torres de enfriamiento

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA: INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPROFA. YADIRA LÓPEZPROF. ALEXIS FANEITE

Práctica Nº 4.Humidificación y

enfriamiento de agua

REALIZADO POR:ESTEFANI URDANETA

C. I. 18409581SECCIÓN: 061

Práctica #4. Humidificación y enfriamiento de agua

MARACAIBO, 18 DE JULIO DE 2011

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 3JUSTIFICACIÓN 41. Marco teórico

1.1. Torres de enfriamiento de agua. Concepto……………………….

5

1.2. Partes de una torre de enfriamiento de agua………….…………

5

1.3. Tipos de torres de enfriamiento…….……………………..………….

7

1.3.1. Torres de circulación natural……………………………………

7

1.3.2. Torres de tiro mecánico….………………………………………

7

1.3.3. Torres de flujo cruzado……………………………………………

8

1.4. Conceptos Básicos: Humidificación, Temperatura de Bulbo Húmedo, Temperatura de Bulbo Seco, Punto de Rocío, Humedad Absoluta, Humedad Relativa, Volumen Húmedo, Calor Húmedo, Rango y Aproximación de una Torre de Enfriamiento de Agua, Característica de la Torre…………………………..…………………...……………………….. 8

2. Marco Metodológico2.1. Materiales y Equipos……………………...

…………………………..11

2.2. Descripción del Equipo…………………………………………..…..

11

2.3. Procedimiento Experimental…………………….………………….

14

3. Resultados y Discusión3.1. Datos Experimentales..

……………………………………………….16

3.2. Análisis y Discusión de resultados…………………………………..

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CONCLUSIONES 26RECOMENDACIONES 27REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 28APÉNDICE 29ANEXOS 39

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INTRODUCCIÓN

El proceso de humidificación permite el enfriamiento de agua, mediante una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa. Éste es uno de los procesos industriales de gran importancia, debido a que el agua caliente proveniente de la refrigeración de la mayoría de los procesos industriales puede ser enfriada con el aire y ser reutilizada, de esta manera se disminuyen los costos.

Las operaciones básicas para el proceso de humidificación son el acondicionamiento de gases y el enfriamiento de líquido, la principal aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración. Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacan las torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad, hay diferentes tipos de torres y además estas cuentan con rellenos de diversos tipos en el interior de la torre que favorecen el contacto entre las dos fases.

En el presente informe se evaluara el desempeño de una torre de tipo forzado. Se determinará el balance de masa y de energía del proceso, el rango de enfriamiento de la torre, la aproximación a la temperatura del bulbo húmedo del equipo, se estudiarán las variaciones tanto en la humedad absoluta como en la humedad relativa, así como las características de la torre y su eficiencia.

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http://www.monografias.com/trabajos/aireacondi/aireacondi.shtml


JUSTIFICACIÓN

El proceso de humidificación es muy importante ya que permite el acondicionamiento de gases y enfriamiento de líquidos. A nivel industrial es muy importante el enfriamiento de aguas después de un proceso, con el fin de poder ser utilizada nuevamente. Este proceso también es usado para controlar la humedad presente dentro de un espacio. El conocimiento del proceso de humidificación, así como los cálculos implicados en ella, serán útiles en el diseño y análisis de diferentes sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos. Así mismo, resulta imprescindible conocer las propiedades de las mezclas aire – vapor de agua en el diseño de sistemas tales como equipos de aire acondicionado para conservar alimentos frescos, secaderos de granos de cereal y torres de enfriamiento en plantas de procesado de alimentos.

El sistema de la torre de enfriamiento de agua, equipo marca TECHNOVATE, utilizado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias II, es utilizado para ofrecer una base al estudiante y dar una herramienta de aprendizaje, para así entender el proceso de humidificación y enfriamiento de agua, y las variables por la cual está afectado.

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http://www.monografias.com/trabajos14/plantas/plantas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/aireacondi/aireacondi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/andi/andi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/separacion-mezclas/separacion-mezclas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/alim/alim.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/dispalm/dispalm.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml#ANALIT

http://www.monografias.com/trabajos13/diseprod/diseprod.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/epistemologia2/epistemologia2.shtml

http://www.monografias.com/trabajos35/el-poder/el-poder.shtml


MARCO TEÓRICO

1.1. Torres de enfriamiento de agua. Concepto

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato.

Las torres pueden ser de muchos tipos, con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera. Es común la impregnación de la manera, bajo presión con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto. Pueden empacarse con empaques plásticos. El empaque de plástico puede ser polipropileno, moldeado en forma de enrejado o alguna otra forma. El espacio vacío es muy grande, generalmente mayor del 90% con el fin de que la caída de presión del gas sea lo más baja posible. Como consecuencia la superficie de la interfase no sólo incluye la superficie de las películas líquidas que humedecen el empaque, sino también la superficie de las gotas que caen como lluvia desde cada fila de empaque hacia la siguiente.

1.2. Partes de una torre de enfriamiento de aguaa) Sistema de distribución de agua: Hace referencia a la

manera como se vierte el agua sobre la torre. Existen dos tipos de sistemas, uno que opera por gravedad y otro por presión. El primero se compone de un recipiente y unos agujeros que distribuyen el agua; tiene bajos costos de operación debido a la poca potencia de bombeo que requiere y es de fácil mantenimiento. Sin embargo no se usa en torres que operen a contraflujo debido a las dificultades que presentan en la distribución uniforme del agua. El segundo se compone de sistemas de pulverización con toberas orientadas hacia abajo que pueden ser en

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forma de espina de pescado o rotativas. Brindan mayor rendimiento al sistema pero su mantenimiento es más frecuente, y los consumos energéticos son mayores.

b) Relleno: Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor tiempo y área de contacto del aire con el agua. El relleno debe provocar poca resistencia al paso de aire y mantener una distribución uniforme del agua durante todo su recorrido. Pueden diferenciarse dos tipos de relleno: de goteo y de película o laminares. En los rellenos de goteo las gotas de agua caen sobre una serie de pisos superpuestos que van haciendo la gota cada vez mas pequeña. Puede presentar arrastre de gotas, por lo que se recomienda el uso de eliminadores de gota. Los rellenos laminares proporcionan mayor capacidad de enfriamiento, son mas eficientes y no producen tanto goteo al exterior del equipo, sin embargo requiere un mantenimiento más frecuente.

c) Eliminadores de gotas: Los eliminadores básicamente retienen las gotas de agua arrastradas por el aire que salen de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que redireccionan el flujo y separan las gotas del aire, haciéndolas caer de nuevo sobre el relleno, tienen dos efectos positivos; el primero es reducir la reposición del agua y el segundo evitar la formación de ambientes saturados que puedan afectar las torres adyacentes.

d) Chimeneas: Se emplean en torres de tiro inducido para mejorar el comportamiento del ventilador y evitar efectos de recirculación de aire.

e) Ventiladores: En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de tiro forzado e inducido y centrífugos para torres de tiro forzado. Los ventiladores axiales son apropiados para mover grandes volúmenes de aire y tienen mayores aplicaciones en equipos industriales grandes. Los ventiladores centrífugos son adecuados para impulsar caudales relativamente pequeños con mayores caídas de presión.

f) Bombas: Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre. Consumen una fracción importante de la potencia requerida en todo el sistema. Cuando se trata de instalaciones grandes debe haber una bomba en reposo que pueda entrar en operación para efectos de mantenimiento o reparación de las otras.

g) Control: En la mayoría de los sistemas de torres de enfriamiento basta con un control de nivel en la piscina de agua que controla la entrada de la reposición.

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Figura 1. Componentes de una torre de enfriamiento.

1.3. Tipos de torres de enfriamiento1.3.1. Torres de circulación natural

a) Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

b) Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado.

Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 pie alto y 400 pie de diámetro), se utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm. Son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas.

1.3.2. Torres de tiro mecánico El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas

aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios.

El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las dos formas siguientes:

a) Tiro Inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.

b) Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior.

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Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre. El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y además permite una distribución interna más uniforme del aire.

1.3.3. Torres de flujo cruzadoEl aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a

través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope. Las torres de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente.

Figura 2. Esquemas de los diferentes tipos de torres de enfriamiento.

1.4. Conceptos Básicos.

a) Humidificación: Es la operación de transferencia de masa donde se incrementa la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa al ponerse en contacto con un líquido puro. La transferencia de masa hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase líquido-gas ocurre una transferencia simultánea de calor y masa.

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b) Temperatura de Bulbo Húmedo: Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra cubierto de un material humedecido con agua. El paso del aire en contacto con el termómetro cuyo bulbo está húmedo, provoca la evaporación del agua hasta que se logra la saturación del aire. La temperatura que registra dicho termómetro es inferior a la observada en un termómetro de bulbo seco, debido a que la evaporación del agua en el bulbo húmedo requiere calor que se toma del termómetro logrando su enfriamiento.

c) Temperatura de Bulbo Seco: Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra en contacto directo con el sistema

d) Punto de Rocío: Es la temperatura del aire en condiciones de saturación. Se evalúa determinando la temperatura de saturación a la presión de vapor en la mezcla. Cuando ocurre la saturación la temperatura de bulbo húmedo, seco y punto de rocío tienen el mismo valor.

e) Humedad Absoluta: Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa. Tiene unidades de kg de agua / kg de aire seco.

Y= MvMg

Ym= MvMg

∗pv

P−pv

f) Humedad Relativa: Es la relación que existe entre la presión del vapor en la mezcla y la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de bulbo seco en que se encuentra la mezcla. Puede definirse también como la relación entre la masa de vapor de agua de la muestra y la máxima cantidad de vapor de agua posible a las condiciones dadas. Tiene unidad de fracción o porcentaje y varía entre el 0 y el 100%. Se expresa como:

g) Volumen Húmedo: Es el volumen ocupado por la mezcla que contiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

V=( 1Mg

+ YMv ) RT

P

Para la mezcla aire-vapor de agua, tomando P en atmosferas y T en ºK, el volumen especifico, en m3/Kg de aire seco, viene dado por

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V=( 129

+ Y18 ) 0 .082 T

P

h) Calor Húmedo: Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1ºC su temperatura, manteniendo constante la presión:

ch=Cpg+Cpv Y

i) Rango: Es la diferencia entre las temperaturas del agua caliente y el agua fría, es decir, a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento.

j) Aproximación: El acercamiento, aproximación o approach es la diferencia de temperatura entre el agua que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. Mientras menor sea el acercamiento mayor será el tamaño de la torre. Esta se recomienda se encuentre entre 2.5 y 5ºC.

k) Característica de la Torre: Valor adimensional que toma en cuenta la entalpía del proceso y la correspondiente en el equilibrio, evaluada entre la temperatura de entrada y salida del líquido.

MARCO METODOLOGICO

2.1. Materiales y EquiposLos materiales y equipos necesarios para la realización de esta

práctica son los listados a continuación:

Materiales y Equipos SuministroOtros

materiales

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Agua Electricidad (220V) Papel absorbenteAire AguaTorre de enfriamiento a escala piloto marca TECHNOVATE (Model 7145 Water Cooling Tower)BombaCronómetroSopladorManómetro Diferencial de PresiónTermómetroMedidor de Presión de VacíoPistola Psicométrica con termómetro marca superior escala -10 a 50 ºC y precisión 1º CSondaCinta Métrica

2.2. Descripción del equipo

La Torre de enfriamiento de tiro forzado a escala piloto marca TECHNOVATE (Model 7145 Water Cooling Tower) consta de rejillas metálicas tipo salpique. En esta torre el agua proveniente de Hidrolago pasa por las resistencias, entra por la parte superior de la torre y es distribuido por las rejillas, se pone en contacto con el aire que entra por la parte inferior de la torre y proviene de un soplador, la apertura de este dependerá de la caída de presión observada en el manómetro diferencial de presión que se encuentra acoplado a un placa orificio. El contacto del agua con el aire da lugar a la transferencia de masa y energía.

A lo largo del equipo se encuentran distribuidos 6 termómetros bimetálicos que permiten monitorear las temperaturas durante la experiencia, y además posee 4 conexiones en las cuales se acopla la pistola psicométrica, que permitirá leer las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco. La pistola psicrométrica se encuentra conectada al medidor de presión de vacío del equipo.

El equipo posee una bomba de recirculación que es accionada a través del panel de control, esta permite reponer el agua perdida por arrastre y evaporación, cada vez que se observa en el tanque de cabecera un descenso del nivel. El nivel del sumidero es controlado por la válvula de recirculación. Y además el equipo cuenta con un rotámetro que permite controlar el flujo de agua a la torre.

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La Torre de enfriamiento a escala piloto marca TECHNOVATE (Model 7145 Water Cooling Tower) se muestra en la figura 3.

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Interruptor Principal

Interruptor de

equipo

Rotámetro

Válvula de control del rotámetro

Interruptor soplador

Manómetro diferencial de presión

Medidor de presión de vacío

Tanque de cabecera

Salida del aire

Válvula de drenajePurga

Válvula de los

rebosaderos

Medidor de flujo, tipo:

placa orificio

Bomba

Termómetro bimetálico

Rejilla metálica

tipo salpique

Conexión para medir humedad

Pistola psicrométrica

Soplador

Válvula de hidrólago

Entrada de agua

Interruptor de la BombaRecirculación del agua

Resistencias


Figura 3. Equipo usado en el laboratorio.

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2.3. Procedimiento Experimental

1. Comisionar el tambor de cabecera y el sumidero de fondo.

1.1. Se cerró la válvula de drenaje. 1.2. Se abrió la válvula de los rebosaderos HV – 405. 1.3. Se abrió la válvula de entrada de agua HV – 4011.4. Se abrió la válvula HV – 402 hasta alcanzar el nivel de

operación en el tambor de tope T – 401 y el sumidero de fondo T – 402.

2. Establecer el flujo de agua en la Torre.

2.1. Se cerró la válvula de entrada de agua HV – 402.2.2. Se abrió completamente la válvula de recirculación HV – 403

y se puso en servicio la bomba P – 401 accionando el botón HS – 406 en el panel de control.

2.3. Se abrió la válvula HV – 404 y fije el rotámetro FG – 401 en 1 gpm.

2.4. Se controló con la válvula HV – 403 el nivel del sumidero T – 402.

3. Establecer el flujo de aire.

3.1. Se puso en servicio el soplador B – 401 accionando el botón HS – 401A en el panel de control.

3.2. Se reguló la apertura del soplador hasta que se registró una caída de presión de aproximadamente 5in H2O en el manómetro diferencial de presión PDG – 401 acoplado al placa de orificio FE – 401.

3.3. Se activaron las resistencias E – 401C y E – 401D accionando los botones HS – 404 y HS – 405 respectivamente.

3. Monitoreo de las variables hasta estado estacionario.

4.1. Se monitorearon las temperaturas en los medidores TG – 401, TG – 402, TG – 403, TG – 404, TG – 405 y TG – 406 cada 1 minuto, hasta que se repitieron todas las mediciones 5 minutos seguidos alcanzando así el estado estacionario.

Nota: La temperatura se siguió monitoreando hasta que se termino el experimento.

4.2. El agua perdida por evaporación y arrastre se repuso abriendo poco a poco la válvula HV – 402, cada vez que el nivel del tambor de tope T -401 disminuía su nivel de operación, una vez alcanzado el nivel se cerraba dicha válvula.

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4. Medición de los perfiles del aire en la Torre.

5.1. Se conectó la pistola psicrométrica al medidor de presión de vacío VPG – 401 por la conexión PGC – 401, y este a su vez se conectó a la entrada del soplador B – 401.

5.2. El medidor de presión de vacío VPG – 401 fue calibrado en 1in H2O controlando la válvula HV – 406.

5.3. Se colocó la pistola psicrométrica en la entrada del soplador B – 401 durante 5 minutos y leyeron las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco.

5.4. Las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco en la torre de enfriamiento CT – 401 se midieron introduciendo la pistola psicrométrica, a la que se le debe acoplar una sonda, en las conexiones MC – 401, MC – 402, MC – 403 y MC – 404 durante 5 minutos.

NOTA: Los agujeros de la sonda se colocaron hacia abajo para minimizar la entrada de agua a la pistola

psicrométrica.5.5. Se desconectó la pistola psicrométrica del sistema.

6. Parada del equipo.

6.1. Se apagaron las resistencias E – 401C y E – 401D accionando los botones HS – 404 y HS – 405 respectivamente.

6.2. Se apagó la bomba P – 401 accionando el botón HS – 406 y se cerró la válvula HV – 403.

6.3. Se apagó el soplador B – 401 accionando el botón HS – 401B.6.4. Se cerró la válvula HV – 401 y abrió completamente la válvula

HV – 404.6.5. Se abrió la válvula de drenaje para desechar el agua.6.6. Se midió con una cinta métrica el largo, ancho y espesor de la

torre de enfriamiento CT – 401

7. Medir las dimensiones de la torre y la presión atmosférica.

7.1. Se midió la presión atmosférica con un barómetro.7.2. Se midieron las alturas de las tomas TG y MC de la columna.

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN3.1. Datos Experimentales1. Datos Iniciales

Presión barométrica (mmHg) 758Temperatura ambiente (ºC) 22

Dimensiones de la columna Largo (m) Ancho (m) Profundidad (m)

0,985 0,306 0,296

2. Datos del proceso de humidificación en estado estacionario

Temperatura de bulbo seco a la entrada del soplador (ºC) 27 Temperatura de bulbo húmedo a la entrada del soplador (ºC) 24

Resistencias encendidas Aporte (KJ/s)3 2,54 2,5

Posición de

Termómetro

Altura de la toma

(m)

Temperatura del agua

(ºC)

Temperatura de bulbo seco (ºC)

Temperatura de bulbo

húmedo (ºC)

1 0.985 30,8333 28 27,52 0.785 29,1667 27,5 273 0.395 26,6667 27 26,54 0 23,3333 26 25,5

Variables Valor UnidadTemperatura del

sumidero23,3333 ºC

Temperatura del agua 35,5666 ºCCaudal de agua 1 gal/min

ΔP del aire 5 in H2O

3. Datos para la tendencia de la temperatura con respecto al tiempo

Temperatura (ºC) Termómetro

Tiempo (min) 1 2 3 4 5 60 27,77778 25,55556 24,44444 23,33333 21,11111 23,333331 33,33333 26,11111 24,44444 23,88889 21,66667 22,222222 34,44444 27,22222 25,55556 21,66667 22,22222 22,222223 34,44444 28,33333 26,66667 25,00000 22,22222 22,222224 34,44444 28,88889 27,22222 25,00000 22,77778 22,77778

16


5 34,44444 29,44444 27,50000 25,55556 22,77778 22,777786 34,44444 30,00000 27,77778 26,11111 23,33333 23,333337 34,44444 30,00000 28,05556 26,11111 23,33333 23,333338 34,44444 30,27778 28,33333 26,38889 23,33333 23,333339 34,44444 30,55556 28,88889 26,66667 23,05556 23,33333

10 34,44444 30,55556 28,33333 26,66667 23,33333 23,6111111 35,55556 30,55556 28,61111 26,66667 23,33333 23,6111112 35,55556 30,55556 28,88889 26,66667 23,88889 23,8888913 33,33333 31,11111 29,16667 26,94444 23,88889 23,8888914 35,55556 30,83333 29,16667 26,94444 23,88889 23,8888915 35,55556 30,83333 28,88889 26,94444 23,88889 23,8888916 35,55556 31,11111 29,16667 26,94444 23,88889 23,8888917 35,55556 31,11111 28,88889 26,94444 23,88889 23,8888918 35,55556 31,11111 28,88889 26,94444 23,88889 23,8888919 35,55556 31,11111 28,88889 26,66667 23,33333 23,8888920 35,55556 31,11111 29,16667 26,66667 23,33333 23,8888921 35,55556 30,83333 28,88889 26,66667 23,33333 23,6111122 35,55556 30,83333 29,16667 26,66667 23,33333 23,3333323 35,55556 30,83333 29,16667 26,66667 23,33333 23,3333324 35,55556 30,83333 29,16667 26,66667 23,33333 23,3333325 35,55556 30,83333 29,16667 26,66667 23,33333 23,3333326 35,55556 30,83333 29,16667 26,66667 23,33333 23,3333327 35,55556 30,55556 28,88889 26,66667 23,33333 23,3333328 35,55556 30,55556 28,88889 26,66667 23,33333 23,6111129 35,55556 30,55556 28,88889 26,66667 23,33333 23,6111130 35,55556 30,55556 28,88889 26,66667 23,33333 23,6111131 35,55556 30,55556 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111132 35,00000 30,55556 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111133 35,55556 30,55556 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111134 35,55556 30,55556 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111135 35,55556 30,55556 29,16667 26,94444 23,61111 23,6111136 35,55556 30,83333 29,44444 26,94444 23,61111 23,6111137 35,55556 30,55556 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111138 35,55556 31,11111 29,16667 26,94444 23,61111 23,6111139 35,55556 30,00000 29,16667 26,94444 23,61111 23,6111140 35,55556 30,27778 29,44444 27,22222 23,88889 23,6111141 35,55556 30,55556 29,44444 27,22222 23,88889 23,8888942 35,55556 30,27778 29,16667 27,22222 23,88889 23,8888943 35,55556 30,55556 29,16667 27,22222 23,88889 24,1666744 35,55556 30,27778 29,16667 26,94444 23,88889 24,1666745 35,55556 30,27778 29,16667 26,94444 23,61111 24,1666746 35,55556 30,00000 28,88889 26,94444 23,61111 24,16667

17


47 35,55556 30,27778 28,88889 26,94444 23,61111 24,1666748 35,55556 30,27778 28,88889 26,94444 23,61111 23,6111149 35,55556 30,00000 28,88889 26,94444 23,33333 23,6111150 35,55556 30,55556 28,88889 26,94444 23,33333 23,6111151 35,00000 30,00000 28,88889 26,94444 23,33333 23,6111152 35,00000 30,00000 28,88889 26,66667 23,33333 23,6111153 34,44444 30,00000 28,88889 26,11111 23,33333 23,6111154 34,44444 29,72222 28,61111 26,11111 23,33333 23,0555655 33,88889 29,72222 28,33333 26,11111 22,22222 22,2222256 34,44444 29,44444 28,05556 25,83333 22,22222 22,2222257 33,88889 29,44444 28,05556 25,83333 22,22222 22,5000058 33,88889 29,44444 27,77778 25,83333 22,22222 22,5000059 33,88889 29,16667 27,77778 25,83333 22,22222 22,5000060 33,33333 29,44444 27,50000 25,83333 22,22222 22,50000

3.3. Análisis y Discusión de resultados

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4050

70

90

110

130

150

170

Curva de Equilibrio Aire - Agua

Curva de equilibrioLinea de operacion

Temperatura del Líquido °C

Enta

lpia

de

aire

-vap

or d

e ag

ua K

J/kg

aire

seco

Gráfico #1. Curva de equilibrio con los datos obtenidos por la sección 061.

Como se puede observar, al representar gráficamente los datos obtenidos en la práctica para la sección 061, la línea de operación se encuentra por encima de la curva de equilibrio representando un proceso de deshumidificación, esto representa un error en la toma de datos ya que es un proceso de humidificación por lo que la línea de operación se

18


debe encontrar debajo de la curva de equilibrio. Por lo tanto fue necesario cambiar los datos por los obtenidos por la sección 062.

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4050

70

90

110

130

150

170

Curva de equilibrio Aire - Agua

Curva de equilibrioLinea de operación


Enta

lpia

de

aire

-vap

or d

e ag

ua K

J/kg

aire

seco

Gráfico #2. Curva de equilibrio con los datos obtenidos por la sección 062.

Como se puede observar, al representar gráficamente los datos obtenidos en la práctica para la sección 062, existe una intersección entre la línea de operación y la curva de equilibrio, esto representa un error en la toma de datos ya que es un proceso de humidificación por lo que la línea de operación se debe encontrar debajo de la curva de equilibrio. Por lo tanto fue necesario asumir un ATBH, que de acuerdo a la bibliografía, éste se encuentra entre 2,5 - 5°C, para así calcular la temperatura de salida del líquido que fuera coherente.

19


Gráfico #3. Curva de equilibrio obtenida al asumir un ATBH.

Al asumir el ATBH y representar nuevamente los datos, se puede observar como se obtiene la línea de operación por debajo de la curva de equilibrio, siendo consistente con la representación de un proceso de humidificación, se puede observar como la línea de operación es de pendiente positiva, ya que el agua se enfrió disminuyendo su temperatura y además la entalpia aumentó ya que el aire se calentó a medida que subía por la torre, tomando como segundo punto el tope de la torre y primer punto el fondo de la torre.

Tabla #1. Balance de masaFlujo de Aire seco, G’ 0.0881 kgas / s

Flujo de Aire seco por unidad de área, G’s 0.9792 kgas /m2 sMasa de Agua transferida , M 0.0002 kg /s

Flujo de Agua en la entrada, L2 0.0628 kg /sFlujo de Agua en la salida teórico, L1,

teórico

0.0626kg /s

Flujo de Agua en la salida experimental, L1, exp

0.0625 kg /s

Porcentaje de error de flujo de agua de salida 0.16 %Flujo de Agua promedio, Lpromedio 0.0627kg /sFlujo de Agua por unidad de área, Ls 0.6969 kg /m2 s

Humedad de aire en la entrada, Y1 0.0206 Kg/Kg asHumedad de aire a la salida, Y2 0.0232 Kg/Kg as

20

25 26 27 28 29 30 31 3270

80

90

100

110Curva de equilibrio Aire - Agua

Curva de equilibrio

Linea de operacion


Enta

lpia

de

aire

-vap

or d

e ag

ua K

J/kg

aire

seco


Flujo de Aire en la entrada, G1 0.0899 kg /sFlujo de Aire en la entrada, G2 0.0901 kg /sPérdidas de agua por arrastre, A 6.27 ×10−5 kg/ s

Flujo de agua evaporada, E 2.2906 ×10−4 kg /sFlujo de agua por reposición, R 2.9176 ×10−4 kg /s

De acuerdo con los datos obtenidos en el balance de masa, se puede observar que la transferencia de masa fue muy poca, el flujo de agua disminuyó a medida que descendía por la torre esto se debe a las pérdidas por evaporación y por arrastre de gotas de agua en el aire que asciende en contracorriente, cuyo flujo aumentó al igual que su humedad, saturándose.

Tabla #2. Balance de energíaEntalpía de Entrada del aire, H’1 79 KJ/Kg as

Entalpía de Salida del aire, H’2 88 KJ/Kg asCalor Absorbido por el sistema teórico, QG 5 KJ / s

Calor Absorbido por el aire, QG 0.7929 KJ / s

Calor Cedido por el agua, QL 0.7439 KJ / s

Calor perdido por el sistema teórico, Qp, teórico

4.9726 kJ /s

Calor perdido por el sistema experimental, Qp, exp

−0.049 KJ / s

Porcentaje de error de calor perdido 100,985 %Entalpía de salida del agua, h1 117.3 KJ/s

Entalpía de entrada del agua, h2 129.1165 KJ/s

De acuerdo con los datos obtenidos en el balance de energía, se puede observar que hubo un aumento en la entalpía del aire mientras que la entalpía del agua disminuyó, y que se generaron pérdidas de calor ya que el sistema no se encontraba aislado, se obtuvo una pérdida de calor experimental negativa, esto se debe posiblemente a errores generados en la toma de datos o errores operacionales durante la realización de la práctica.

Tabla #3. Características de la torreRango de enfriamiento, R 2.8333℃

Aproximación a temperatura de bulbo húmedo, ATBH 2.5℃Característica de la torre 0.8958Altura teórica; h, teórica 0.5528 m

Eficiencia, η 56.12 %

21


En cuanto a las características de la torre, la aproximación de bulbo húmedo fue tomada de la bibliografía debido a que con los datos obtenidos en la práctica no era posible representar el proceso de humidificación. Además se obtuvo el rango de enfriamiento lo que define el desempeño de la torre, siendo este muy bajo ya que el rango es muy pequeño y no se logra un enfriamiento significativo del agua. También se realizó el cálculo de la eficiencia de la torre el cual fue bajo, pero hay que tomar en consideración que la correlación usada para el cálculo de la altura teórica fue la de Simpson y Sherwoord para listones de madera, ya que no se cuenta con una correlación adecuada para el empaque (rejillas metálicas) de la torre usada en esta práctica, lo que genera errores significativos en este cálculo.

0 1 2 3 4 5 6 720

22

24

26

28

30

32

34

Perfil de temperatura del gas y de líquido

Temperatura del liquidoTbs gasTbh gas

Punto de la torre

Tem

pera

tura

(°C)

Gráfico #4. Perfil de temperatura de gas y de líquido en la torre.

Al graficar la temperatura de gas y líquido a lo largo de la torre, se puede evidenciar el error de los datos, ya que se observa como la temperatura de bulbo de húmedo del gas es mayor a la temperatura de salida del gas. Por otra parte se observa como el agua va descendiendo de temperatura a lo largo de la torre, mientras que las temperaturas de bulbo seco y húmedo del gas aumentan, lo cual se debe al proceso de transferencia de calor.

22


1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.50

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Perfil de Humedad absoluta

Humedad absoluta

Punto de la torre

Y' (K

g/kg

as)

Gráfico #5. Perfil de humedad absoluta en la torre.

Al representar el perfil de humedad absoluta se observa como esta va aumentando a medida que asciende por la torre, ya que por el proceso de transferencia de masa, va aumentando el contenido de agua en el aire.

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.50

20

40

60

80

100

120

Perfil de humedad relativa

Humedad relativa

Punto de la torre

%H

Gráfico #6. Perfil de humedad relativa en la torre.

En el perfil presentando en la grafica #6 se observa como la humedad relativa aumenta a medida que el aire asciende por la torre, esto se debe a que se da el proceso de transferencia de masa, saturándose el aire hasta un punto donde se vuelve constante.

23


1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.50

102030405060708090

100

Perfil de Entalpía

Entalpía

Punto de la torre

H' (K

J/ k

g as

)

Gráfico #7. Perfil de entalpía en la torre.

En el perfil de entalpía se observa como ésta aumenta progresivamente mientras el aire asciende por la torre, ya que para que se de el proceso de enfriamiento de agua, el aire absorbe el calor que es cedido por el agua, cuando se encuentran en contacto dentro de la torre.

0 10 20 30 40 50 60 700.00000

5.00000

10.00000

15.00000

20.00000

25.00000

30.00000

35.00000

40.00000

Tendencia de la Temperatura

123456

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C)

Gráfico #8. Tendencia de la temperatura durante la realización de la práctica.

Mediante la representación gráfica de la tendencia de temperaturas durante la realización de la práctica se observa que, existe un

24


enfriamiento del agua, ya que se la temperatura más alta corresponde al termómetro 1 ubicado luego de hacer pasar el agua por las resistencias, de los termómetros del 2 al 5 corresponden al interior de la torre, y se observa como esta va descendiendo, y el termómetro 6 corresponde a la temperatura del sumidero que coincide con la temperatura de salida de agua de la torre. En un inicio del proceso se observan variaciones significativas en las temperaturas, pero entre los 20min y 30min aproximadamente la temperatura se mantuvo en todos los puntos de la torre, lo que corresponde al estado estacionario.

CONCLUSIONES

Se realizó un balance masa y energía, donde se verificó la transferencia de masa y energía entre el aire y el agua para que

25


fuera posible el proceso de humidificación y enfriamiento. El flujo de agua disminuye su flujo y además cede calor al aire mientras desciende por la torre. Además se observa que el proceso no es adiabático ya que existen pérdidas de calor en el sistema.

Se representaron gráficamente los perfiles de temperatura de líquido y gas, humedad absoluta y relativa, y la entalpía del gas. Se observa como existe un aumento en la entalpia del gas debido a la ganancia de calor, un aumento en la humedad absoluta y relativa ya que esta se satura de agua durante la transferencia de masa, y en cuanto a los perfiles de temperatura se evidencia el enfriamiento del agua y los errores en la toma de datos ya que la temperatura de bulbo húmedo del gas en la entrada de la torre es mayor a la temperatura de salida del agua.

Se determinó el rango de enfriamiento de la torre concluyendo que es tiene un desempeño muy bajo, ya que el rango es muy pequeño y no se da un enfriamiento significativo del agua. En cuanto a la aproximación a la temperatura de bulbo húmedo no fue posible evaluar esta variable ya que fue necesario tomar el valor de la bibliografía debido a errores en la toma de datos. También se calculó la eficiencia de la torre, pero se debe tomar en cuenta que en el cálculo de la altura teórica influyó el no usar una correlación que se ajustara al empaque empleado en esta práctica.

Finalmente se representó gráficamente la tendencia de la temperatura en la torre de enfriamiento durante la realización de la práctica. Durante el arranque se observaron variaciones significativas en las temperaturas pero luego del minuto 20 aproximadamente los valores se volvieron casi constante representando el estado estacionario. Del termómetro 1 al termómetro 6, se puede observar el descenso de la temperatura del agua.

RECOMENDACIONES

- Buscar las correlaciones correspondientes al tipo de empaque que tiene la torre de enfriamiento para reducir los errores en el cálculo

26


de la altura teórica; en caso extremo cambiar los empaques existentes por otros de correlaciones conocidas.

- Colocar un buen aislante térmico a la torre de enfriamiento, para minimizar las pérdidas de calor al ambiente y garantizar que el proceso sea adiabático.

- Se recomienda hacer mantenimiento constante a la torre, en las tuberías para asegurar la distribución el agua a lo largo de la torre, y además de limpiar el visor de tope y de fondo y marcarlo adecuadamente para una mejor visualización y disminuir los errores.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- Guía de Laboratorio de Operaciones Unitarias II. Práctica 4.

27


- PERRY, Robert H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. Seventh Edition. Editorial McGraw – Hill.

- TREYBAL, Robert E. Operaciones de Transferencia de Masa. Editorial McGraw Hill. Segunda Edición.

- MCCABE, Warren L. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta Edición. Editorial McGraw Hill. Madrid.

- FOUST, Alan S. Principios de Operaciones Unitarias. Segunda Edición. C.I.A. Editorial Continental, S.A.

- http://www.si3ea.gov.co/Eure/11/inicio.html- http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/csalas/OPIV/torres1.pdf- http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/

torres-de-refrigeracion#ancla

APÉNDICE

1. Cálculo del ATBH

28


Debido a errores en los datos, se debe asumir un ATBH, el cual se encuentra entre 2.5 y 5°C según la bibliografía, por lo tanto:

ATBH=tL ,1−tbh1

tL ,1=(25,5+2.5 )℃=28℃

Donde:tbh1= Temperatura del bulbo húmedo a la entrada de la torre = 25,5 °C.

2. Balance de Masa del Proceso

L2+G'∗Y 1=L1+G'∗Y 2

( L2−L1 )=G' (Y 2−Y 1)

Donde:G’: Flujo de Aire seco (Kg/s)

L2: Flujo de Líquido en la entrada (Kg/s)L1: Flujo de Líquido en la salida (Kg/s)Y1: Humedad de aire en la entrada (Kg/Kg as)

Y2: Humedad de aire a la salida (Kg/Kg as)

3. Cálculo del Flujo de Aire Seco

El flujo de aire alimentado a la torre de enfriamiento de agua se reguló por medio de un soplador, moviendo la apertura del mismo hasta registrarse una caída de presión de 5 in H2O en el manómetro diferencial, el cual está acoplado a una placa orificio, con este valor fijado, se entra a la curva de calibración de la placa orificio (ver Anexo 1) obteniéndose el caudal de entrada de aire a condiciones estándar (78°F y 760mmHg)

Qaire (estándar) = 302 m3/h

Este valor debe ser transformado a las condiciones de operación (71,6°F y 758mmHg) de la práctica, a partir de la siguiente ecuación:

Qaire=Qaire (estandar )∗¿(Toperación

T estandar)∗( Pestandar

Poperación)¿

29

L2

, TL

2

L1

, TL

1

G’, Y1

G’, Y2


Qai ℜ=302m3 /h∗(71.6℉

78℉ )∗( 760 mmHg758 mmHg )∗1h

3600 s=0.0772 m3/s

Con las condiciones proporcionadas por el soplador Tbs: 26°C y Tbh: 25,5°C; y con la ayuda de la carta psicrométrica para el sistema aire-agua se obtiene el valor del volumen húmedo que es Vh= 0, 876 m3/Kg as.

Ahora con los datos obtenidos se calcula el flujo de aire seco que entra a la torre de enfriamiento de agua mediante la siguiente ecuación:

G'=Qaire

V h

= 0.0772 m3/ s0.876 m3/kgas

=0.0881 kgas / s

Se calcula el área de la torre de enfriamiento para obtener el flujo de de aire seco por unidad de área.

A=ancho∗profundidad=0.305 m∗0.295 m=0.089975 m2

G' s=G 'A

=0.0881 kg as/ s

0.089975 m2=0.9792 kg as/m2 s

4. Cálculo de la Humedad Absoluta del AireUtilizando los datos de temperatura en el soplador y a la salida de la

torre de enfriamiento, es decir en el punto más alto de la misma y con la carta psicrométrica (ver anexo 2) se obtienen los valores de humedad.

- En la entrada de la torreTbh= 25,5°C y Tbs= 26°C Y1 = 0.0206 Kg/Kg as

- En la salida de la torre (Punto más alto de la torre)Tbh= 27,5°C y Tbs= 28°C Y2 = 0.0232 Kg/Kg as

5. Cálculo de la Humedad Relativa del Aire

La humedad relativa del aire se calculó en cada punto de la torre considerando las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco, las cuales se interceptan en la carta psicrométrica (ver anexo 2) obteniendo de esta manera un punto entre las curvas de la humedad relativa presentes en dicho diagrama.

En la entrada de la torre (Aire)Tbh= 25,5°C y Tbs= 26°C %H= 96%

30


6. Cálculo del Flujo de Agua en la Entrada

T prom=tL, 2+t L,1

2=

(30,8333+28 )℃2

=29.41665℃≈ 302.6 K

Con la temperatura promedio se obtiene la densidad del agua, de la tabla de propiedades del agua (ver anexo 3):ρagua @ Tprom = 995,83 Kg/m3.Qagua=1 gpm ≈ 6,31*10-5 m3/s.L2: Flujo de agua a la entrada de la torre.

L2=Qagua∗ρagua=6,31∗10−5 m3/s∗995,83 Kg /m3=0.0628 kg/ s

7. Cálculo del Flujo de Agua en la Salida

A partir del balance de masa del proceso (Paso 1):

L2+G'∗Y 1=L1+G'∗Y 2

( L2−L1 )=G' (Y 2−Y 1)L1=L2−G' (Y 2−Y 1 )

L1=0.0628 kg /s−0.0881 Kg as /s∗(0.0232−0.0206 ) Kg / Kg as=0.0626 kg /sL1≈ L1 ,teorico

8. Cálculo de la Masa de Agua Transferida al Aire

m=L2−L1= (0.0628−0.0626 ) kg/ s=0.0002 kg/ s

9. Cálculo del Flujo de Aire

- En la entrada de la torre

G1=G' (1+Y 1 )=0.0881 kg as/ s∗(1+0.0206 kg/ kgas)=0.0899 kg/ s

- En la salida de la torre

G2=G' (1+Y 2)=0.0881 kgas / s∗(1+0.0232 kg /kgas )=0.0901 kg /s

10. Cálculo del Flujo de Agua Promedio

Lprom=L2+ L1, teorico

2=

(0.0628+0.0626 )kg /s2

=0.0627 kg /s

31


- Flujo de de agua por unidad de área se utiliza la siguiente ecuación:

Ls=Lprom

A= 0.0627 kg/ s

0.089975 m2=0.6969 kg/m2 s

11. Cálculo de Pérdidas de Agua por ArrastreA partir del libro de Operaciones con Transferencia de Masa de Robert

E. TREYBAL se tiene que las pérdidas por arrastre para torres de tiro forzado son menores a 0.1%, para este caso se tomo 0.1%

A=%arraste100

∗Lprom= 0.1100

∗0.0627 kg /s=6.27 ×10−5 kg/ s

12. Cálculo del Agua Evaporada

E=G' (Y 2−Y 1 )=0.0881 kgas / s∗(0.0232−0.0206)kg/kg as=2.2906 ×10−4 kg /s

13. Cálculo del Flujo de Agua de Reposición

R=A+E= (6.27 ×10−5+2.2906 ×10−4 ) kg /s=2.9176 ×10−4 kg /s

14. Cálculo del Flujo de Agua de Salida (Experimental)

L1 ,exp=L2−A−E=(0.0628−6.27 × 10−5−2.2906 ×10−4)kg /sL1 ,exp=0.0625 kg /s

15. Cálculo del Porcentaje de Error en el Flujo de Agua de Salida

% Error=L1 ,teorico−L1 ,exp

L1 , teorico

∗100=( 0.0626−0.0625 ) kg/ s

0.0626 kg/ s∗100=0.16 %

16. Balance de Energía del Proceso

32


L2∗h2+G'∗H ' 1+QG=L1∗h1+G'∗H ' 2+Q p

Donde:G’: Flujo de aire seco (kg as/s)L2: Flujo de Líquido en la entrada (Kg/s)L1: Flujo de Líquido en la salida (Kg/s)h2: Entalpía de Entrada del agua (KJ/Kg).h1: Entalpía de Salida del agua (KJ/Kg).H’1: Entalpía de Entrada del Gas (KJ/Kg). H’2: Entalpía de Salida del Gas (KJ/Kg). QG: Calor absorbido por el aire (aportado por las resistencias) (KJ/s).QP: Calor perdido por el sistema (teórico) (KJ/s).

17. Cálculo del Calor absorbido por el SistemaDurante el desarrollo de la práctica fueron encendidas las resistencias

3 y 4 con la finalidad de aportar energía al sistema, el calor absorbido se calcula de la siguiente manera:

QG=R3+R4=(2.5+3.5 ) KJ / s=5 KJ /s≈ 5000 Watts

18. Cálculo del las Entalpías del AguaEstas entalpías son calculadas, suponiendo que el agua está saturada

para así utilizar las tablas de vapor del agua saturada (ver Anexo 4).- En la entrada de la torre

tL,2= 30.8333 °C h2= 129.1165 KJ/s.- En la salida de la torre (Punto más bajo se la torre)

tL,1= 28 °C h1= 117.3 KJ/s.

33

L2, h2

L1, h1 G’,

H’1

G’, H’2

QL

Q

G

Interfase

Q

P


19. Cálculo de las Entalpias del AirePara calcular las entalpías de entrada y salida del aire se debe entrar a

la carta psicrométrica (ver Anexo 2) con las temperaturas de bulbo húmedo y de bulbo seco correspondiente a la entrada del soplador y al punto más alto de la torre.

- En la entrada de la torreTbh= 25.5°C y Tbs= 26°C H’1 = 79 KJ/Kg as

- En la salida de la torre (Punto más alto de la torre)Tbh= 27.5°C y Tbs= 28°C H’2 = 88 KJ/Kg as

20. Cálculo del Calor Perdido (Teórico)Del balance de energía se tiene:

L2∗h2+G'∗H ' 1+QG=L1∗h1+G'∗H ' 2+QP

QP = (0.0628 kgs

*129.1165 KJs )+(0.0881

kg ass

*79KJKg as )+5 KJ /s−(0.0626

kgs

∗117.3 KJs )−(0.0881

kg ass

*88KJKg as )

QP=4.9726 kJ /s≈ 4972.6 Watts=QP,teorico

21. Cálculo del Calor Absorbido por el Aire

QG=G' ( H '2−H ' 1)=0.0881 kgas / s∗(88−79 ) KJ /kgas

QG=0.7929 KJ /s ≈792.9 Watts

22. Cálculo del Calor Cedido por el AguaQL=L2∗CA , L∗( tL, 2−tL ,1 )=0.0628 kg/s∗4,181 KJ / Kg℃∗(30,8333−28)℃

QL=0.7439 KJ /s≈ 743.9 Watts

Donde:CAL= Capacidad Calorífica del Agua (Ver Anexo 3)

23. Cálculo del Calor Perdido (Experimental)QP,exp ¿QL−QG=(0.7439−0.7929 ) KJ /s=−0.049 KJ /s=−49Watts

24. Cálculo del Porcentaje de error entre los Calores Perdidos.

% Error=QP,teorico−QP ,exp

QP,teorico

∗100=( 4.9726+0.049 ) KJ / s

4.9726 KJ /s∗100=100,985 %

25. Cálculo del Rango de EnfriamientoRenfriamiento=tL ,2−tL ,1=(30.8333−28 )℃=2.8333℃

34


26. Construcción de la Curva de Equilibrio y la Línea de Operación del Sistema.Para construir la curva de equilibrio del sistema aire-agua se utilizan

los datos de equilibrio obtenidos del anexo 5.

Con respecto a la construcción de la línea de operación del sistema en cuestión, se tiene que a partir de (H’1 = 79 KJ/Kg as; tL,1= 28°C) se obtiene el primer punto. Y con (H’2 = 88 KJ/Kg as; tL,2= 30.8333 °C) el segundo punto de la línea, así se procede a trazarse. Las variables H’1 y H’2 fueron calculadas en el paso 18.

Sin embargo no está demás demostrar analíticamente lo anteriormente mencionado a partir de un balance de energía en la torre.

L2∗h2+G'∗H ' 1=L1∗h1+G'∗H ' 2

Lprom (h2−h1)=G' (H '2−H '

1)

Lprom∗C A, L∗(t L,2−tL, 1)=G' (H '2−H '

1)Lprom∗C A, L

G '=

(H '2−H '

1)

(tL ,2−t L,1 )“Línea de operación de la torre de enfriamiento de agua. Proceso de

Humidificación”

27. Cálculo de las Características de la Torre de Enfriamiento de Agua

En la industria de torres de enfriamiento de agua, se utiliza con frecuencia la siguiente ecuación que representa las características de la torre:

V∗Koy∗aLprom

=CA , L∫tL ,1

tL ,2 d tL

H '¿−H '

Donde:V: Volumen de la torre de enfriamiento de agua (m3).

35

L2, h2

L1, h1 G’,

H’1

G’, H’2


Lprom: Flujo de agua promedio (Kg/s).CA,L: Capacidad calorífica del agua (KJ/Kg*°C).tL: Temperatura del agua (°C).H’: Entalpía correspondiente a la línea de operación (KJ/Kg).H’*: Entalpía correspondientes a la curva de equilibrio (KJ/Kg).

Para calcular H’ y H’* se debe de establecer un rango de temperatura que se encuentre dentro de la línea de operación del sistema, esto se puede realizar aleatoriamente, o de manera más formal calculando un delta de temperaturas, tomando como punto inicial y final las temperaturas de entrada y salida del agua.

∆ t L=tL ,1−tL ,2

5=

(30.8333−28)℃5

=0,56666

Luego de tener el rango de temperatura establecido con ayuda del ΔtL; se procede a leer en la gráfica de Entalpía vs. Temperatura, se entra con la temperatura en el eje “X” y se sube hasta cortar la línea de operación, obteniendo así el valor de H’; y la curva de equilibrio para obtener H’*.

tL (°C) H’(kJ/kg) H’* (kJ/kg) 1/(H’*-H’) Área

28 79 90 0,0909090928,5666

6 81 92,5 0,08695652 0,05039466429,1333

2 82,5 95 0,08 0,04730379129,6999

8 84,5 98,5 0,07142857 0,04290425730,2666

4 86 101,5 0,06451613 0,03851721230,8333 88 104,8 0,05952381 0,035144236

Sumatoria 0,21426416

Cada área es calculada como área de un trapecio:

A=( Basemayor+Basemenor

2 )∗h

A=( 0,09090909+0,086956522 )∗(28,56666−28 )=0,050394664

36


Así se calculan cada una de las áreas y luego se realiza la sumatoria para calcular el área total, que corresponde al siguiente valor.

∫tL ,1

tL ,2 d t L

H ' ¿−H '=0,21426416 Kg℃ / KJ

Entonces sustituyendo, la ecuación característica de la torre es:

V∗KyoaLprom

=4,181 KJ /Kg℃∗0,21426416 Kg℃/ KJ=0.8958

28. Cálculo de la Altura de la Torre (Teórica)Utilizando coeficientes globales de transferencia de masa, y por tanto

fuerzas impulsoras globales, la ecuación que representa la altura de la torre queda representada como:

h=HtoG∗NtoG

HtoG= G ' sKoy∗a

NtoG=∫H'

1

H'2

d H '

H '¿−H '

h= G ' sKoy∗a

∗∫H'

1

H'2

d H '

H '¿−H '

Se comienza calculando el HtG y para ello se debe calcular el coeficiente global de transferencia de masa (Koy) utilizando la correlación empírica Simpson y Sheerwood, empleada generalmente para empaques con listones de madera en las torres de enfriamiento de agua; esta correlación esta expresada en SI y regida por la siguiente ecuación:

Koy∗a=0.7015 LsG ' s−0.374 G' s−0.4364 Ls+1.3838

Donde:Koy: Coeficiente global de transferencia de masa (Kg/m2*s).a: Área interfacial (m3/m2).

Koy∗a=(0.7015∗0.6969 kg/m2 s∗0.9792 kg as/m2 s)−(0.374∗0.9792kg as /m2 s )−(0.4364∗0.6969 kg /m2 s)+1.3838

Koy∗a=1.1922 kg /m3 s

37


HtoG= G ' sKoy∗a

=0.9792 kgas /m2 s1.1922 kg /m3 s

=0.8213 m

El área total será calculada de igual forma como fue se realizó en el paso 27 correspondiente al cálculo del área para las características de la torre, con la diferencia que los límites de integración para este caso serán H’1 y H’2.

tL (°C) H’(kJ/kg) H’* (kJ/kg) 1/(H’*-H’) Área

28 79 90 0,0909090928,5666

6 81 92,5 0,08695652 0,17786561329,1333

2 82,5 95 0,08 0,12521739129,6999

8 84,5 98,5 0,07142857 0,15142857130,2666

4 86 101,5 0,06451613 0,10195852530,8333 88 104,8 0,05952381 0,124039939

Sumatoria 0,680510039

Cada área es calculada como área de un trapecio:

A=( Basemayor+Basemenor

2 )∗h

A=( 0,09090909+0,086956522 )∗(81−79 )=0,177865613

Entonces la sumatoria de áreas corresponde a:

NtoG=∫H'

1

H'2

d H '

H '¿−H ' =0,680510039

h= G ' sKoy∗a

∗∫H'

1

H'2

d H '

H '¿−H ' =0.8213 m∗0,680510039=0.5528 m

29. Cálculo de la Eficiencia de la Torre

η=hteorico

hreal

∗100=0.5528 m0.985 m

∗100=56.12 %

Nota: La altura real de la torre fue medida directamente en el laboratorio.

38


ANEXOS

39


Anexo 1. Curva de Calibración de la Placa Orificio.

40


Anexo 2. Diagrama de Humedad (Carta Psicrométrica).

41


Anexo 3. Densidad y Capacidad calorífica del Agua a Diversas Temperaturas.

Referencia: C.J Geankoplis, Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias 3ra Ed. México CECSA, 1998

Referencia: C.J Geankoplis, Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias 3ra Ed. México

42


Anexo 4. Tablas de Vapor Van Ness.

43


Anexo 4. Tablas de Vapor Van Ness (continuación)

44


Anexo 5. Relaciones psicrométricas para el sistema Aire - Agua

45

torres de enfriamiento

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