UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA
PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO
Práctica No. 06 TORRE DE ENFRIAMIENTO
“
”
REPORTE QUE PRESENTAN:
Barrera Rodríguez Héctor Adrián Díaz Peña Miriam Hernández Méndez Jessica Amairani Mauricio Segundo María Guadalupe Mercado Trueba Sandra Rodríguez de la Concha Azcarate Gabriela Romero Suárez Evelyn Jared LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN Profesor I. Q. Juan Gabriel Díaz Álvarez
Laboratorio de Ingeniería Química 03 de Septiembre de 2014
RESUMEN
Las torres de enfriamiento son equipos muy utilizados a nivel industrial, pues gracias a ellos se dispone de una manera sencilla y económica para la dispersión de calor del agua, a través de la transferencia de calor y masa, que posteriormente puede ser reutilizada como agua de enfriamiento para otros equipos y sistemas. Para que este proceso se lleve a cabo correctamente es necesario que la gota del agua tenga un tamaño reducido, de modo que se aumente el área de contacto que tiene ésta con el aire, y para ello se colocan empaques o largueros de madera. Así pues, para la realización de esta práctica se utilizó agua proveniente de la cisterna ubicada debajo de la torre, así como el sistema de vapor del laboratorio de ingeniería química para aumentar la temperatura del agua y estabilizarla para poder comenzar con la práctica. Se determinaron 8 temperaturas diferentes y para cada una de ellas se tomaron las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco (a la entrada y salida del aire y el agua de la torrre), además del flujo de agua a la salida de la torre, con ayuda de un recipiente volumétrico de 2 L. De acuerdo a los resultados obtenidos y a los cálculos realizados se observó que
MARCO TEÓRICO Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire). Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor durante su trayectoria o caída para aumentar el área de contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo la rompen, facilitando el proceso de evaporación.
Características
Las torres de enfriamiento son equipos que se emplean para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de la pared. Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la producción de agua de proceso que sólo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚ C. Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior, conteniendo el calor.
Clasificación de torres de enfriamiento
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. Debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.
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. 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. -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. Deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico.
Tipos de torres de enfriamiento
TIRO INDUCIDO
TIRO FORZADO
ATMOSFÉRICA TIRO NATURAL Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural
Función de las partes
Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se dispondrá de una gran superficie para el contacto de agua-aire. Puesto que la interfase agua-aire es también la superficie de transferencia de calor, el uso de la boquilla permite alcanzar buenos niveles de eficiencia por pie cúbico de aparato de contacto. La función del empaque es aumentar la superficie disponible en la torre, ya sea distribuyendo el líquido sobre una gran superficie o retardando la caída de las gotas a través del aparato. En la torre de enfriamiento, debido a requerimientos de grandes volúmenes de aire y pequeñas caídas de presión permitidas, es costumbre usar largueros de madera de sección rectangular o triangular, que dejan la torre sustancialmente sin obstruir. El empaque, es casi exclusivamente fabricado en cualquiera de las dos formas y su propósito es interrumpir el descenso del líquido.
OBJETIVO Determinar experimentalmente, mediante la operación de una torre de tiro inducido, el número de unidades de transferencia entálpica del aire, la altura de una unidad de transferencia entálpica y el coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa (aire).
DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO Durante la realización de esta práctica se utilizó la torre de enfriamiento, con el objetivo de observar su funcionamiento. Para la alimentación de la torre se utilizó agua proveniente de la cisterna ubicada debajo de la torre, suministrada al sistema por medio de una bomba centrífuga; y para aumentar la temperatura del agua (que para objeto de la práctica debe estar caliente de modo que pueda serenfriada) se utilizó el sistema de vapor del Laboratorio de Ingeniería Química. Se realizó el experimento manteniendo el flujo de salida de agua de la torre constante, y se establecieron 8 temperaturas distintas para el flujo de agua a la entrada de la torre, para cada una de estas temperaturas se tomaron las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, tanto para el agua como para el aire a la entrada y a la salida del sistema.
METODOLOGÍA
Medir el flujo del líquido con una probeta en la tubería de salida del agua fría de la torre de enfriamiento.
Colocar lun termómetro a la entrada del ducto del aire, para obtener la temperatura de bulbo seco.
Revisar el nivel de las fosas de almacenamiento de agua, para asegurarse de que hay suficiente agua.
Alimentar vapor en el tanque de mezclado para calentar el agua que entra a la torre de enfriamiento.
Bombear de la fosa de agua caliente hacia el tanque de mezclado.
Preparar el servicio de vapor en la línea que lo lleva a la torre de enfriamiento.
Verificar que la instrumentación de la torre de enfriamiento esté funcionando (termómetro, ventilador).
Regular la cantidad de vapor al tanque de mezclado de acuerdo a la temperatura que se desea alcanzar.
Estabilizar la temperatura del agua en la línea de alimentación y regular un flujo constante de agua.
Realizar una serie de corridas experimentales controlando y registrando las variables de flujo de alimentación de agua y temperatura del agua.
Realizar otra corrida manteniendo el flujo de alimentación de agua, pero variando la temperatura.
Tomar y registrar lecturas de temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire a la entrada y a la salida del agua.
RESULTADOS Para calcular los datos requeridos se necesitó dividir el intervalo de temperaturas del líquido leídas en la actividad y así poder utilizar un método numérico para la resolución de la integral que nos facilita el cálculo de dichos datos.
Z= Altura de la torre Mb= Peso molecular del aire G=Flujo másico de aire [Kg/sm2] P= Presión atmosférica KGa= Coeficiente volumétrico de transferencia de masa [Kgaire seco/m3s] Siendo “h” el incremento y n par para n+1 intervalos. Para el primer intervalo:
Haciendo uso de la ecuación, para el cálculo de la entalpia:
Donde: H= El contenido de humedad Kg/Kg de aire seco To=Temperatura a la cual está construida la tabla de datos de equilibrio aire-vapor (0°C) Hy= Entalpia en J/Kg aire seco Se obtuvieron los valores de H con los datos obtenidos en la práctica de la lectura de la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo del aire.
Con los datos de la curva de equilibrio obtenidos de la tabla 1 se realizó una regresión polinomial para conocer la Hy* a la temperatura dada. Ecuación:
y = 0.0014x 3 –0.0168 + 2.4267.x – 4.6125
Se obtiene el valor de la fuerza motriz:
Obteniendo así todos los datos para cada temperatura se utiliza la siguiente fórmula para obtener el área bajo la curva NtoG.
∫ Para obtener: Donde f(X) = y Por lo tanto:
Con la Ecuación (1) despejamos el coeficiente volumétrico de transferencia de masa KGa y dado que tenemos todos los datos necesarios se obtiene:
Para obtener G a partir del dato dado se hizo la siguiente operación conociendo el área de sección transversal de la torre y la densidad del aire
Con los datos de la tabla 2 calculamos:
Repitiendo así para los 8 datos leídos. Tabla 1.Entalpias de mezclas saturadas aire-vapor de agua (temperatura base 0°C) TL (°C) 15.6 26.7 29.4 32.2 35 37.8 40.6 43.3 46.1 60
Hy (J/ kg de aire seco) 4.37E+04 8.40E+04 9.72E+04 1.12E+05 1.29E+05 1.48E+05 1.72E+05 1.97E+05 2.25E+05 4.65E+05
Grafica 1.
Hy vs T (SI) 160 140
) o c e s e r i a e d g K / J K ( y H
y = 0.0014x3 - 0.0168x2 + 2.4267x + 4.6125 R² = 1
120 100 80
Series1
60
Poly. (Series1)
40 20 0 0
10
20
30
40
T (°C)
Tabla 2. Datos de la torre
Datos de la torre z (m) G (kgaire/sm^2) Mb P
1.5 ac (m^2)
0.282743339
0.04183759 densidad aire( kg/m3) 29 0.99
1.29
Tabla 3. Datos leídos en la práctica
Temperatura del H 2O (ºC)
Tb seco
Tb húmedo
entrada
entrada
20 19.5 16 21
20 19.5 16 21
17.5 16 14 18
24
19
19
16
36 34 32
23 25 23
23 25 23
22 23.5 22
No. Lectura
Entrada
Salida
1
4
28 26 20 30
5 6
2 3
7 8
Temperatura del aire (°C)
Tabla 4. Resultados de los cálculos para la primera lectura
T(°C)
TL1 2 3 4 5 6 TL2
20 21.3 22.7 24.0 25.3 26.7 28
H
Hy (KJ/Kg)
Hy* (KJ/Kg)
0.01
45.486 46.851067 48.216133 49.5812 50.946267 52.311333 53.6764
57.6265 62.32888519 67.29011481 72.5301 78.06875185 83.92598148 90.1217
1/(Hy*-Hy)
0.0823689304 0.0646085880 0.0524274390 0.0435750733 0.0368697777 0.0316309071 0.0274383803
Área bajo la curva (Ntog) 0.37673779
Tabla 5. Resultados de los cálculos para la segunda lectura
TL1 2 3 4 5 6 TL2
T(°C)
H
Hy (KJ/Kg)
Hy* (KJ/Kg)
19.5 20.6 21.7 22.8 23.8 24.9 26
0.009
42.43644 43.54352 44.6506 45.75768 46.86476 47.97184 49.07892
55.925775 59.65321956 63.54414815 67.60924063 71.85917685 76.30463669 80.9563
1/(Hy*-Hy)
Área bajo la curva (Ntog)
0.0741326389 0.31196642 0.0620744041 0.0529281209 0.0457633218 0.0400089350 0.0352947861 0.0313702067
Tabla 6. Resultados de los cálculos para la tercera lectura
TL1 2 3 4 5 6 TL2
T(°C)
H
Hy (KJ/Kg)
Hy* (KJ/Kg)
16
0.009
38.85972 39.541 40.22228 40.90356 41.58484 42.26612 42.9474
44.8733 46.87231481 48.91861852 51.0147 53.16304815 55.36615185 57.6265
16.7 17.3 18.0 18.7 19.3 20
1/(Hy*-Hy)
Área bajo la curva (Ntog)
0.1662902963 0.41859673 0.1364011811 0.1149909238 0.0989008163 0.0863691503 0.0763356923 0.0681240676
Tabla 7. Resultados de los cálculos para la cuarta lectura
T(°C) TL1 2 3 4 5 6 TL2
H
21 0.015 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30
Hy (KJ/Kg)
Hy* (KJ/Kg)
59.2122 60.762 62.3118 63.8616 65.4114 66.9612 68.511
61.1298 66.655125 72.5301 78.783075 85.4424 92.536425 100.0935
1/(Hy*-Hy)
Área bajo la curva (Ntog)
0.5214851898 0.9759746 0.1696892565 0.0978636368 0.0670175033 0.0499226199 0.0391003403 0.0316631046
Tabla 8. Resultados de los cálculos para la quinta lectura
T(°C) TL1 2 3 4 5 6 TL2
H
Hy (KJ/Kg)
19 0.013 52.07236 52.930227 19.8 53.788093 20.7 54.64596 21.5 55.503827 22.3 56.361693 23.2 57.21956 24
Hy* (KJ/Kg) 54.2576 57.05591019 59.94658148 62.934475 66.02445185 69.22137315 72.5301
1/(Hy*-Hy)
Área bajo la curva (Ntog)
0.4576156395 0.77804707 0.2423840790 0.1623775147 0.1206488738 0.0950513855 0.0777624338 0.0653144827
Tabla 9. Resultados de los cálculos para la sexta lectura
T(°C) TL1
23 2 3 4 5 6
TL2
25.2 27.3 29.5 31.7 33.8 36
H
Hy (KJ/Kg)
0.0193 72.218832 74.474947 76.731063 78.987178 81.243293 83.499409 85.755524
Hy* (KJ/Kg) 68.5732 77.35940648 86.98028519 97.521275 109.0678148 121.7053435 135.5193
1/(Hy*-Hy)
Área bajo la curva (Ntog)
1.24226979 0.2743008620 0.3466854438 0.0975683764 0.0539546113 0.0359395219 0.0261739440 0.0200949381
Tabla 10. Resultados de los cálculos para la séptima lectura
T(°C) TL1 2 3 4 5 6 TL2
H
Hy (KJ/Kg)
Hy* (KJ/Kg)
1/(Hy*-Hy)
25 0.0175 69.715 71.27185 26.5 72.8287 28.0 74.38555 29.5 75.9424 31.0 77.49925 32.5 79.0561 34
76.655 83.175725 90.1217 97.521275 105.4028 113.794625 122.7251
0.1440922190 0.0840062585 0.0578268664 0.0432231970 0.0339438704 0.0275517197 0.0228995397
Área bajo la curva (Ntog) 0.48482897
Tabla 11. Resultados de los cálculos para la octava lectura
T(°C) TL1
23 0.016 24.5 26.0 27.5 29.0 30.5 32
2 3 4 5 6 TL2
H
Hy
Hy*
1/(Hy*-Hy)
63.82284 65.37546 66.92808 68.4807 70.03332 71.58594 73.13856
68.5732 74.571025 80.9563 87.757375 95.0026 102.720325 110.9389
0.2105103613 0.1087480758 0.0712848815 0.0518761664 0.0400492125 0.0321188294 0.0264547885
Área bajo la curva (Ntog) 0.61530281
Resultados finales Temperatura del H2O (ºC)
numero de prueba 1 2 3 4 5 6 7 8
Entrada
Salida
28 26 20 30 24 36 34 32
20 19.5 16 21 19 23 25 23 promedio
Ntog (número de unidades de transferencia entálpica del aire) 0.376737786 0.311966419 0.418596727 0.975974604 0.778047075 1.242269795 0.484828967 0.615302812
KGa (coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa) 0.000366 0.000303075 0.000406666 0.000948158 0.000755872 0.001206863 0.000471011 0.000597766
HtoG(altura de una unidad de transferencia entálpica) 3.981549122 4.808209829 3.583401168 1.536925237 1.927903913 1.207467175 3.093874548 2.437824061
0.650465523
0.000631926
2.822144382
CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados se puede observar que las unidades de transferencia de masa son muy pequeñas, lo que nos permite concluir que no hay mucha dificultad para que la transferencia de energía del líquido al gas se lleve a cabo. El valor del coeficiente de transferencia de masa es muy pequeño lo que nos indica que el paso controlante para que se lleve a cabo el enfriamiento del agua es la transferencia entalpica y no la transferencia de masa.
BIBLIOGRAFÍA
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