I. OBJETIVOS

- Determinar el funcionamiento y aplicación de las torres de enfriamiento.

- Determinar el balance de materia.

- Determinar el balance de energía.

II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

TORRES DE ENFRIAMIENTO

La torre es una construcción generalmente cilíndrica, colocada en forma vertical. Mediante bombeo, se lleva el agua caliente a su parte superior y se le deja caer por gravedad en forma libre pero en choros de muy pequeña sección de manera que caiga en forma de gotas para que tenga una gran superficie de contacto con el aire. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire, sale por la parte superior, conteniendo el calor y como a consecuencias de este aumento de temperatura también aumenta la capacidad de contener vapor de agua, también se lleva una porción de ella.

A veces las torres de enfriamiento tienen además un sistema de ventiladores que ayudan a que el aire ascienda por su interior, como una forma de mejorar la eficiencia del sistema

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 de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

Torres de circulación natural

1. 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.

2. 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.

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:

1. 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.

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

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.

Otros tipos: Torres de flujo cruzado

El 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.

COMPONENTES DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

Equipo mecánico:

1. Ventiladores2. Motores

Sistema de distribución del agua:

1. Las torres a contracorriente dispersan el flujo a través de un sistema de distribución de spray a baja presión, desde un sistema de tuberías distribuido a lo largo de toda la torre.

2. Los diseños de flujo cruzado tienen un sistema de distribución del agua caliente por gravedad a través del empaque.

La eficiencia global de una torre de enfriamiento está directamente relacionada con el diseño del sistema de distribución de agua caliente.

La consideración principal en la selección del tipo de sistema de distribución de agua para una aplicación específica es la cabeza a vencer por la bomba.

La cabeza de la bomba impuesta por una torre de enfriamiento consiste de la altura estática (relativa a la altura desde la entrada, más la presión necesaria para mover el agua a través del sistema de distribución y sobre el relleno.

La cabeza de bombeo varía de acuerdo a la configuración de la torre.

Sistema de distribución de Aire:

En las torres contracorriente la resistencia al flujo ascendente del aire por parte de las gotas que caen resulta en una elevada pérdida de presión estática y una mayor potencia del ventilador que en flujo cruzado.

Las torres a flujo cruzado contienen una configuración del relleno a través de la cual el aire se mueve horizontalmente a través del agua que cae.

Las torres de flujo cruzado utilizan esencialmente toda la altura de la torre para las rejillas de ventilación, reduciendo la velocidad de entrada del irá, y minimizando la recirculación y pérdida de tiro.

OBJETIVOS Y APLICACIONES DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

- Disminuir la temperatura del líquido tratado en la torre, a expensas de la humidificación del aire, hacia la corriente gaseosa se vaporiza pequeñas cantidades del líquido (se estima aproximadamente unos 2 % del líquido).

- En ciertas aplicaciones como la humidificación de invernaderos y otros ambientes se acostumbra inyectar el líquido a través de aspersores pulverizadores, para provocar la vaporización de la misma hacia el medio, que provoca el incremento de la humedad absoluta y una disminución en la temperatura del gas.

- En algunos casos la humidificación del medio por la evaporación parcial de un líquido se puede combinar con un sistema de calentamiento, a fin de favorecer el nivel de humidificación.

- Debido a la evaporación parcial del líquido que desciende al interior de la columna se observa una tendencia al enfriamiento del mismo mientras se humidifica el gas, el tope mínimo de enfriamiento de la corriente líquida a la salida corresponde a la temperatura de bulbo húmedo del gas que ingresa a la torre de enfriamiento.

- En el caso de una columna de humidificación intensiva, como son las columnas de humidificación adiabática, se tiene como objetivo producir un gran nivel de humidificación de la corriente gaseosa a través de una trayectoria isoentálpica, situación en la que no se percibe el enfriamiento del líquido.

III. EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPOS

- Torre de Enfriamiento.- Bomba inyectora.- Ventilador.

MATERIALES

- Medidor de flujo de aire, temperatura.- Termómetro.

FLUIDOS A EMPLEAR EN LA PRÁCTICA

- Agua caliente.- Aire .

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

T2 = 44.5 ºCHR2 = 99.9 %

ROTÁMETROL1 = 500 L/h

AguaCaliente

TL1 = 46.9 ºC

AIRE

T1 = 22.2 ºCHR1 = 33.5 %v1 = 8 m/sd = 11.5 cm

TL2 = 21.7 ºC

Altura de columna = 150 cm

Altura de relleno = 95 cm

Diámetro columna = 19.5 cm

Tipo de relleno: Rasching

Diámetro rellenos = 2.54 cm

Mostramos el diagrama de la torre de enfriamiento que se utilizó en el Laboratorio de Transferencia de Masa de la UNSCH, con los datos obtenidos para los posteriores cálculos:

1. Proceder a calentar unos 20 L de agua, hasta una temperatura de unos 50 a 60 ºC.

2. Instalar correctamente los dispositivos y conexiones hacia la columna de humidificación.a. Flujo de agua corriente (inicialmente fría)b. Flujo de aire con ventilador.c. Controles de temperatura.

3. Hacer circular la corriente de aire y agua hacia la columna, buscar los caudales adecuados que permitan una buena operación de la columna, a través de los respectivos rotámetros.

4. Preparar el agua caliente e inyectar a la columna, luego fluir el aire por medio del ventilador hacia la columna. Dejar operar a la columna por 5 minutos hasta garantizar la estabilidad del sistema de humidificación y enfriamiento.

5. Una vez estabilizada la interacción agua-aire al interior de la columna registrar:a. Caudal y temperatura del agua caliente inyectada a la columna.b. Caudal del aire inyectado a la columna.c. Temperatura del agua a la salida de la columna (contrastar con la temperatura

correspondiente al plato del fondo de la columna).

6. Cálculos respectivos:

ENTRADA DE AIRE

A1=π4. D1

2=π4∗(11.5cm )2=103.8689cm2=0.0104 m2

Como: v1=8.0m /s

Q1=v1∗A1=8.0ms∗0.0104 m2=0.0832

m3

s

CARACTERIZACIÓN

T 1=22.2ºC

Humedad Relativa: H R1=33.5 %

Temperatura de bulbo húmedo: T w 1=12.0 ºC

Humedad Absoluta: H 1=0.0075Kg AKgB

Volumen Específico Húmedo:

V 1=RTP

.[ H 1

M A

+ 1M B

]=0.082057

atm .m3

Kmol . K∗295.35 K

0.7211atm.[ 0.0075

KgA

KgB

18.015Kg

Kmol

+ 1

28.85KgKmol

]=1.1790m3

KgB

Entalpía Específica

Η 1=(0.24+0.46 . H )T+598. H=(0.24+0.46∗0.0075KgA

KgB)∗22.2 ºC+598∗0.0075

KgA

KgB

=9.8896KcalKgB

SALIDA DE AIRE

A2=π4. D2

2=π4∗(19.5cm )2=298.6477cm2=0.0299m2

Como: Q2=Q1=0.0832m3

s

v2=Q 2

A2

=0.0832

m3

s0.0299m2 =2.7826

ms

CARACTERIZACIÓN

T 2=44.5 ºC

Humedad Relativa: H R2=99.9 %

Humedad Absoluta: H 2=0.0900Kg AKgB

Volumen Específico Húmedo:

V 2=RTP

.[ H 2

M A

+ 1M B

]=0.082057

atm .m3

Kmol . K∗317.65 K

0.7211atm.[ 0.0900

KgA

KgB

18.015Kg

Kmol

+ 1

28.85KgKmol

]=1.4335m3

KgB

Entalpía Específica

Η 2=(0.24+0.46 . H )T+598. H=(0.24+0.46∗0.0900KgA

KgB)∗44.5 ºC+598∗0.0900

KgA

KgB

=66.3423KcalKgB

1. BALANCE DE MATERIA

- Balance de materia para el gas portante ( determinado a la entrada):

Gp=Gp1=Q1

V 1

=0.0832

m3

s

1.1790m3

KgB

=0.0706KgB

s

- Liquido evaporado y porcentaje de evaporación a partir del balance de materia para el vapor incorporado a la corriente gaseosa en la torre de enfriamiento:

Lev .=Gp. (H 2−H 1)=0.0706KgB

s∗(0.0900

KgA

KgB

−0.0075KgA

KgB)=0.0058

KgA

s

Ahora:

L2=L1−Lev .

Pero: L1=m1=ρ1

46.9ºC∗Q=0.989406KgL

∗500

Lh∗1h

3600 s=0.1374

KgA

s

L2=0.1374KgA

s−0.0058

KgA

s=0.1316

KgA

s

Entonces:

%Ev .=( Lev .

L1)∗100=( 0.0058

KgA

s

0.1374KgA

s)∗100=4.22 %

2. BALANCE DE ENERGÍA

- Aplicando balance de energía en la torre de enfriamiento (To = 0 ºC, temperatura de referencia).

Primero:

T ml=(T L1+T O )

2=46.9+0.0

2=23.45ºC ≡296.60 K

C pL1=A+BT +CT 2

C pL1=103.08+ (−0.1748 )∗296.60+0.0002748∗(296.60 )2

C pL1=75.4089J

moL. K=1.0004

KcalKg. ºC

Ahora:

H L1=C pL1 . (T L1−T O )=1.0004KcalKg . ºC

∗(46.9−0.0 )ºC=46.9188KcalKg

Segundo:

T ml=(T L2+T O )

2=21.7+0.0

2=10.85 ºC≡284.00 K

C pL2=A+BT +CT 2

C pL2=103.08+ (−0.1748 )∗284.00+0.0002748∗(284.00 )2

C pL2=75.6011J

moL. K=1.0030

KcalKg. ºC

Ahora:

H L2=C pL2 . (T L2−T O )=1.0030KcalKg . ºC

∗(21.7−0.0 )ºC=21.7651KcalKg

Por lo tanto:

L2 .H L2=Gp . (Η 1−Η 2 )+L1 . H L1−q

2.8643Kcals

=0.0706KgB

s∗(9.8896

KcalKgB

−66.3423KcalKgB )+0.1374

KgA

s∗46.9188

KcalKg

−q

- Calor neto requerido para la evaporación del líquido:

Primero:

T media gas=(T 1+T2 )

2=22.2+44.5

2=33.35ºC ≡306.50 K

λ(33.35ºC )=λb[ Tc−TTc−Tb ]

0.38

λ(33.35ºC )=40.669KJmol [ 647.3K−306.50K

647.3K−373.15K ]0.38

λ(33.35ºC )=44.1751KJmol

=586.0735KcalKg

Ahora:

qEv .=Lev .∗λ( 33.35ºC )=0.0058KgA

s∗586.0735

KcalKg

qEv .=3.3992Kcals

=12237.12Kcalh

- Calor neto ganado por la corriente gaseosa durante su humidificación al interior de la torre de enfriamiento:

Primero:

HV (33.35ºC )=620.18KcalKg

Entonces:

qsenG=Gp . (Η 2−Η 1 )−Lev .∗H V

qsenG=0.0706KgB

s∗(66.3423

KcalKgB

−9.8896KcalKgB )−0.0058

KgA

s∗620.18

KcalKg

qsenG=0.3885Kcals

=1398.60Kcalh

V. CONCLUSIONES

- Se tuvo el conocimiento necesario sobre el funcionamiento y aplicaciones importantes de las torres de enfriamiento.

- La torre de enfriamiento se mostró muy eficiente, ya que en la entrada de aire se registró un porcentaje de humedad relativa de 33.5 %, y a la salida de la torre de enfriamiento se registró un porcentaje de humedad relativa de 99.9 %.

- Se determinó el balance de materia correspondiente al sistema de torre de enfriamiento mostrados en el informe.

- Se determinó el balance de energía correspondiente al sistema de torre de enfriamiento, con un calor neto ganado por la corriente gaseosa durante la humidificación al interior de

la torre de enfriamiento de 1398.60Kcalh

.

- También los rellenos son muy importantes para este tipo de equipo y/o sistema para que se produzca una mejor transferencia de masa y calor.

- La eficiencia de la torre de enfriamiento depende de muchos factores, como: altura y diámetro de la columna, cantidad y altura de rellenos, flujo tanto de la corriente gaseosa como la del líquido a enfriar, el tiempo de residencia de ambos fluidos, etc.

VI. BIBLIOGRAFÍA

Ing. ARIAS JARA, Alfredo“Fundamentos y Aplicaciones de Transferencia de Masa”, Primera edición 2011Págs.: 99 – 102, 389, 416, 442, 456

http.torresenfriamiento/pdf.com

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE

HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA

QUÍMICA

PRACTICA N° 10

TORRES DE ENFRIAMIENTO

DOCENTE DE TEORIA : Ing. ARIAS JARA, Alfredo

DOCENTE DE PRACTICA : Ing. ARIAS JARA, Alfredo

CURSO : TRANSFERENCIA DE MASA I

ALUMNOS : CARRASCO SÁNCHEZ, Justidiano

QUISPE ORMEÑO,

Héctor Piero

AYACUCHO – PERÚ

2011