COLUMNAS DE ENFRIAMIENTO DE AGUA CALIENTE CON AIRE ATMOSFERICO I.
OBJETIVOS
Reforzar los conceptos teóricos estudiados.
Conocer los principios básicos de los procesos de enfriamiento del agua, utilizando una columna de enfriamiento por aspersión y empacado.
II.
Determinar la humedad específica a la e ntrada y salida de la columna.
Determinación del flujo de gas en la entrada a la columna.
FUNDAMENTO TEORICO Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los más antiguos que haya desarrollado el hombre. Por lo común, el agua se enfría exponiendo su superficie el aire. Algunos de e stos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque, otros con comparativamente rápidos, por ejemplo, el rociado de agua hacia el aire. Todos estos procesos implican la exposición de la superficie del agua al aire en diferentes grados. El aire y el agua son sustancias de bajo costo, y cuando cuando se deben manejar volúmenes
grandes, como en muchas muchas
operaciones de enfriamiento de agua, es esencial el equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. En la industria estos equipos son conocidos como torres de enfriamiento, con frecuencia, el armazón y el empaque interno de estos equipos son de pino, material muy durable cuando se tiene contacto continuo con agua.
Generalidades de torres de enfriamiento de agua Las torres de enfriamiento son equipos de grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, en las torres se colocan deflectores o eliminadores de niebla que atrapan las gotas de agua que fluye 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 el domo de la torre por medio de vertederos o por boquilla para distribuirla en la mayor superficie posible. 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 e calor sensible y latente del agua al aire, lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenta 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.
Torres de tiro mecánico Las torres de tiro mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se puede lograr valores de acer camiento muy pequeños (hasta de 1 o 2 °C, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3 o 4 °C). 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.
En las torres de tiro forzado
El aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. III.
IV.
MATERIALES Y EQUIPOS
Bomba peristáltica
Equipo de baño maría (agua caliente)
Soportes universal
Una columna con botellas descartables
Sistema de ventilación (ventilador)
PROCEDIMIENTO
Se arma la columna de enfriamiento construido a base de botellas descartable
Por la parte superior de la columna se coloca un aspersor por donde fluirá agua caliente con un determinado flujo y por la parte inferior se coloca un tubo de carton por donde fluirá aire atmosférico por acción de un ventilador para acelerar el enfriamiento como se muestra en la im agen siguiente.
En esta imagen se observa la columna ya armado en donde
se
hará
fluir
aire
y
agua
caliente
en
contracorriente.
Por la parte inferior de la columna se decepciona el líquido enfriado en donde se mide la temperatura del fluido enfriado.
Y por la parte superior se extrae el aire humidificado o calentado y se toma su temperatura.
El mismo procedimiento se realiza para la segunda prueba pero esta vez aumentando la altura de la columna y midiendo la temperatura en la entrada del aire atmosférico utilizando dos sensores de temperatura una de bulbo húmedo y otra de bulbo seco mientras que en la salida del aire caliente usamos un solo sensor para medir la temperatura del aire húmedo.
Imagen: equipo de baño maría
Imagen: funcionamiento de la columna de enfriamiento de mayor altura que la primera prueba
En la tercera prueba también es el mismo procedimiento que la primera parte solo que en esta vez aparte de aumentar la altura de la columna se adicionan unos empaques que se le coloca en la parte interna de la columna utilizamos empaques de tecnopor cortados de forma irregular.
V.
RESULTADOS Datos:
Segunda prueba: Datos: Para el agua TL2, °C entrada
41
TL1, °C salida
38.7
Tprom, °C ρH2O,kg/m3
CpL, kJ/kh.°C
40 992.04 4.174
Caudal, ml/min Caudal, ml/s QL,m3/s
472
7.86667E-06
L',kg/s
0.007804048
8
Para el aire atmosférico En la entrada
Tbs, °C
23.4
Tbs, K
296.55
Tbh, °C
18
Mediante la carta psicométrica se determina la humedad absoluta y la entalpia Y'1,g H2O/kg aire seco Y'1,kg H2O/kg aire seco H'1,KJ/kg aire seco
10.7 0.0107
vH,m3/kg aire seco
0.8833853
ρaire,kg/m3
1.1198964
51
Y'w,kg H2O/kg aire seco
0.013
En la salida
Tbs, °C
33
Tbh, °C
30
Y'2,g H2O/kg aire seco Y'2,kg H2O/kg aire seco H'2,KJ/kg aire seco
25.8 0.0258 100
Se calcula el flujo de aire en la entrada con la siguiente ecuación.
H 2' H1' G s'
L ' C pL G s'
(T L 2 T L1 )
L ' C pL (TL 2 T L1 ) H 2' H 1'
Gs',kg aire seco/s
0.00157
Tercera prueba: Datos:
Altura, cm
92
Perímetro, cm Diámetro, cm Área, cm2
30.6
Área, m2
0.28
9.740282517 2815.2
Experimento 1 con menor flujo de agua. Para el agua las temperaturas en la entrada y salida de la columna.
TL2, °C entrada
41
TL1, °C salida
34.5
Tomamos una temperatura promedio para saber la temperatura aproximada en el interior de la columna y con ella se busca en tablas las c apacidades caloríficas y su densidad correspondiente del agua.
Tprom,°C ρH2O,kg/m
37.75 3
993
CpL, kJ/kh.°C
4.178
El flujo de agua.
L',kg/s
0.002634429
La presión atmosférica:
P,atm P,bar
1 1.01
Para el aire en la entrada a la columna:
Tbs, °C
21
Tbs, K
294.15
Tbh, °C
19
Para determinar la humedad absoluta y la entalpia en la entrada de la columna se usa la carta psicométrica.
Y'1,g H2O/kg aire 13 seco Y'1,kg H2O/kg aire 0.013 seco H'1,KJ/kg aire seco 54.5 vH,m3/kg aire seco
0.8793196
3
ρaire,kg/m
1.1224587
Y'w,kg H2O/kg aire 0.014 seco
Temperaturas de bulbo seco y húmedo en la salida de la columna.
Tbs, °C
33
Tbh, °C
30
Y'2,g H2O/kg aire 26 seco Y'2,kg H2O/kg aire 0.026 seco 100 H'2,KJ/kg aire seco
Para determinar el flujo de gas seco en la entrada de la columna usamos la ecuación siguiente. H 2' H1' G s'
L ' C pL G s'
(T L 2 T L1 )
L ' C pL (TL 2 T L1 ) H 2' H 1'
Gs',kg aire seco/s
0.00157
Para determinar la relación de coeficientes de transferencia tanto del gas y liquido podemos utilizar la ecuación siguiente. Y ' Yw'
hG w k y
hG w k y
Y
' w
(TG
(TG
Tw )
Y ' T w )
hG/λwky kg de agua/kg aire seco.°C
Experimento 2 con mayor flujo de agua. Para el agua TL2, °C entrada
42
TL1, °C salida
38
Temperatura promedio
Tprom,°C
40
ρH2O,kg/m3
992.04
CpL,kJ/kh.°C 4.174 Para flujo de agua en la entrada.
Caudal, ml/s
9,407
0.000500
QL,m3/s
0.009407
L',kg/s
9.33212028
Para el Aire en la entrada Tbs, °C
21
Tbs, K
294.15
Tbh, °C
18
Y'1,g H2O/kg aire seco
11.6
Y'1,kg H2O/kg aire seco
0.0116
H'1,KJ/kg aire seco
51
vH,m3/kg aire seco
0.8774426
3
ρaire,kg/m
1.1264554
Y'w,kg H2O/kg aire seco
0.013
Para el aire en la salida de la columna.
Tbs, °C
35
Tbh, °C
33
Y'2,g H2O/kg aire 31.6 seco Y'2,kg H2O/kg aire 0.0316 seco H'2,KJ/kg aire seco 116
G s'
L ' C pL (TL 2 T L1 ) H 2' H 1'
2.397kg aire sec o / s
El coeficiente de transferencia o la relación de coeficiente de transferencia ser ia:
hG w k y
VI.
Y
' w
(TG
Y ' T w )
0.000467 kg de agua / kg aire sec o.C
ANALISIS DE RESULTADOS Analizando la evaporación como causa de enfriamiento: el enfriamiento de agua en una columna en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido el estado de
vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de si misma el calor que necesita, esto origina que al agua se enfrié y por lo tanto que su temperatura disminuye. En este experimento observamos que si aceleramos el proceso de enfriamiento utilizando una columna en donde las corrientes fluyen de manera a contracorriente el enfriado se realiza de una manera más rápida a menor tiempo. Ahora el enfriado del agua caliente en este caso dependerá principalmente de la altura de la columna puesto que cuanto mayor sea la altura de la columna en enfriado será aún mucho mayor, por otro lado está el flujo de agua que se alimenta a la columna, si de un flujo dado aumentamos el flujo la velocidad de enfriado será menor debido a que el contacto entre el aire frio y el agua es menor. También si aumentamos la velocidad de flujo del aire atmosférico el enfriado se producirá de manera más rápida debido a que mayor flujo de aire enfría de manera más eficaz el líquido. En la columna empacada se aprecia que la humidificación del aire o el enfriado del agua caliente aumentan debido al mayor contacto entre ambos componentes, ahora si aumentamos el flujo de entrada del agua en la entrada de la columna se producirá un contacto por un intervalo más corto de tiempo por tanto el aire tiene poca humidificación. VII.
CONCLUSIONES En esta prueba en conclusión lo que se determino fue el flujo de aire en la entrada por la parte inferior de la columna para generar el enfriado del agua caliente que entra a la columna por la parte superior de la columna, se puede deducir que a mayor flujo de gas el enfriado es más eficiente pero también depende del flujo de agua caliente que entra a la columna. Si aumentamos el flujo del líquido en enfriado se contrarrestara ósea que se producirá menor enfriamiento. Ahora en comparación de las columnas por aspersión y las empacadas es que el enfriado se produce de manera más rápida en columnas empacadas debido al mayor contacto entre ambas fases.
VIII.
BIBLIOGRAFIA
