enfriamiento se clasifican de
acuerdo al medio utilizado para suministrar aire a la torre:
1. Tiro Forzado: el ventilador se encuentra instalado en la parte inferior de la
torre, de manera que el aire es empujado para que fluya a través de ella.
2. Tiro Inducido: el ventilador se encuentra instalado en la parte superior de la
torre, con lo cual el aire es succionado para que pase a través de la misma.
3. Tiro Natural: no existe ventilador y el flujo de aire es consecuencia
únicamente de la convección natural.
En el equipo que se empleará en esta práctica el flujo de aire se realiza a
contra-corriente, para optimizar la transferencia de calor entre los dos flujos: el delagua y el del aire. En nuestro caso el aire se succiona por la parte inferior de la
torre. El fenómeno que se presenta consiste en una disminución de temperatura
del agua con respecto a la de la entrada.
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La cantidad teórica de calor que se puede transferir en este proceso, depende
de la temperatura y de la humedad del aire. Un indicador de la humedad del aire
es su temperatura de bulbo húmedo, debiéndose considerar que se realizará el
proceso de enfriamiento del agua sí la temperatura del agua es superior a la
temperatura de bulbo húmedo del aire que se está utilizando en el proceso y sí
este aire NO está saturado.
Objetivos:
- Conocer el funcionamiento y operatividad de una torre de enfriamiento.
- Aplicar los datos experimentales en el manejo de la carta psicométrica.
Descripción del equipo:
El equipo consta de una torre C-1601 con un soplador K-1601 y un calentador
HE-1601 con una bomba centrifuga P-1601, dos válvula de compuerta HV-1601,
HV-1602, dos termómetros bimétalicos TI-1601, TI-1602 y contador de agua CO-1601, también consta de un panel de control ubicado en la parte frontal de la mesa
de operación, la red de tuberías implantada están hechas de galvanizado.Véase
la figura 1
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Figura 1
Medidas de Seguridad:
- Se debe colocar lentes de seguridad
- Se debe llevar zapatos cerrados.
- Estar atento a cualquier fuga que se pueda presentar al momento de
colocar en funcionamiento la torre
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Procedimiento experimental:
- Revisar todas las conexiones y alimentaciones.
- Llenar el tanque HV-1603 de la torre a un 50% de su capacidad y un 100%
del tanque de alimentación de agua caliente HE-1601.
- Abrir completamente la válvula HV-1601 y la válvula HV-1602 con apertura
de ½ vuelta que alimenta la torre de enfriamiento.
- Una vez alcanzado la temperatura de 40 - 50 oC, graduar la descarga de la
bomba P-1601 con la válvula HV-1602 a ½ , vuelta, medir las temperaturas
para el caudal.
- Encender la bomba P-1601 que alimenta la torre
- Cada 5 minutos tomar las lecturas del contador CO-1601 de agua y verificar
todas las temperaturas de la torre.
Finalización de la Práctica.
- Se procede a apagar el calentador HE-1601 y la ducha
- Se procede apagar la bomba P-1601- Se procede apagar el soplador K-1601
NOTA: Deben seguirse estos pasos para proporcionar una buena durabilidad de
los equipos.
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Fundamentos Teóricos:
- Torres de enfriamiento:
Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en
grandes volúmenes porque son el medio más económico para hacerlo, si se
compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde
el enfriamiento ocurre a través de una pared.
En el interior de las torres se monta un empaque o relleno con el propósito de
aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. En
las torres se colocan deflectores o eliminadores de gotas o niebla que atrapan las
gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el
objeto de disminuir la posible pérdida de agua.
El agua se introduce por el tope de la torre por medio de vertederos o por
boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamientoocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo
con una corriente de aire que fluye en contracorriente, con una temperatura de
bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el
agua se enfría por transferencia de masa (evaporación) y por transferencia de
calor sensible y latente del agua al aire, el 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 de bulbo húmedo
del aire a la entrada de la torre.
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- Humedad Absoluta
Expresa el contenido de vapor en el aire y se define mediante la siguiente
ecuación:
B
A
M
M Y Y ×=′
Y`= Humedad másica absoluta
Y = Humedad molar absoluta
M A = Peso molecular del agua
MB = Peso molecular del aire
- Humedad relativa
Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad relativa y se define
como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua, es decir, es la
relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de aire
en unas condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si
estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una
muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre
- Porcentaje de humedad
Donde:
AP = Presión absoluta
P = Presión atmosférica
Ysat= Humedad absoluta de saturación
%H = Porcentaje de humedad
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- Calor Húmedo.
Para el sistema agua-aire:
Y Cs ′+= 884.1005.1
Donde:
Cs = Calor húmedo
Y ′= Humedad absoluta masica
- Volumen húmedo:
Se define el volumen específico de un aire húmedo, también llamado
volumen húmedo simplemente, como el volumen ocupado, a una temperatura y
presión determinadas, por una masa de aire húmedo que contiene la unidad de
masa de aire seco
- Temperatura de Bulbo seco
Es la temperatura de una mezcla de vapor y gas, determinada de forma
ordinaria con el uso de un termómetro
- Temperatura de Bulbo Húmedo
La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura en estado estacionario
alcanzada por una pequeña cantidad de agua líquida evaporada en una gran
cantidad de mezcla aire-vapor de agua no saturada- Rango de Enfriamiento
Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente que entra a la torre y el
agua fría que sale
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- Diagrama de humedad
También llamado carta psicométrica, 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 2 se representa el diagrama de humedad
para la presión de 1 atm.
DATOS:
Qaire= 976.2351 CFM
Pdensidad= 1.198 kg/m3
Ppresion=101.33 Kpa
Instrumento de Recolección de Datos
Tabla 1. Valores experimentales de temperaturas
TBS1 TBS2 TBH1 TBH2 TA1 TA2 VF VI T Posicion
(°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (°C ) (m3) (m3) (Seg)
∑=
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Figura 2
Carta Psicométrica
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NOMENCLATURA
Tbs1 = Temperatura Bulbo seco tope
Tbs2 = Temperatura bulbo seco fondo
Tbh1 = Temperatura bulbo húmedo tope
Tbh2 = Temperatura bulbo húmedo fondo
TA1 = Temperatura de entrada del agua
TA2 = Temperatura de salida del agua
VI = Volumen inicial
VF = Volumen final
T = Tiempo
Posición = Apertura de la válvula
Y1, Y2 = Humedad absoluta
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