Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química
Laboratorio de Ingeniería Química III
REPORTE Torre de enfriamiento de agua
● ●
Olvera Pérez Jorge Alberto Salgado Huipio Ximena
Grupo 5 Martes 11:00-14:00
Problema Una corriente de agua de servicio de 3.57 L/min que proviene de la zona de cambiadores de calor se alimenta a una torre de enfriamiento de agua a 50°C. Se desea conocer el flujo de aire ambiental en kg / h que se debe alimentar para enfriarla a 25°C, así como el valor del coeficiente volumétrico global KY a en kg de agua transferida / h m 3 (kg H2O / kg AS) para este flujo de aire.
Datos experimentales Tabla 1.
No de corrida
Tiempo de llenado entre marcas
Masa de agua fría acumulada
Flujo de agua en la salida
Flujo de agua en la entrada
Flujo de aire de T T entrada agua de entrada agua de salida
TBS en la entrada
3
min
kg
kg/min
L/min
m /h a 28°C y 1 bar
1
1,056
3,76
3,56
3,57
90
38
30
24
2
1,05
3,76
3,58
3,57
170
38
28
26,5
3
1,06
3,76
3,55
3,57
270
38
24
27
4
1,063
3,76
3,54
3,57
330
38
22
27
°C
°C
°C
Tabla 2.
No de corrida
TBH en la entrada
°C
YA humedad absoluta en la entrada kg H2O vapor/ kg AS
TBS en la salida
TBH en la salida
°C
°C
Yr % en la salida
YA humedad absoluta en la salida kg H2O vapor/ kg AS
1
18
0,018
31,8
----
25,1
0,00952
2
19
0,019
29,1
----
28,1
0,00913
3
19
0,019
28,3
----
35,5
0,01104
4
19
0,019
27,4
----
37,2
0,01098
Cuestionario 1.- Cuántos grados centígrados se enfrió el agua desde su temperatura de entrada a la torre hasta la temperatura de salida en cada corrida experimental, ¿Cómo nombra la literatura a éstas diferencias de temperaturas?, presente sus resultados en una tabla comparativa.
T Agua de entrada
T Agua de salida
Diferencias de temperatura
°C
°C
°C
1
38
30
8
2
38
28
10
3
38
24
14
4
38
22
16
No de corrida
Se le conoce a ésta diferencia de temperaturas como, intervalo. 2.- Presente en otra tabla comparativa las diferencias en grados centígrados entre las temperaturas del agua de salida y la temperaturas de bulbo húmedo del aire de entrada para cada corrida experimental, ¿Cómo nombra la literatura a éstas diferencias de temperaturas?
No de corrida
T Agua de salida
TBH en la entrada
Diferencias de temperatura
°C
°C
°C
1
30
18
12
2
28
19
9
3
24
19
5
4
22
19
3
A la diferencia de temperatura se le llama aproximación y es una medida de la fuerza motriz disponible para la difusión en la parte terminal inferior de la torre de enfriamiento. 3.- Llenar la siguiente tabla de datos experimentales y describir los cambios que sufre la corriente de agua desde la entrada a la salida de la torre; así como también los de la corriente de aire que circula por la torre.
Flujo de agua en la entrada
Flujo de aire de entrada a condiciones del laboratorio
T agua de entrada
T agua de salida
TBS en la entrada
TBS en la salida
L/min
m /h
3
°C
°C
°C
°C
1
3,57
115,1810
38
30
24
2
3,57
219,3946
38
28
3
3,57
349,0317
38
4
3,57
426,5943
38
No de corrida
YA humedad absoluta en la entrada
YA humedad absoluta en la salida
kg H2O vapor/ kg H2O vapor/ kg AS
kg AS
31,8
0,018
0,00952
26,5
29,1
0,019
0,00913
24
27
28,3
0,019
0,01104
22
27
27,4
0,019
0,01098
4.- Proponga un nombre que describa al proceso descrito en la pregunta anterior, considerando simultáneamente los cambios del aire y del agua que circulan por la torre. Explique ampliamente si a este proceso se puede calificar como un proceso adiabático, ¿Por qué adiabático? Si se tapara el domo de la torre, el proceso se podría calificar como adiabático, explique ampliamente. El proceso se conoce como humidificación de aire, pues este al ponerse en contacto con agua, esta le transfiere tanto calor como masa de agua (vapor de agua) lo que hace que el aire se caliente y el agua se enfrié. Este proceso es adiabático no se pierde ni se gana calor sólo se transfiere,
y el flujo de aire arrastra hacia afuera de la torre el calor sensible y el calor latente contenido en el aire húmedo y caliente por el domo de la torre. 5.- En la instrucción señalada en el punto 8 de la sección anterior, Operación del Equipo, se pide que observe cuidadosamente la corriente del aire que sale por el domo de la torre, describa qué fue lo que observó. Que el aire que salía por el domo de la torre de enfriamiento, se podía sentir más caliente y más húmedo, esto debido a la transferencia de calor y masa, ya mencionado anteriormente. 6.- Para explicar su respuesta anterior es necesario mencionar la transferencia simultánea de masa y de calor, ¿Qué tipos de calores se transfieren del agua caliente al seno de la corriente ascendente de aire ambiental?, ¿Cuál es la fuerza motriz para esta transferencia de calor?. Simultáneamente también se transfiere masa molar de la interfase al seno de la fase gaseosa, ¿Cuál es la fuerza motriz para esta transferencia de masa? Hay transferencia de calor sensible y latente de parte del líquido y la fuerza motriz seria el gradiente de temperaturas, por otro lado, la transferencia de masa se ve promovida por un gradiente de presiones que está relacionada con la presión de saturación del agua. 7.- ¿Explique cuál es el fenómeno físico que causa el enfriamiento del agua caliente? Transferencia de calor que se da por convección. 8- Plantear y resolver el balance de materia del lado del agua y reportar los kg / h de agua perdida por la evaporación y el arrastre hacia el ambiente de gotas de agua.
: 2 :
2 + 1 = 1 + 2 2 + 1,1 = 1 + 2 ,2 +
i l r i
1 6 3 5 9 2 3 2 1 , 1
7 4 1 5 7 0 1 9 4 , 2
4 0 8 7 4 5 4 9 1 , 3
2 9 9 4 , 1 2 1
0 7 6 6 , 1 2 1
4 0 7 1 , 4 2 1
r o p a v e d o j u l F
8 6 3 h 6 / 5 g 6 k 8 3 2 , 1
5 5 6 1 6 7 9 5 2 , 2
8 7 6 0 6 1 9 4 3 , 4
o c e s e r i a e d o j u l F
7 0 1 h 6 / 1 g 1 , k 0 3 1
5 1 4 9 9 5 , 7 4 2
4 5 0 3 2 0 9 , 3 9 3
n ó i c a r o p a v E
h / g k
e r t s a r r A
h / g k
a d l a d n e e a m t u u l h o s A b Y a
i l
r o 2 3 4 p a S 5 1 0 9 9 1 v 0 1 g 0 O 0 , 0 , 0 , 2 k 0 0 0 H g k
a d i l a s
a u g a e d o j u l F
a d i l a s a l n e
h / g k
6 , 3 1 2
a l n e a u g a e d o j u l F
a d i l a s
n i m / g k
6 8 5 5 , 5 , 5 , 3 3 3
r o p a v e d o j u l F
e d o j u l F
h / g k
o c e s e r i a
h / g k
n ó i c i s o p m o C r t r i
r t
s e t n e i r r o C
2
8 , 3 4 1 1 2 2
4 4 5 7 4 2 4 8 3 , 2
3 7 2 2 7 7 3 9 7 , 4
5 3 5 2 4 3 6 2 6 , 7
7 0 1 6 1 1 , 0 3 1
5 1 4 9 9 5 , 7 4 2
5 0 3 2 0 9 , 3 9 3
9 2 7 1 8 6 7 1 0 , 0
1 3 7 5 4 6 8 1 0 , 0
1 3 7 5 4 6 8 1 0 , 0
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
/ r o p a S 8 9 9 1 1 1 v , 0 , 0 , g 0 O 2 k 0 0 0 H g k
,
h / g k
2 8 5 4 , 2 3 1
8 3 0 3 , 2 5 2
4 6 8 3 , 1 0 4
,
h / m
0 1 8 1 , 5 1 1
6 4 9 3 , 9 1 2
7 1 3 0 , 9 4 3
,
a d a r t n e a l n e
h / g k
9 5 7 9 , 3 3 3
9 5 7 9 , 3 3 3
9 5 7 9 , 3 3 3
,
a d a r t n e
n i m / L
7 7 7 5 , 5 , 5 , 3 3 3
,
d n a e d a A e t u Y m l u o s h b a
a d a r t n e a l
e d e r i a e d o j u l F
a a d a r t n e
e d s e n o i c i d n o c
o i r o t a r o b a l
e d e r i a e d o j u l F
a a d a r t n e
l e d s e n o i c i d n o c
o i r o t a r o b a l
a u g a e d o j u l F a n e a u g a e d o j u l F
a e d d i r o r N o c
3
1 2 3
9.- Plantear el balance de calor en función de las entalpías y reportar las kcal / h que se pierden cuando el aire húmedo y caliente sale por el domo de la columna.
2 2 + .1 1 = 1 1 + ,2 2 + 2 − 0 2 = 2 − 0 1 = 1 2 = ( − 0 ) ,2 1 = (,1 − 0 ) + ( − 0 ) + 1 ,1 1 = ( + )(,1 − 0 ) + 1 2 = ( + )(,2 − 0 ) + 2 Entrada No de corrida
T agua de entrada
TBS en la entrada
Ysat
Chsat
HG°
°C
°C
(kg H2Ov/kgAS)
(kcal /kgAs °C)
(kcal / kg AS)
1
38
24
0,018
0,24828
16,705
2
38
26,5
0,019
0,24874
17,935
3
38
27
0,019
0,24874
18,059
4
38
27
0,019
0,24874
18,059
Salida No de corrida
T agua de salida
TBS en la salida
Ysat
Chsat
HG°
°C
°C
(kg H2Ov/kgAS)
(kcal /kgAs °C)
(kcal / kg AS)
1
30
31,8
0,00952
0,2444
13,454
2
28
29,1
0,00913
0,2442
12,555
3
24
28,3
0,01104
0,2451
13,527
4
22
27,4
0,01098
0,2450
13,268
10.- Construir la curva de equilibrio utilizando el siguiente procedimiento: a) Generar las siguientes temperaturas
0 10 20 TC° 30 40 50 60 b) Transformar las temperaturas a grados Kelvin c) Aplicar la Ecuación de Antoine para calcular la presión de vapor del agua 1bar = 0.986923 atm A 12.0484
B 4030.182
A
TKº C ( 0.986923) PvH2O e B
C 38.15
d) Calcular la humedad de saturación
Ysat
PvH2O 29 0.771 PvH2O 18
kg H2Ov / kg AS
atm
e) Finalmente evaluar el calor húmedo saturado y la entalpía de la fase gaseosa
kcal / kg As ºC
0.46 Ysat )
0
Chsat ( 0.24
HG°
10
HG° [ Chsat (TC°
0)
kcal / kg AS
597 Ysat ]
20 TC° 30 40 50
ºC
2.911
8.354
16.404 28.975 49.431 84.167
147.126
60 T (°C)
T (K)
Pv H2O (atm)
Ysat (kg H2Ov/kgAS)
Chsat (kcal /kgAs °C)
HG° (kcal / kg AS)
0
273,15
0,0060
0,0049
0,2422
2,911
10
283,15
0,0121
0,0099
0,2446
8,354
20
293,15
0,0231
0,0191
0,2488
16,404
30
303,15
0,0419
0,0356
0,2564
28,975
40
313,15
0,0728
0,0647
0,2698
49,431
50
323,15
0,1218
0,1164
0,2935
84,167
60
333,15
0,1966
0,2125
0,3377
147,126
Curva de equilibrio 160.000 140.000 ) 120.000 S A g k 100.000 / l a 80.000 c k ( ° 60.000 G H 40.000
Curva de equilibrio
20.000 0.000 0
20
40 T °C
60
80
11.- Trazar la línea de operación junto con la curva de equilibrio en un diagrama H Vs. T, para calcular en cada corrida experimental el número de unidades de transferencia de masa NUT, el coeficiente global volumétrico de transferencia de masa K Ya y la altura de la unidad de transferencia HUT, de acuerdo a la siguiente ecuación de diseño reportada por Treybal (2) en español 2/e página 277: H
TL2
L2 CpProm Lprom 1 Z dT dH A PMaire KYa Hº HL A PMaire KYa Hº H H TL1 L1 Lprom
kcal /kg ºC
Si CpProm = 1
Gráfica 2. Curva de equilibrio y curva de operación 160.000 140.000 ) S 120.000 A g k 100.000 / l a 80.000 c k ( 60.000 ° G H 40.000
Operación 1 Operación 2 Operación 3 Operación 4
20.000
Equilibrio
0.000 0
20
40
60
80
T°C
12.- ¿Por qué no existe un coeficiente volumétrico global de transferencia de masa del lado del agua K Xa en una torre de enfriamiento del agua? Porque el agua tiende a pasar al estado gaseoso con el aire, esa es la finalidad del equipo, por lo tanto no se quiere que el agua del aire pasa al agua que se suministra.
13.- ¿Qué representa la pendiente de la l ínea de operación? Es una relación de entalpias de aire y la temperatura del agua a lo largo de la torre. 14.- ¿Cuál es el significado físico de la línea de operación? Una representación de las condiciones de proceso que se llevan a cabo, que se encuentran por debajo de la línea de operación. 15.- ¿Qué representa de la distancia vertical entre la curva de equilibrio y la línea de operación? La fuerza impulsora para la transferencia de energía 16.- ¿Qué expresa del número de unidades de transferencia de masa de la ecuación del punto 11 anterior? Es un factor que contribuye al cálculo de la altura de la torre, ya que contiene el rango de temperaturas y las entalpías, el rango en el que opera la torre. 18- Reportar las siguientes gráficas para las 4 corridas experimentales e interpretar los perfiles trazados:
Ordenadas NUT
Abscisas G (kg aire que entra /h)
HUT (m)
G (kg aire que entra /h)
KY a (kg de agua transferida / h m 3 (kg H2O / kAS)
G (kg aire que entra /h)
NTU vs G
y = 6E-07x 2 + 0.0008x + 0.3404 R² = 0.9959
1.000 0.900 0.800 0.700 0.600
U T 0.500 N
0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0
100
200
300
400
500
600
G (kg aire entrada/h)
HTU vs G
y = 4E-06x 2 - 0.0062x + 3.5083 R² = 0.9979
3.0000 2.5000 2.0000
) m ( U1.5000 T H
1.0000 0.5000 0.0000 0
100
200
300
400
500
600
G (kg aire entrada/h)
g k ( 140 3 m h 120 / a d i r ) 100 e S f s A 80 n k a / r t O a 2 60 u H g a 40 e d g 20 k ( a 0 Y K 0
kya vs G
100
200
300
y = 0.0004x 2 + 0.0727x + 1.7856 R² = 0.9996
400
G (kg aire entrada/h)
500
600
19.- ¿Cuál es flujo de aire ambiental en kg / h que se debe alimentar a la torre de enfriamiento de agua para enfriar una corriente de 50°C a 25°C, cuando se alimentan de 3.57 L/min de agua caliente, reportar el valor del coeficiente volumétrico global K Y a en kg de agua transferida / [ h m 3 (kg H2O / kg AS) ] así como la altura y número de unidades de transferencia HUT y NUT para este flujo de aire.
T agua
Flujo de aire seco
°C
kg/h
25
373,7
NTU
Kya
HTU 3
0,723151014
(Kgmol /h m )
m
84,814266
1,74996676
Conclusiones Podemos concluir que en la torre de enfriamiento se lleva a cabo el fenómeno de transferencia de masa, es decir, se transfiere agua al aire caliente, lo que provoca que éste aire caliente se enfríe. Pudimos dar solución al problema planteado al principio, los resultados fueron los siguientes: Un flujo de aire de 373,7 kg/h y el valor de Kya es de 84,8 (kgmol/h m 3)
