Práctica N°3 Torre de enfriamientoDeterminación del perfil de temperatura de una Torre

de Enfriamiento para el Sistema Aire-Agua.Rodríguez Rafael C.I. 15.386.716

Área de Tecnología, Programa de Ingeniería Química. Prof. Alejandro Proaño. Laboratorio de Operaciones Unitarias III, sección ..,

rarm160@hotmail.com.,...

Resumen: 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, Para facilitar el contacto de las fases en la torre se utilizan rellenos. En esta práctica se estudian las Operaciones de Humidificación en una Torre de Enfriamiento para determinar el perfil de temperatura, los balances de masa y energía así como la línea de operación del sistema Aire – Agua. Para el análisis de los resultados fue necesario determinar la cantidad de líquido que entra al sistema y el arrastrado por el aire, el calor intercambiado, construir la curva de operación y de equilibrio para lograr observar el manejo de la torre.

1. INTRODUCCION

La humidificación implica transferencia de materia entre una fase liquida pura y un gas permanentemente, que es casi insoluble en el liquido, por lo que normalmente al hablar de esta operación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua, ocurriendo de manera simultánea la transferencia de masa y de calor.

Para llevar a cabo la humidificación debe prepararse el aire al menos con el conocimiento de la temperatura y la humedad.

Todo lo explicado anteriormente permite conocer el principio básico de una torre de enfriamiento, donde un liquido caliente se pone en contacto con un gas no saturado, y la transferencia de calor latente y calor sensible permiten enfriar el agua; esto se lleva realiza mediante el uso de rejillas de muescas, entonces el aire circula a través de las tuberías

mediante ventiladores de corriente de aire forzada.

Durante el desarrollo de la práctica se evaluará el perfil de temperatura de una torre de enfriamiento para el sistema aire-agua a través de la determinación de los balances de masa y calor del sistema, además de los intervalos de temperatura y humedad.

2. DATOS EXPERIMENTALES

Tabla N°1: Temperaturas de Bulbo seco y húmedo en la entrada y salida, y temperatura de entrada y salida de agua y datos adicionales.

Prueba 1 2 3Tipo de

empaque instalado

Densidad del empaque,

1/mT1 ºC 27.2 27 27.6T2 ºC 21.5 21.8 22.4T3 ºC 27.1 26.8 26.9T4 ºC 27 26.8 26.9T5 ºC 33.7 32.8 33T6 ºC 26.7 26.5 26.3

Temperatura del agua

make-up, (se supone

temperatura ambiente T1,

ºC)

27.2 26.5

Presión diferencial,

mmH2O16

Tasa de flujo de agua mw,

g/s40

Carga de calentamiento

Q, KW1

Cantidad de agua en el

make-up, kg3000ml

Intervalo de tiempo total,

s5min 10mi

n15min

3.RESULTADO EXPERIMENTALES

Tabla N° 2: Propiedades de aire a la entrada de la columna.

60 KJ/Kg de aire seco

0.0135Kg agua/Kg aire seco

Tabla N°3: Propiedades del aire a la salida de la columna

82 KJ/Kg de aire seco

0.022 Kg agua/Kg aire seco

0,88 m3/Kg de aire seco

Tabla N°4: Flujo de masa de aire seco que sale de la columna, masa transferida, velocidad del flujo de masa en el tanque, flujo de masa de

aire por área, flujo de masa de agua por área.

0,058 Kg/s4.99 e -4 Kg/s

2.17 e- 3 Kg/segFlujo de masa

de aire por 0 ,0703Kg

m2∗s

Flujo de masa de agua por área 2.614 e−3

Kg

m2∗s

Tabla N°5: calor absorbido por el aire, calor cedido por el agua y calos intercambiado por el sistema.

1.285 KJ/ seg

-1,099KJ/seg

-2.384 KJ/s

Tabla N°6: Rango de enfriamiento y aproximación de Bulbo Húmedo

Rango de enfriamiento

Aproximación de bulbo húmedo

Tabla nº7: curva de equilibrio y recta operación

Y (Entalpias) X (T asumidas)

10 018 530 1042 1550 20

76,5 25100 30

128,5 35

4. GRAFICOS.

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Con una humedad de entrada y salida de aire leídas en las cartas psicrométricas. Para Y1=0.0135 y para Y2=0.022 obtenidas utilizando las temperaturas Tv1=27.2°C y Tv2= 21.9°C y las Tv3=26.9°C y Tv4= 26.9°C respectivamente. Luego se calculo la masa transferida arrojando un valor de 0,000496Kg/seg.

Todo esto nos indica que la torre de enfriamiento es efectiva ya que se dieron buenos resultados con respecto a los objetivos planteados además que se puede observar por medio de la grafica que el proceso realizado es una humidificación ya que la línea de operación está ubicada por debajo de curva de operación que si se compara con la teoría se puede observar que el proceso de humidificación se cumplió ya que en la grafica se observa claramente el comportamiento de la línea de operación que sería el mismo que para el proceso de desorción.

El Rango de enfriamiento que se obtuvo en el proceso fue de (6,66ºC). Con estos valores se evidencia una alta transferencia de

energía, ya que a lo largo de la torre se observó intervalos de temperaturas altas suministradas en el laboratorio. Estos resultados corrobora el fundamento de la operación de enfriamiento, ya que cuando un líquido caliente se coloca en contacto con un gas no saturado, parte del líquido se vaporiza. La temperatura del líquido disminuye debido, principalmente, al calor latente de evaporación.

Gracias al balance de energía se pudo obtener los valores de calor absorbido por el aire = 1.285 KJ/seg, calor cedido por el agua qL = -1.09KJ/seg, calor intercambiado por el sistema qS = -2.38 KJ/seg. La entalpías del fondo y tope de la torre fueron determinadas a partir de las temperaturas de entrada y salida del aire mediante las cartas psicrométricas, resultando para el fondo de la torre una entalpía de Hv1 = 82 KJ/Kg (aire seco) y para el tope de la torre una entalpía de Hv2 = 65 KJ/Kg (aire seco). Con estos valores de entalpía y las temperatura de entrada y salida del liquido se graficó la línea de operación del sistema.

Utilizando la grafica del sistema se comprueba que existe una humidificación y también utilizando el método de Simpson calculamos el área bajo la curva lo que se traduce en Ntog o número de unidades de transferencia que fue de 3.41 un valor excelente que se encuentra en lo establecido por la bibliografía ya que estos se encuentran en los rangos óptimos de operación de 0 a 4 unidades respectivamente.

Finalmente con este valor y la altura real determinamos el valor de altura de unidades de transferencia que es de 0.14m.

6. CONCLUSIONES

Se logro determinar por medio de los balances de masa y energía realizados al sistema estudiado que en la torre ocurre una mínima transferencia de masa y calor.

En una torre de humidificación o de enfriamiento de agua, al aumentar el caudal de gas aumentamos el coeficiente de transferencia de materia, por lo que estamos favoreciendo la humidificación del gas.

El proceso realizado en la torre es de humidificación, ya que la línea de operación está ubicada por debajo de curva de operación.

La Torre de Enfriamiento tiene 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.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

PERRY, R. Manual del Ingeniero Químico. Editorial Mc Graw Hill, 6ta Edición. Tomo IV. (Pág. 13-79)

Treybal, R. 1988. Operaciones de Transferencia de Masa. 2ª ed. McGraw-Hill: México

8. APENDICE

BALANCE DE MASA

Las siguientes propiedades se determinaron utilizando la carta psicométrica:

A la temperatura de bulbo seco promedio (entrada) de 27.2°C y a la temperatura de bulbo húmedo promedio (entrada) de 21.9 °C.

HA=Entalpía específica del aire en la entrada de la base de la columna

HA=60KjKg

YA =Humedad específica del aire en la entrada de la base de la columna

YA= 0.0135 Kg h2O/Kg aire seco

HB=Entalpía específica del aire a la salida por la parte superior de la columna

HB= 82 KJ/Kg de aire seco

YB= Humedad específica del aire a la salida por la parte superior de la columna

YB= 0.022 Kg de H2O/Kg aire seco

VB= Volumen específico del aire a la salida por la parte superior de la columna

VB= 0,88 m3/Kg de aire seco

Flujo másico del aire seco que sale de la columna

mB=0,0137 ×√ ∆ PV B

mB=0,0137 ×√ 16 mmH 2O

0,88m3

kg

mB=0,05841KgS

Masa transferida por unidad de tiempo

mt=mB × (Y 2−Y 1 )

mt=0,05841× (0.022−0.0135 )

mt=4.96∗10−4KgS

Velocidad del flujo de masa en el tanque de almacenamiento.

mE=mE

t

mE=0,17m ×π∗(0,07 )2

4×997,1

Kgm3

mE=0,6523

mE=0,6523

300KgS

=2.17∗10−3

Flujo de la masa de aire por unidad de área

maire=mb

Acolumna

maire=0,05841

KgS

0,83m2 =0,0703Kg

m2× S

Flujo de la masa de agua por unidad de área.

mH2O=2.17∗10−3 Kg

S

0,83 m2 =2.614∗10−3Kg

m2 × S

BALANCE DE ENERGÍA

Calor absorbido por el aire

qv=mB × ( HB−H A )qv=0,05841

KgS

× (82−60 ) KjKg

qv=1.285KjS

Calor cedido por el agua

qL=Lpromedio∗Cppromedio∗(T 6−T 5 )

La=QH 2 O−mt

La=0,040−4.96∗10−4KgS

La=0,0395KgS

Lpromedio=LA +LB

2

Lpromedio=0,0395+0,04

2KgS

Lpromedio=0,03975KgS

T 5=(33.7+32.8+33 )

3=33.16

T 6=(26.7+26.5+26.3 )

3=26.5

qL=0,0395KgS

∗4,18Kj

Kg∗° C∗(26.5−33.16 ) °C

qL=−1,099KjS

Calor intercambiado por el sistema

qS=qL−qV

qS=(−1,099−1.285 ) KjS

qS=−2.384KjS

Unidades de Transferencia

NTOG=∫HG1

HG2

dHGHG¿−HG

Aplicando la ecuación de Simpson con n= 5

h=120−805

h=8

HG’ HG* HG*-HG’ ( HG*-HG’)

75 80 5 0.2

83 90 7 0.14

91 100 9 0.111

99 110 11 0.0909

107 130 23 0.0434

Resolviendo Simpson para cada uno de los pasos se obtuvo NTOG = 3.41

Altura teórica de la torre

Z= NTOG * HTOG

HTOG= 0,48m / 3.41 HTOG= 0,1407 m

Cálculo del Rango de Enfriamiento

R=T 5−T 6

R=(33.16−26.5)° CR=6.66 °C

Cálculo de la Aproximación a la Temperatura de Bulbo Húmedo

ATBH=T 6−T 2

ATBH=(26.5−21.9)° C

ATBH=4.6