Practica Torre de Enfriamiento 2015

LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS TORRE DE ENFRIAMIENTO OBJETIVO. Introducir al alumno en el estudio teórico y al análisis termodinámico de las torres de enfriamiento.

ACTIVIDADES A REALIZAR. Determinar, utilizando dos métodos de análisis, los balances de transferencia de calor y masa de la torre de enfriamiento del laboratorio, además, graficar su curva característica.

EQUIPO Y MATERIALES. 1 2 2 1 1

Torre de enfriamiento de agua “HILTON”. Termómetros de bulbo seco. Termómetros de bulbo húmedo. Matraz de 1000 ml. Cronometro.

INTRODUCCIÓN. Los procesos industriales y las maquinas térmicas generan enormes cantidades de calor que debe ser continuamente retirado si se quiere que operen eficientemente. Aunque normalmente este calor se desecha utilizando el agua de los ríos, arroyos, lagos e inclusive los océanos, donde el proceso natural de evaporación los hace muy efectivos en la disipación del calor, aunque sin control debido a su dependencia de los vientos dominantes. Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora evap ora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cual se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso evaporativo y enviando a la atmosfera por medio del aire el calor excedente. Las torres de enfriamiento son los equipos que se utilizan 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. Se consideran como cambiadores de calor de mezcla, ya que existe una interacción directa entre el fluido caliente (agua) y el fluido frio (aire) 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. También se colocan 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 la parte superior de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. Las torres de enfriamiento reutilizan más del 95% del agua que moviliza en su funcionamiento. Una pequeña cantidad se evapora y otra se evacua para evitar la concentración de sales. Fue a principios de este siglo cuando las torres de enfriamiento comenzaron a tener uso comercial. Estas se instalan en lugares donde las industrias no n o cuentan con el suministro de grandes cantidades de agua, provenientes de fuentes naturales, nat urales, para su proceso o donde escasea y el costo es elevado. Las torres de enfriamiento tiene amplia gama de aplicaciones en el enfriamiento de equipos como: condensadores, máquinas de combustión interna, compresores de aire y de gases, reactores, etc.; que forman parte del equipo y/o proceso dentro de la industria de plásticos, automotriz, petroquímica alimenticia, así como de plantas termoeléctricas, laboratorios, clínicas y hospitales.

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CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO. El principio de funcionamiento de una torre de enfriamiento depende del tipo de torre. Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

•

•

Torres de Circulación Natural 1.- Atmosféricas 2.- Tiro natural Torres de Tiro Mecánico 1. Tiro inducido 2. Tiro Forzado

Torres de Circulación Natural. Sus principales características son: enfrían el agua sin necesidad de ventiladores, como no tiene partes mecánicas en movimiento su costo de mantenimiento es bajo, la inversión inicial es grande, requieren de una gran superficie de terreno, no presentan problemas de recirculación de aire por la altura de la torre y el control de la temperatura del agua fría es difícil. Torre de Circulación Natural tipo Atmosférica . 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. Dependen de los vientos predominantes para el movimiento del aire. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal (ver figura 1).

Figura 1.- Torre de Circulación Natural tipo Atmosférica

Las corrientes de aire penetran a todo el ancho de la torre, por lo que se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad similar. Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningún obstáculo pueda impedir la libre circulación de aire a través de la torre. Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamaño, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes mecánicas móviles. Una torre de este tipo funcionará adecuadamente si está expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores a los 8 km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de bombeo aumentan mucho en relación a una torre de tiro mecánico y no compensan el ahorro del costo de ventilación. Actualmente, las torres atmosféricas están en desuso.

Torre de Circulación Natural de Tiro Natural. Las torres de tiro natural, tipo chimenea chim enea están fundadas en el hecho de que el aire se calienta por el agua y de esta forma se produce una corriente de convección ascendente. El tiro para poder enfriar el agua, es el resultado de varios efectos combinados siendo el principal, la diferencia de densidades entre entre el aire saturado de humedad que sale de la torre y el aire que entra, puesto que mientras más húmedo es el aire, menor es su densidad. Un ejemplo de este tipo se representa en la Figura 2. Los lados van completamente Torre de Enfriamiento

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cerrados, desde el fondo hasta la parte superior, dejando entradas de aire cerca del fondo. El material de tipo rejilla, que distribuye el agua, está confinado en una parte relativamente poco alta de la sección inferior de la torre, y la mayor parte de la estructura es necesaria para producir el tiro. En las torres de este tipo la resistencia al flujo de aire debe reducirse al mínimo y, por tanto, no es posible el llenarlas de tablas planas como en las torres de circulación atmosférica, utilizando por los común, tablas en zig zag. Las desventajas de estas torres son, la gran altura necesaria para producir el tiro natural y el requisito de que el agua debe tener siempre una temperatura superior a la del termómetro termómet ro de bulbo seco del aire para que éste pueda calentarse y producir la corriente de convección ascendente. La altura total de estas torres, dependiendo de las condiciones de servicio varía entre 60 y 100 metros, el diámetro de la base de 30 a 70 metros.

Figura 2.- Torre de Circulación Natural tipo Natural

En el caso de que se necesite enfriar grandes caudales de agua (como plantas nucleares) se utilizan torres de enfriamiento de tiro natural, que son muy características, tal como se muestran en la figura 3. El método de funcionamiento de estas torres es exactamente igual a las anteriores.

Figura 3.- Torre de Enfriamiento de Circulación Natural de tiro Natural de gran capacidad Torre de Enfriamiento

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Facultad de Estudios Superiores “Aragón” UNAM Laboratorio de Maquinas Térmicas -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Torres de Tiro Mecánico. Son aquellas que requieren de ventiladores para hacer fluir el aire a

través de la torre, que permiten un absoluto control del flujo y velocidad del aire. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de aproximación muy mu y pequeños (hasta de 1 o 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser se r de 3 o 4ºC). Características principales: requieren menor espacio que las torres de tiro natural, existe un control de la temperatura del agua fría, fr ía, los costos iniciales son bajos, se tiene tie ne un mayor consumo de energía y están expuestas a fallas mecánicas. Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido Son aquellas en las que el ventilador se encuentra a un costado de la torre, al impulsar el aire hacia el interior de la torre pasa a esta a contra flujo con el agua, la cual cae lentamente en cascada por las secciones sec ciones que forman el relleno. La unidad puede estar est ar integrada por varios ventiladores, los cuales suministran aire a una parte del emparrillado, el cual está separado por te`s divisorias cerradas, formando un número determinado de celdas. En la figura 4 se ilustra una torre de este tipo. El aire se fuerza por un ventilador ventilad or 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. Una ventaja seria que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida. Torres de tiro forzado.

Figura 4.- Torre de Enfriamiento de Tiro Mecánico de Tiro Forzado Torres de tiro inducido.- En

estas torres, uno o dos ventiladores se encuentran instalados en la parte superior que permiten una distribución más uniforme del aire y evitan el retorno del aire saturado al interior de la torre. Se dividen también en torres de contraflujo y de flujo cruzado. En las torres de contraflujo o a contracorriente, 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 (Figura. 5). La ventaja 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. La resistencia del aire que viaja en sentido contrario a las gotas del agua produce una mayor pérdida de presión y por lo tanto T or r e d e E n f r i a m i en t o

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Facultad de Estudios Superiores “Aragón” UNAM Laboratorio de Maquinas Térmicas -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------se consume más potencia en los ventiladores . 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.

Figura 5.- Torre de Enfriamiento de Tiro Mecánico de Tiro Inducido de Flujo en Contracorriente

En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular perpendic ular al agua que desciende (Figura 6). Estas torres tienen una altura al tura menor que las torres de flujo a contracorriente, contracorri ente, 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 exista un rango muy grande y se requiera un valor de aproximación 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 6.- Torre de Enfriamiento de Tiro Mecánico de Tiro Inducido de Flujo Cruzado Torre de Enfriamiento

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Factores que Afectan la Eficiencia de una Torre de Enfriamiento. Algunos de los factores que afectan la eficiencia de enfriamiento del agua en una torre son:

Recirculación.- Sucede cuando parte del aire saturado que sale de la torre es recirculado nuevamente, alterando la atmosfera de entrada. El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del aire ai re que entra a la torre de enfriamiento (por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente), y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre. Restricción del flujo de Aire.- Para un flujo de agua caliente con determinada carga de calor, la temperatura del agua fría a la salida de una torre de enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará. Viento.- Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar la posibilidad de tener la recirculación y a crear una zona de baja presión en la cual puede formarse una cierta cantidad de niebla, si la admisión de aire a la torre está en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla. Interferencias.- Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden interferir con su desempeño térmico. Estas interferencias pueden ser causadas por otras instalaciones de la planta u otros equipos. Muchas veces consisten de contribución térmica del efluente de otra torre de enfriamiento cercana.

TEORIA GENERAL.- El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, 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, lo 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. El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido. Cuando el agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de sí misma el calor que necesita, esto origina que el agua se enfríe y por lo tanto que su temperatura disminuya. Durante la evaporación natural se absorbe calor y esto constituye un proceso de enfriamiento. En la superficie del agua que está en contacto con aire no saturado sucede lo siguiente: 1. Inicialmente el agua toma calor de sí misma para evaporarse y así se crea un gradiente de temperatura entre el agua y la superficie de contacto. 2. El aire recibe humedad (vapor de agua) y por lo tanto energía en forma de calor latente de vaporización 3. Después el aire le proporciona energía al agua, la que se evapora cada vez más a expensas de la energía del aire que de sí misma, hasta establecerse un estado de equilibrio a la temperatura de bulbo húmedo del aire. Torre de Enfriamiento

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El fenómeno de la evaporación se puede explicar de la siguiente manera: a un termómetro cuyo bulbo de mercurio se cubre con un lienzo saturado de agua y se introduce en una corriente continua de aire que fluye a gran velocidad, le ocurre lo siguiente: Como el aire no está saturado, el agua se evapora y se transfiere al aire, inicialmente el agua utiliza su calor latente para su evaporación lo que provoca su enfriamiento, este proceso continua, pero cada vez menos intenso, ya que al enfriarse el agua se genera un gradiente de temperatura, que da la posibilidad de transferir calor del aire al agua y ser empleado para suministrar la energía para la evaporación, entonces el agua se enfría cada vez menos hasta llegar a un punto en que toda la energía proviene del aire y ya no del líquido, en este instante el agua alcanza una temperatura estacionaria y se le llama temperatura de bulbo húmedo. El fenómeno que ocurre en el termómetro de bulbo húmedo se aprovecha para comprender el proceso del enfriamiento de agua.

Definición de conceptos. Idealmente, la temperatura de bulbo húmedo del aire , es la temperatura mínima posible a la que pudiera enfriarse el agua a la salida de una torre de enfriamiento. En la práctica, la temperatura del agua fría se aproxima pero no es igual a la de bulbo húmedo, sino que solo se enfría el agua debajo de la temperatura de bulbo seco, esto debido a que resulta imposible poner en contacto toda el agua con el aire en su camino a través de la torre. A fin de poder evaluar el funcionamiento de una torre de enfriamiento, se utilizan en la práctica los siguientes conceptos: aproximación, rango y eficiencia. La diferencia de temperaturas entre la real del agua fría a la salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada se denomina aproximación de bulbo húmedo o aproximación .

Aproximación = TH2Osalida – Tbh entrada Por otra parte, el número real de grados de enfriamiento del agua en la torre se denomina rango de enfriamiento o rango

Rango = TH2Oentrada – TH2Osalida Otro concepto empleado para evaluar y comparar el comportamiento de una torre de enfriamiento es el de eficiencia .

/ (TH2Oentrada – Tbh entrada) Eficiencia = Ƞ = (TH2Oentrada – TH2Osalida) / (

Teoría de Merkel.- El Dr. Merkel desarrollo una teoría para la transferencia de masa y calor en una torre de enfriamiento a contracorrientes. Este análisis se basa en el diferencial de entalpías como fuerza impulsora. impulsor a. Se supone que cada partícula de agua está rodeada ro deada por una película de aire y que la diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento En la figura 7 se ilustran las relaciones del agua y el aire y el potencial impulsor que existe en una torre de contraflujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero siguiendo una dirección opuesta Torre de Enfriamiento

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al flujo del agua. La línea de operación del agua está representada por la línea AB y se especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y salida. La línea de operación del aire principia en C, verticalmente por debajo de B, y en un punto que tiene una entalpía correspondiente a la temperatura de entrada de bulbo húmedo. La línea BC, representa la fuerza impulsora inicial (h’- h). El aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y el rango de enfriamiento es la longitud proyectada de la línea CD sobre la escala de temperaturas.

Figura 7.- Curva característica de una torre de enfriamiento a contracorriente

Transferencia de calor y masa.- La transferencia de energía del agua al aire, involucra una transferencia de calor y y una transferencia de masa . La transferencia de calor es debida a la diferencia de temperaturas del agua y la temperatura de bulbo seco del aire. La transferencia de masa es debido a la diferencia de las presiones de vapor en la superficie del agua y del aire. A causa de esto se evapora una pequeña cantidad de agua y el resto se enfría. Para facilitar el enfriamiento enfriamie nto del agua, esta se fracciona en pequeñas gotas aumentando así la superficie de transferencia de calor. Esto se logra utilizando el agua a presión y llevándola a una esprea. Para aumentar la eficiencia, el agua fraccionada se hace caer sobre una superficie plana transformando las gotas en delgadas láminas que estarán en contacto directo con el aire que pasa a través de ellas. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. Con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera impregnada con fungicida. Pueden emplearse también empaque de plástico moldeado en forma de enrejado. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto. El espacio vacío es muy grande, generalmente mayor del 90% con el fin de que la caída de presión del aire sea lo más baja posible. Como consecuencia la superficie de la interfase no sólo incluye la superficie superficie de la película líquida que Torre de Enfriamiento

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humedece el empaque, sino también la superficie de las gotas que caen como lluvia desde cada fila del empaque interno. La máxima transferencia de energía en una torre de enfriamiento se obtiene utilizando el sistema de corrientes opuestas, es decir, mientras que el aire se suministra por los costados o por la parte inferior, el agua desciende por gravedad.

Balance de Masa.- Normalmente en los libros de ingeniería, el cálculo de la pérdida de agua en las torres de enfriamiento, se determina como el producto del caudal másico del aire por la variación de la humedad especifica del aire en la torre. Se supone que el resultado de este cálculo es la cantidad de agua necesaria para compensar la pérdida por evaporación. En la realidad, este resultado podría ser una aproximación equivocada. La “ desviación” o “arrastre de humedad libre” son son los términos que se emplean para describir las gotitas libres de agua que salen de la torre arrastradas por el aire. La cantidad real de humedad arrastrada depende de los siguientes factores: la velocidad del aire que pasa a través de la torre y la temperatura del agua caliente que entra en la torre. Cuando la velocidad del aire es superior a 1.5 m/s su fuerza es suficiente para arrastrar pequeñas gotitas de agua en cantidades que pueden afectar al balance de masa por evaporación. La máxima velocidad del aire obtenida en la torre de enfriamiento Hilton está por debajo de ese valor crítico, pero, como precaución adicional, la sección de salida de la torre tiene un relleno de material que atrapa la humedad libre, favoreciendo su condensación en gotitas más grandes, que vuelven a caer dentro de la torre. Si la temperatura del agua caliente que entra en la torre está muy por encima de la temperatura del aire que sale, habrá una gran diferencia entre las presiones de saturación del aire y del agua. Esta diferencia de las presiones de saturación produce más vapor de agua que suele constituir una pérdida de humedad que no se tiene en cuenta en un balance de masas. Si el equipo se va a usar para obtener un balance de masas para confirmar experimentalmente el producto del caudal másico por el cambio de humedad específica, no debe sobrepasarse de una temperatura de entrada de agua de 40 °C, en caso contrario, es necesario comparar la pérdida de evaporación de agua teórica con la pérdida real de agua obtenida a la salida de la torre. Perdida de evaporación de agua teórica

   −   ⁄ℎ  =  Pérdida real de agua medida

  −     = 

⁄ℎ

Balance de Energía.- Para realizar el balance de energía debemos considerar la Ecuación del Balance de Energía por unidad de masa a Caudal Constante entre los límites 1 y 2. (Ver Figura 8)

 +  = ∆ + ∆ + ∆

Se toman como referencia la entrada del agua (limite 2) y la base del relleno de la torre (limite 1). El trabajo del ventilador no se considera, puesto que el funcionamiento de la torre es lo que se está analizando. Ni el aire ni el agua realizan ni reciben trabajo entre los límites, por lo tanto W y Q son ambos iguales a cero. Como la torre es de sección uniforme dentro de los limites, V 1 = V2 ∴ ∆ =   = ;  = ; Torre de Enfriamiento

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Se incluye la energía potencial en estos cálculos, cálcu los, aunque generalmente es muy pequeña comparada con el cambio de entalpía:

 = ∆ + ∆ Por la Ley de la Conservación de la Energía, la ecuación puede expresarse así:

Es decir, el Cambio de energía en la corriente de aire es igual al Cambio de energía en el agua Sustituyendo  ! =  " y #" = $    % −    %  +   & %& −   & %&  + '(    +   &  =    % −    %  + '(      )* − )*  +   & %& −   & %& + '(    +   &  =    % −    %  + '(    

Cambio de energía en el aire

   )* − )*  +   & %& −   & %&  + '(    +   &  ∆ = 

 ,⁄ℎ

Cambio de energía en el agua

  % −    % + '(    ∆ = 

 ,⁄ℎ

Balance de energía

∆ = ∆

Figura 8.- Limites para el Balance de Energía Torre de Enfriamiento

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.- El tipo de torre de enfriamiento de agua del laboratorio es de tiro mecánico del tipo forzado en contracorriente (Figura 9). La superficie de relleno está hecha de mallas de aluminio expandido deploye anonizado que actúa como una directriz desviando la dirección del aire y fraccionando las gotas de agua. Como es una unidad diseñada para fines didácticos podemos estudiar los procesos termodinámicos de transferencia de energía que se llevan a cabo en ella. La medición del flujo de agua se realiza con un rotámetro, cuatro resistencias eléctricas de 2.5 KW sirven para calentar el agua y en un manómetro se mide el flujo volumétrico del aire. El flujo del agua a la salida se mide con un vaso de precipitado y un cronometro. A fin de poder controlar el flujo de aire a la torre, el ventilador está provisto de una persiana a la entrada y de una purga a la salida. Adicionalmente se cuenta cuenta con otros instrumentos de medición y control (termómetros (termómet ros de bulbo húmedo y seco en la entrada y salida del aire, válvulas, trampas t rampas de humedad, desagüe, etc.) mediante los cuales se controla y obtiene las lecturas necesarias para el desarrollo de la práctica y la evaluación del equipo.

Figura 9.- Diagrama Esquemático de la Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado de Laboratorio Hilton Torre de Enfriamiento

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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA.- En el desarrollo de la práctica se emplearán 2 métodos diferentes para establecer el balance general de energía. Al mismo tiempo se cuantificará la pérdida de agua por evaporación.

Método 1.- Teoría de los Estados Finales. Este es el método más sencillo de examinar la gama de funcionamiento de la torre de enfriamiento enfriamient o sin meterse en los complejos procesos de transferencia de calor y masa que tienen lugar dentro de la torre. Solo se requiere determinar las propiedades de entrada y salida del aire y del agua y aplicando la ecuación energética a caudal constante puede establecerse los balances generales de energía y masa

Método 2.- Carta Psicrométrica.- Se utiliza este método cuando las propiedades de entrada y salida del aire están dentro de los márgenes de la carta Psicrométrica del lugar donde se utiliza la torre de enfriamiento. Este método es mucho más sencillo que el de los estados finales, pero al ser un método gráfico, mucho depende de la exactitud con que se lean los valores en la carta.

I.- METODO DE LA TEORIA DE LOS ESTADOS FINALES 1.- Presión Parcial del Vapor de Agua del aire en la entrada & =  − . / /)* − )*% 0 12

345 = 36789: 36789: 2<7>8? 2<7>8?2 2 12  EF E" @ = ABAA C D$ G  HIJ" = H6K62L H6K62L2 2 M6 1L#1< 1L#1< 76?< M6# M6# 286 6: 6# #886 #886 D G HIN" = H6K62L H6K62L2 2 M6 1L#1< ℎL6M< ℎL6M< M6# 286 286 6: 6# #886 D G 3J" = 36789: 36789: M6 72L2?89 72L2?89: : M6# O2K< O2K< M6 2L2 2L2 2 #2 HIN"

2.- Presión Parcial del Vapor de Agua del aire en la salida & =  − . /)* − )*% 0 12

345 = 36789: 36789: 2<7>8? 2<7>8?2 2 12 12  EF E" @ = ABAA C D$ G  HIJ! = H6K62L H6K62L2 2 M6 1L#1< 1L#1< 76?< M6# M6# 286 6: 6# #886 #886 P G HIN! = H6K62L H6K62L2 2 M6 1L#1< ℎL6M< ℎL6M< M6# 286 286 6: 6# #886 P G 3J! = 36789: 36789: M6 72L2?89 72L2?89: : M6# O2K< O2K< M6 2L2 2L2 2 #2 HIN!

3.- Humedad Relativa del aire en la entrada  R Q = & ⁄  3J" = 36789: 36789: M6 72L2?89 72L2?89: : M6# O2K< O2K< M6 2L2 2L2 2 #2 HIJ"

4.- Humedad Relativa del aire en la salida  R Q = & ⁄  3J! = 36789: 36789: M6 72L2?89 72L2?89: : M6# O2K< O2K< M6 2L2 2L2 2 #2 HIJ!

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Tabla de vapor saturado para cálculo de las presiones de saturación

Según la Ley de Dalton:

 = & +  345 = 36789: 36789: 2<7>8? 2<7>8?2 2 12 3S = 36789: 36789: K2?82# K2?82# M6# O2K< O2K< M6 2L2 2L2 6: 6# 286 286 12 3 = 36789: 36789: K2?82# K2?82# M6# 286 286 76?< 76?< 12 12

5.- Presión parcial del aire seco a la entrada  =  − & 12

6.- Presión parcial del aire seco a la salida  =  − & 12

7.- Humedad Específica del aire a la entrada  = B T & ⁄  ⁄UVW JWXY 

8.- Humedad Específica del aire a la salida  = B T & ⁄  ⁄UVW JWXY 

9.- Flujo másico de aire a la entrada   =  Z  ⁄ ) ⁄ℎ De  Z  =   [[ \ \ 

3" = ]⁄!  ^  = _ ⁄ℎ  = PàB PàBD D  ,⁄ bc  H = HIJ" bc  12 = D$d ] ⁄! 


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10.- Flujo másico de vapor de agua en el aire a la entrada  & =     

⁄ℎ

11.- Flujo másico de vapor de agua en el aire a la salida  & =        =    Por continuidad:   & =     ⁄ℎ 

Balance de masa 12.- Perdida de evaporación de agua teórica Por conservación de masa: Entrada (agua + vapor de agua) = Salida (agua + vapor de agua)

 & +    =   & +       =   & +    −   & ⁄ℎ    ⁄ℎ   −   = 

13.- Perdida real de agua medida   −     = 

⁄ℎ

14.- Comparación de las pérdidas por evaporación del agua  = 

⁄ℎ

Balance de Energía 15.- Cambio de energía en el aire    )* − )*  +   & %& −   & %&  + '(    +   &  ∆ = 

 ,⁄ℎ

ef = e2#< e2#<  67K6? 67K6?8 88? 8?< < M6# M6# 286 286 = DB$$g DB$$g  , ⁄ be  efS = e2#< e2#< 67K6 67K6?8 ?88?< 8?< M6# O2K< O2K< M6 M6 2L2 2L2 = DBÀ DBÀ  , ⁄ be  ℎS" = ℎh" + eiS HIJ" − HJ"  ℎh" = j:2#K82 j:2#K82 M6# O2K< O2K< 72L2M< 72L2M< 2 3S" M6 21#27 HJ" = H6K62L H6K62L2 2 M6# O2K< O2K< 72L2M< 72L2M< 2 3S" M6 21#27 ℎS! = ℎh! + eiS HIJ! − HJ!  ℎh! = j:2#K82 j:2#K82 M6# O2K< O2K< 72L2M< 72L2M< 2 3S! M6 21#27 HJ! = H6K62L H6K62L2 2 M6# O2K< O2K< 72L2M< 72L2M< 2 3S! M6 21#27  = @?6# @?6#6 62? 2?89 89: : M6 #2 2O 2O6M 6M2M 2M = kB`D kB`D ⁄7 ! #! = l872: l872:?82 ?82 M6# M6# #886 #886 P ?<: ?<: 67K6? 67K6?< < 2# #886 #886 D = DBmn DBmn 

16.- Cambio de energía en el agua   % −    % + '(    ∆ = 

 ,⁄ℎ

efo!p = e2#< e2#<  67K6? 67K6?8 88? 8?< < M6# M6# 2L2 2L2 = nBDÀ nBDÀ  , ⁄ be  ℎo!p" = eio!p Ho!p" ℎo!p! = eio!p Ho!p!

17.- Balance de energía ∆ = ∆  ,⁄ℎ Torre de Enfriamiento

AST (2015)

P á g i n a 14 | 19


Tabla de vapor saturado para cálculo de las entalpias

2.- METODO DE LA CARTA PSICROMÉTRICA

1.- Determinar en la carta Psicrométrica Psicrométrica las propiedades del aire húmedo: Volumen específico O" q O! ; humedad específica r" q r! ; entalpia específica ℎ" q ℎ!  y humedad relativa Q" q Q! .

2.- Flujo másico de aire a la entrada   = Z  ⁄& 

⁄ℎ

^  = e2LM2# e2LM2# O<#L68? O<#L68?< < M6# 286 2 #2 6:2M2 6:2M2 _ ⁄ℎ O" = ^<#L6: ^<#L6: 67K6?88? 67K6?88?< < M6# 286 2 #2 6:2M2 6:2M2 _⁄

3.- Flujo másico de vapor de agua en el aire a la entrada  & =     

⁄ℎ

r" = sL6M2M sL6M2M 67K6?88?2 67K6?88?2 M6# M6# 286 2 #2 6:2M2 ⁄UVW JWXY 

4.- Flujo másico de vapor de agua en el aire a la salida  & =      Por continuidad:    =   

 & =     

⁄ℎ

r! = sL6M2M sL6M2M 67K6?88?2 67K6?88?2 M6# 286 2 #2 72#8M2 72#8M2 Torre de Enfriamiento

⁄UVW JWXY  AST (2015)

P á g i n a 15 | 19


Balance de masa 5.- Perdida de evaporación de agua teórica    −   ⁄ℎ  = 

6.- Perdida real de agua medida ⁄ℎ

  −     = 

7.- Comparación de las pérdidas por evaporación del agua  ⁄ℎ =  ⁄ℎ

Balance de Energía 8.- Cambio de energía en el aire   % − %  ∆ = 

 ,⁄ℎ

ℎ" = j:2#K82 j:2#K82 M6# 286 286 2 #2 6:2M2 6:2M2  ,⁄ ℎ! = j:2#K82 j:2#K82 M6# M6# 286 2 #2 72#8M2 72#8M2  ,⁄

9.- Cambio de energía en el agua   % −    % ∆ = 

 ,⁄ℎ

ℎo!p" = eio!p Ho!p" ℎo!p! = eio!p Ho!p! efo!p = e2#< e2#<  67K6? 67K6?8 88? 8?< < M6# M6# 2L2 2L2 = nBDÀ nBDÀ  , ⁄ be  Ho!p! = H6K62L H6K62L2 2 M6# 2L2 2 #2 6:2M2 6:2M2 be Ho!p" = H6K62L H6K62L2 2 M6# 2L2 2 #2 72#8M2 72#8M2 be

10.- Balance de energía ∆  ,⁄ℎ = ∆  ,⁄ℎ

GRÁFICAS 1. Graficar en la carta psicrométrica de la Ciudad de México el proceso Psicrométrico que se lleva a cabo en la torre de enfriamiento. 2. Graficar en papel milimétrico la curva característica de la torre de enfriamiento

RESULTADOS.- El alumno presentara una secuencia detallada de los cálculos efectuados y hará una tabla con los resultados obtenidos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.- El alumno dará sus conclusiones y las recomendaciones que crea convenientes para el mejoramiento de esta práctica.


AST (2015)

P á g i n a 16 | 19


TABLA DE RESULTADOS Concepto

Símbolo

Unidades

Humedad Relativa del aire en la entrada

Q

R

Humedad Relativa del aire en la salida

Q

R

Humedad Específica del aire a la entrada



⁄ JWXY

Humedad Específica del aire a la salida



⁄ JWXY



⁄ℎ

&

⁄ℎ

 & 

⁄ℎ



⁄ℎ



⁄ℎ

 = 

 ⁄ℎ =  ⁄ℎ

Cambio de energía en el aire

∆

 ,⁄ℎ

Cambio de energía en el agua

∆

 ,⁄ℎ

∆ = ∆

 ,⁄ℎ =  ,⁄ℎ

Flujo másico de aire a la entrada Flujo másico vapor de agua en aire de entrada Flujo másico vapor de agua en aire de salida Perdida de evaporación de agua teórica Pérdida real de agua medida Comparación de las pérdidas por evaporación del agua

Balance de energía

Método de los Estados Finales

Método Carta Psicrométrica

TABLA DE DATOS PARA GRAFICAR GR AFICAR LA CURVA CARACTERISTICA Concepto s a i p l a t n E s a r u t a r e p m e T

Símbolo

Unidades

Aire en la entrada

%

 ,⁄ℎ

Aire en la salida

%

 ,⁄ℎ

Agua a la entrada

%

 ,⁄ℎ

Agua a la salida

%

 ,⁄ℎ

Bulbo Húmedo del aire a la entrada

)*%

be

Bulbo Húmedo del aire a la salida

)*%

be

Agua a la entrada

)

be

Agua a la salida

)

be


AST (2015)

Valor

P á g i n a 17 | 19


TABLA DE LECTURAS Concepto Caudal másico de agua

Entrada   ⁄ℎ 

Salida   

Temperatura del agua

be

)

)

Temperatura de bulbo seco

be

)*

)*

Temperatura de bulbo húmedo

be

)*%

)*%

Caudal volumétrico del aire a la entrada

_ ⁄ℎ

Z 

Presión atmosférica del lugar

12




AST (2015)

P á g i n a 18 | 19



AST (2015)

P á g i n a 19 | 19

Practica Torre de Enfriamiento 2015

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