TORRE DE ENFRIAMIENTO

LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO 4

PROFESORA: MARÍA DE JESÚS CRUZ ONOFRE

0 7 / n o v / 2 0 1 2

Integrantes:

Aguirre Onofre Juan Carlos Alcántara Pérez José Guadalupe González Álvarez Alexis Antonio Herrera Hernández Laura

Introducción

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.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.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 del empaque, sino también la superficie de las gotas que caen como lluvia desde cada fila.

Generalidades

El uso más extenso, de la transferencia de calor difusional, se encuentra en la torre de enfriamiento, cámara de rocío de aire acondicionado, secadores de rocío, torre de rocío y aereador de fuente. Las torres de enfriamiento se utilizan con mayor frecuencia, en especial para grandes cargas de enfriamiento. Por lo general estas torres se construyen de madera con cubiertas múltiples de tablillas. También se han llegado a utilizar materiales tales como el aluminio, acero, ladrillo, concreto y tablero de asbesto.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.

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.

Torres de circulación 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.

En el tipo de tiro forzado el aire entra a través de una abertura circular mediante un abanico, y debido a esto se debe suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.En las torres de tiro inducido, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muy pequeña. En la torre atmosférica, las corrientes penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual.

Las torres de tiro natural deben ser altas para promover el efecto de las densidades, deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico.

La temperatura mínima a la que el agua puede enfriarse en una torre de enfriamiento corresponde a la temperatura de bulbo húmedo del aire. La diferencia entre la temperatura de agua a la salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo se llama aproximación.Una de las características objetables en las torres de enfriamiento se conoce como fogging, o producción de niebla, lo cual se da cuando el aire caliente saturado a la salida de la torre se descarga en la atmosfera fría y ocurre condensación.

Objetivos

Aplicar los conceptos y métodos de cálculo de transferencia simultanea de calor y masa en torres de enfriamiento.

Interpretar los resultados experimentales en función de las condiciones de operación y características de la torre.

Desarrollar un plan de trabajo experimental para resolver el problema que se plantea en cual se incluye un diseño de experimentos para analizar el efecto de las variables independientes.

Problema Experimental

Determinar los parámetros de la torre de enfriamiento a diferentes condiciones de operación: número de unidades de transferencia, altura de la unidad de transferencia y coeficiente de transferencia de masa. Seleccionar diferentes condiciones de operación de tal manera que se modifique la pendiente de la línea de operación y fuerza impulsora.

Equipo

Torre de enfriamiento de flujo cruzado instalada en el LEM IQ. Con una altura de lecho empacado de 84 cm y 53 cm de ancho, la cual será utilizada con recirculación continua de agua, y calentamiento.

Material

1 Anemómetro 2 Termómetros Torre de enfriamiento cruzado instalada en la nave 2000 LEM

Procedimiento Experimental1. Verificar que todas las válvulas estén cerradas.2. Verificar que la alberca este llena de agua y abrir la válvula de agua de servicio.3. Abrimos la válvula para la alimentación de vapor y purgamos el intercambiador de calor verificando que la

válvula de la trampa de vapor este totalmente abierta hasta lograr la presión de 1.2 kg/cm2

4. Encendimos el ventilador.5. Esperamos hasta que se estabilice el equipo y alcance el estado estacionario para tomar las mediciones

correspondientes: Temperatura de bulbo seco. Temperatura de bulbo húmedo. Velocidad del aire húmedo. Caudal variable.6. Medimos la temperatura de entrada y salida del agua.

Resultados Tabla 1. Resultados experimentales

Agua Vapor Aireent Airesal

Q (G.P.M) Tent (°C) Tsal (°C) P (psi) Tbs (°C) Tbh (°C) Tbs (°C) Tbh (°C)18 40 26 10 21 17 29 2715 40 26 12 22 15 29 2512 40 25 12 22 14 27 25

Análisis de resultadosA partir de los datos obtenidos experimentalmente, se puede generar una gráfica como la que se muestra en la figura 7.11 (ver generalidades). En ellas se grafica la temperatura del líquido contra la entalpía de la mezcla gaseosa. Hay dos curvas en la misma gráfica, una es la curva de distribución en el equilibrio de la mezcla gaseosa y otra es la línea de operación de la torre de enfriamiento que tiene como límites la temperatura de entrada del líquido y la temperatura de salida.

La curva de distribución en el equilibrio necesita datos de presión de vapor de agua a varias temperaturas, estos datos fueron tomados de las tablas de vapor. La humedad de saturación, Y´S, y la entalpía de la mezcla a saturación, H´S, se calcularon usando la presión de vapor, las ecuaciones para calcularlas se muestran en la memoria de cálculo.

Tabla 2. Datos para línea de equilibrio

Entalpia (kJ/mol) T (°C)

10 022 535 1050 1570 2092 25

122 30160 35208 40

La línea de operación se obtiene a partir de las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco de aire y la temperatura de salida y entrada de agua. Con tbs y tbh se lee la humedad de la carta psicométrica a 585 mmHg, y una vez conocida la humedad se calcula la entalpía de la mezcla gaseosa. El cálculo de H´ se presenta en la memoria de cálculo, los datos de Y´ leídos de la carta son:

Tabla 3. Lineas de operaciónAgua Entalpias

Q (G.P.M) Tent (°C) Tsal (°C) H1 (kJ/kg) H2 (kJ/kg)18 40 26 33 39715 40 26 30 39412 40 25 28 378

La ecuación de la línea de operación es:

L'C A, L (t L,2−tL, 1)=GS' (H 2

' −H 1' )

Por lo que se debe graficar la entalpía del gas H’, contra la temperatura del líquido t L. La línea ON, en la figura 7.11, representa la ecuación anterior y pasa a través de los puntos que representan las condiciones finales de los dos fluidos. La línea es recta con pendiente L´ CA,L /GS’. Con los datos dados en la tabla 2 y la tabla 3 se obtiene:

Gráfica 1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Líneas de Equilibrio y de operación

Curva de saturacion18 G.P.M15 G.P.M12 G.P.M

T (°C)

Enta

lpia

(kJ/

kg)

Para conocer el valor de la integral se propone un ΔH, leyendo así los valores para H* y H en cada uno de los valores desde H1 , H1 + ΔH , etc. hasta H2. Después se sustituyen en la integral estos valores de la siguiente forma:

∆ H(H ¿−H )

Obteniendo lo siguiente:

Tabla 4. Resolución de la integral18 G.P.M 15 G.P.M 12 G.P.M

H1 (kJ/kg)

H* (kJ/kg) integral H1 (kJ/kg) H* (kJ/kg) integral H1 (kJ/kg) H* (kJ/kg) integral

33 97 0.046875 30 97.5 0.04444444 28 92 0.0312536 111 0.04 33 114 0.03703704 30 105 0.0266666739 125 0.03488372 36 133.5 0.03076923 32 122 0.0222222242 142 0.03 39 155 0.02586207 34 141 0.0186915945 161 0.02586207 42 181 0.02158273 36 158 0.0163934448 183 0.02222222 45 206 0.01863354 38 182 0.0138888951 209 0.01898734 NtOG 0.17832906 40 208 0.01190476

NtOG 0.21883035 NtOG 0.14101757

Con estos datos se puede calcular las incógnitas que nos interesan:

Tabla 5. Cálculos obtenidosQ

(G.P.M)

ρ (kg/m3)

G'H

(kg/m2s)

G's (kg/m2s)

Q (

m3/s)

L' (kg/m2s)

m H1

(kJ/kg)

H2

(kJ/kg)

NtOG HtOG

(m)Kya (kg/m3s)

Wevap

(kg/s)

18 0.9248645

1

0.8618943

6

0.8499944

4

0.0011355

1.1266431

1.32547

33 51.55659

6

0.21883035

4

3.8385899

6

0.2214340

3

0.0056762

615 0.924

86451

0.8618943

6

0.8525166

8

0.0009462

5

0.9388692

5

1.1012

30 45.41807

9

0.17832905

5

4.7103933

7

0.1809863

0.0053135

712 0.924

86451

0.8618943

6

0.8533607

5

0.000757

0.7510954

0.880

28 40.32226

3

0.14101757

1

5.9567045

0.1432605

5

0.0060786

6

N tOG=∫H 1

'

H 2'

dH '

H ´¿−H ' =H´ 2−H ´1

(H ´¿−H ´ )av

=kY aZ

GS' = Z

H tOG

La integral se obtiene como un promedio de fuerza motriz (H´*- H´)av a partir de la distancia vertical SU (figura 7. 11) y H´1

a la temperatura de salida de líquido y H´2 a la temperatura de entrada de líquido. El cálculo de NtOG se muestra en la memoria de cálculo. Una vez que se conoce NtOG (el valor de la integral), se calcula la altura global de la unidad de transferencia, y el coeficiente volumétrico de transferencia de masa, su cálculo también se encuentra en la memoria de cálculo.

NtoG G´s Z HtoG Kya

Kgairem2 s

m m Kg/s

1.10870725 10.6351916 0.84 0.75763913 14.0372787

1.32962151 8.03467224 0.84 0.63175873 12.7179441

2.36666777 8.53523761 0.84 0.35492941 24.0477044

Como muestra la tabla de resultados al aumentar el flujo de agua debe de incrementar el número de unidades de transferencia al igual que la altura de la unidad de transferencia, pero el coeficiente volumétrico de transferencia de masa tiende a disminuir ya que es inversamente proporcional a la altura de unidad de transferencia de masa, aunque en la primera corrida con un flujo de 13 GPM es menor el numero de transferencia, esto se pudo deber, en que en un principio no se pudo regular la presión de vapor de agua, alterando nuestros valores.

Memoria De CálculoPara realizar los cálculos se utilizaron los siguientes valores:

Tabla 6. Datos Empleadosv (m/s) A (m2) ρ agua (kg/m3) Alecho

4.7462 0.19634954

992.2 0.4452

Se comenzará por realizar el cálculo de L´ y G´s, ya que estos valores son necesarios para trazar la línea de operación. Nota: Los datos tomados para realizar los cálculos siguientes son los datos de la primera corrida realizada.

G 'H=v∗ρaire∗A

Donde la densidad es:

ρ= PR

P .M∗T

= 77993.604 Pa

8.314Pam3

mol K

29g

mol

∗294.15K

=924.8 g

m3

ρ=924.8 g

m3∗( 1kg1000 g )=0.9248 kgm3

El área por donde pasa el aire es:

A=π∗r2=π∗¿

La velocidad promedio, se obtuvo de las mediciones realizadas para la práctica de humidificación adiabática, ya que se realizó en el mismo equipo y bajo las mismas condiciones.

Por lo cual:

G 'H=4.7462ms∗0.9248 kg

m3∗0.1963m2=0.8618 kg

m2 s

G 's=G'H ( 11+Y ent

)=16.7744 kg

m2 s (1

1+0.014 )=0.8499 kg

m2 s

Para el cálculo de la velocidad másica del líquido, se realiza lo siguiente:

L'=Q∗ρ=(18GPM∗0.2271m3

h3600 s )(992.2 kgm3 )=1.1266 kg

m2 s

Conociendo estos dos valores es posible calcular la pendiente que presenta la línea de operación a partir del siguiente balance:

L'Cp (tL ,2−tL ,1 )=G' s (H 2−H 1 )

Suponiendo el valor del Cp del agua igual a 1:

L 'G' s

=(H 2−H 1 )(tL ,2−t L,1 )

m= L 'G ' s

=1.1266

kg

m2 s

0.8499kgm2 s

=1.3254

Conociendo este valor es posible realizar el gráfico 1 de las líneas de operación y equilibrio.

Con la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada, se lee el valor de H1 que se tiene al momento de intersectar con la curva de saturación, tal y como se muestra en la imagen anterior. Después se grafica el primer punto tomando en el eje de temperatura la temperatura del agua a la entrada contra H1. Para graficar el segundo punto, se utiliza la pendiente previamente calculada para despejar el valor de H2 de la siguiente forma:

H 2=L 'G ' s

(tL ,2−t L,1 )+H 1

Donde H2 para la primera corrida presenta un valor de 51.5565 kJ/kg.

Se prosigue por graficar el valor de la temperatura del agua a la salida vs H 2 y con el primer punto previamente explicado se traza la línea de operación mostrada en el gráfico 1.

Después de obtener el gráfico de la línea de operación y la curva de saturación, se prosigue por calcular el número de unidades de transferencia de masa.

∫H 1

H 2

dH(H∗−H )

=N tOG

La resolución de la integral se realiza gráficamente de la siguiente forma:

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

Curva de Satu-ración

18 GPM

Temperatura (°C)

Enta

lpia

(kJ/

kg)

Para conocer el valor de la integral se propone un ΔH, leyendo así los valores para H* y H en cada uno de los valores desde H1, H1 + ΔH , etc. hasta H2. Después se sustituyen en la integral estos valores de la siguiente forma:

∆ H(H ¿−H )

= 3(97−33 )

=0.0468

ΔH =es el diferencial en el cual es divida la recta y tiene un valor de 3.

Asi fue como se obtuvo la tabla 4 de los valores de H y H* de la línea de operación para obtener la integral.

La sumatoria de estos fragmentos del área bajo la curva es la integral buscada por lo que el valor de las unidades de transferencia es 0.2188. Conociendo el número de unidades de transferencia, es posible calcular la altura de la unidad de transferencia con la siguiente ecuación:

H tOG=z

N tOG

= 0.84m0.2188

=3.8385m

A su vez, también es posible conocer el valor del coeficiente de transferencia de masa volumétrico de la siguiente forma:

k ya=G' s∗N tOG

Z=0.8499

kg

m2 s(0.2188 )

0.84m=0.2214 kg

m3 s

Para calcular el agua evaporada se realiza lo siguiente:

W evap=G' s∗A∗(Y 2−Y 1)

Tabla 7. HumedadesQ (G.P.M) Y ent (kgagua/kga.s) Ysal (kgagua/kga.s)

18 0.014 0.02915 0.011 0.02512 0.01 0.026

W evap=0.8499kg

m2 s(0.4452m2 ) (0.029−0.014 )=0.0056 kg

s

ConclusionesMediante los datos obtenidos experimentalmente se concluye lo siguiente:

A medida que se aumenta el flujo del agua en el equipo, el coeficiente de transferencia de masa también lo hace.

Al aumentar el valor de las unidades de transferencia de masa, el coeficiente también lo hace.

Al tener un mayor valor del coeficiente y de las unidades de transferencia, el valor de la altura por unidad de transferencia será menor.

Se concluye que las condiciones a las que se trabaje afectan la transferencia de masa y por lo tanto el valor de los datos calculados.

Bibliografía.

TREYBAL E., “Operaciones de transferencia de masa”, 2a ed., Mc Graw-Hill, México, 1988. SHERWOOD, PIGFORD, AND WILKE “Mass Transfer”, Mc Graw Hill, 3ª edición, EUA. PERRY RH, y col, “Manual del Ingeniero Químico” , Mc Graw Hill, 7ª edición , España (2003)

ContenidoTORRE DE ENFRIAMIENTO..........................................................................................................................................................1

Introducción..........................................................................................................................................................................2

Generalidades.......................................................................................................................................................................2

Objetivos...............................................................................................................................................................................3

Problema Experimental.........................................................................................................................................................3

Equipo...............................................................................................................................................................................3

Material.............................................................................................................................................................................3

Procedimiento Experimental.................................................................................................................................................4

Resultados.............................................................................................................................................................................4

Análisis de resultados............................................................................................................................................................5

Gráfica 1............................................................................................................................................................................6

Memoria De Cálculo..............................................................................................................................................................7

Conclusiones.......................................................................................................................................................................10

Bibliografía..........................................................................................................................................................................10