Experimento #4. Balance de materia y energía en Torre de enfriamiento
Realizo: 2 de Octubre de 2013
Entrega: 16 de Octubre de 2013 Equipo:
Ramírez Barrios Alejandra Robles García Raúl Alberto Sánchez Martínez Viridiana
Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Ingeniería Química Miércoles de 11-14 horas
PROBLEMA: Encontrar el flujo de aire (m 3/h) necesario para enfriar 4.35 L/min de agua de una temperatura cercana a 48°C hasta 28°C en una torre de enfriamiento. Explore por lo menos tres flujos de aire en el intervalo de 90 a 310 m3/h.
Resuelva los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento para cada flujo de aire que probó y conteste las siguientes preguntas: ¿Qué cantidad de agua se evapora y se transfiere al aire en kg/h? ¿Cuáles son la temperatura y la humedad del aire a la salida de la torre? ¿Qué cantidad de agua se pierde por arrastre en kg/h? ¿Cuál es la influencia del flujo de aire en el enfriamiento del agua y en la cantidad de agua evaporada?
CUESTIONARIO 1. ¿Cómo se da cuenta que se alcanza el régimen permanente en la operación de la torre?
Cuando el valor de las variables es constante con respecto al tiempo 2. Represente mediante un diagrama de flujo de proceso simplificado la torre de enfriamiento de agua y señale las corrientes de entrada y salida y las variables involucradas. Use la notación declarada en el anexo de este guión.
Flujo másico de arrastre (agua líquida) con aire de salida (Kg agua líquida/h)
3. Revise el anexo y cerciórese de que entiende como realizar los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento. En estas ecuaciones se ha considerado que las corrientes de aire tienen dos componentes: Aire seco y agua (vapor). El aire seco está formado por todos los gases presentes como son el O2, N2, CO2, etc. También se ha considerado que el aire disuelto en la corriente de agua es despreciable. 4. Con las ecuaciones que se proporcionan en el anexo para el sistema aire-agua, plantee como calcular la humedad absoluta de una corriente de aire si se conocen las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco y la presión absoluta.
ALGORITMO DEL CÁLCULO
TBH, TBS, PT
Calcular Pº con Antoine para el agua:
Calcular Ysat
Calcula la Humedad Absoluta (Y)
Para cada una de las corridas efectúa los cálculos de balance de materia y energía (consulta el anexo) y contesta las siguientes preguntas:
5. ¿Cuántos grados centígrados se enfrió el agua? ¿Cómo influye el flujo de aire en el enfriamiento del agua? Corrida
Tentrada
Tsalida
ΔT
1 2 3
41.33 C 41.5 C 42 C
24 C 22.5 C 21 C
17.33 C 39 C 21 C
45
∆T
40
vs Q
35 30 25 20 15 10 5 0 1230
1231
1232
1233
1234
1235
1236
1237
1238
6. Compare el flujo másico de agua a la entrada y a la salida de la torre, ¿a que cree que se deba la diferencia?
Se debe a dos factores, a la evaporación de una fracción de agua debido al contacto con el aire, ya que el aire logra desprender de la fase liquida algunas moléculas de agua llevándoselas a la fase gaseosa, además que se tiene un aire no saturado y a la perdida de esta por arrastre del aire que se encuentra a contracorriente (agua líquida).
7. Utilice la carta de humedad y un método analítico (ver anexo) para determinar para el aire ambiente y el de salida de la torre: El punto de rocío, La humedad relativa, y La humedad absoluta.
8. Compare la humedad absoluta del aire a la entrada y a la salida de la torre, ¿a que cree que se deba la diferencia?
La humedad absoluta del aire de salida es mayor que la de entrada, ya que al aire de entrada no está saturado, y el flujo de aire a contracorriente desprender de la fase liquida algunas moléculas de agua llevándolas a la fase gaseosa, aumentando la humedad absoluta.
9. Calcule el flujo másico de aire que se alimentó a la torre de enfriamiento. 10. Resuelva los balances de materia y determine cuánta agua se evaporó y cuánta agua salió como arrastre (agua líquida) con el aire de salida. El arrastre debe ser un número pequeño, en caso de que sea grande o negativo es indicación de que algunas de sus mediciones tienen error. 11. Resuelva el balance de energía y calcule las diferentes contribuciones (ver procedimiento en el anexo). Fíjese principalmente en las contribuciones para enfriar el agua y para evaporar el agua que termina con el aire de salida ( H 5 y H8). También observe la suma de todas las contribuciones. ¿Qué representa este número? Este último número debe ser cercano a cero, en caso de que tenga un valor grande es indicación del error que tienen algunas de sus mediciones. 12. Compare los resultados para las corridas con los flujos de aire que escogió y obtenga conclusiones. Muestre sus resultados en gráficas que le ayuden a entender que fenómenos ocurren en la torre de enfriamiento al poner en contacto el agua caliente con el aire.
T salida vs Q 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 1230
1231
1232
1233
1234
1235
1236
1237
1238
13. De las mediciones que realizó ¿Cuáles esperas que tengan el mayor error experimental?
14. Resuelva nuevamente los balances de materia y energía tomando ahora solo las mediciones que estén menos sujetas a error experimental. Debe escoger suficientes datos para que los grados de libertad sean cero. Tome como valor del arrastre el 0.2% del agua de alimentación a la torre. Considere que el aire que sale de la torre está saturado y que la operación de la torre de enfriamiento es adiabática (SUMA=0). 15. Compare los valores de agua evaporada y arrastre que calculó en el punto 14 con los calculados en el punto 10. ¿Qué porcentaje de agua alimentada se evaporó? ¿Cómo influye el flujo de aire en la cantidad de agua evaporada? 16. Compare los valores calculados para las variables que no tomó en cuenta en los cálculos del punto 14 con los valores que medió experimentalmente. ¿Qué conclusiones obtiene? 17. Analice los cálculos del balance de energía y conteste a la pregunta ¿cómo ocurre el enfriamiento de agua? El enfriamiento ocurre cuando entran en contacto el flujo de agua a alta temperatura, con el aire seco a gran cantidad, esto produce que se intercambie energía y que el aire salga caliente o mejor dicho sobrecalentado y que así mismo por el intercambio energético salga con un poco de vapor de agua, asi como también ayuda al enfriamiento las placas internas del enfriador. 18. Analice los cálculos para las corridas con los diferentes flujos de aire y determine la influencia que tiene sobre el enfriamiento del agua. Conforme aumenta el flujo de aire seco, en mayor grado se lleva a cabo el enfriamiento del agua.
19. Con los resultados de las diferentes corridas prepare las gráficas: Temperatura de agua de salida vs. flujo de aire Cantidad de agua evaporada vs. flujo de aire.
20. Presente los resultados de todas las corridas que realizó en una tabla. 21. Para una de las corridas entregue la memoria de cálculo. 22. Realice un análisis de los resultados obtenidos y presente sus conclusiones.
23. ¿Cuál es el flujo de aire encontrado para enfriar la corriente de agua a la temperatura del problema?
T salida vs Q
y = -0.4095x + 527.63 R² = 0.9536
24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 1230
1231
1232
1233
1234
1235
1236
1237
1238
Con y = T, y teniendo T=28°C Se resuelve para encontrar x X= 1220.09 kg/h
Análisis de Resultados
En la tabla 2 se observa que la humedad absoluta de los flujos de salida del aire son mayores a los de entrada (última columna) esto se debe a que parte del agua caliente que entra a la torre de enfriamiento al ponerse en contacto con el aire –a contracorriente – es arrastrada de la fase liquida a la fase gaseosa (vapor de agua) lo que aumenta la humedad en el aire de salida. Como se aprecia en el balance de energía, del signo negativo de la última columna podemos concluir la torre cede calor al medio. Y entonces el sistema no es del todo adiabático y por tanto se tendrá error experimental. Conclusiones
Son los dispositivos de enfriamiento más simples generalmente utilizados para enfriar agua.
