INTRODUCCION
En los diferentes procesos de procesos de producción hay producción hay puntos en los que es necesario eliminar calor, siendo el agua el fluido utilizado en la mayoría de los casos. El consumo progres consumo progresivo ivo de agua, el precio creciente y la escasez, escasez, en algunos casos, aconsejan emplear circuitos cerrados circuitos cerrados de refrigeración. refrigeración. La reutilización del agua obliga a que ésta sea enfriada, para lo cual se usan torres de enfriamiento, empleando como refrigerante el aire. La torre de enfriamiento de como finalidad de enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente con una corriente de aire seco y frio que circula por el mismo aparato. alen alen para este caso las mismas e!presiones e!presiones deducida para los deshumidificaciones, aunque la transferencia tiene lugar en dirección contraria, puesto que la torre funciona como un humidificador que como un deshumificador del aire. "sualmente es una estructura parecida a un cajón de madera que tiene estructura interna del mismo material. Las torres de enfriamiento se emplean para poner en contacto agua caliente que proviene de los sistemas de enfriamiento de procesos con aire con el propósito de enfriar el agua y poder usarla de nuevo en el proceso. La función de su relleno interior es aumentar la superficie de contacto entre el agua y el aire. En la presente pr#ctica se buscara hallar las cantidades de flujo de aire mínimo adem#s de los coefic coeficien ientes tes de transf transfere erenci nciaa de masa masa y los coefi coeficie ciente ntess de pelícu película la en el contac contacto to entre entre aire aire atmosférico y agua de proceso.
PRINCIPIOS TEORICOS Torre de enfriamiento
El agua, entibiada por el paso a través de intercambiadores de calor, condensadores y similares, se enfría por contacto con el aire atmosférico para ser utilizada nuevamente. El calor latente del agua es tan grande que una cantidad peque$a de evaporación produce grandes efectos de enfriamiento. La torre de enfriamiento es una instalación en la que se pone en contacto el agua a enfriar con el aire en contracorriente. El aire no saturado en contacto con el agua tiende a aumentar su humedad% el agua al evaporarse toma el calor latente de vaporización de ella misma y por consiguiente se enfría. "na torre de refrigeración es un intercambiador de calor de tipo evaporativo y contacto directo. &e produce paso de calor de un fluido a otro% el enfriamiento 'un ()*+ es debido al intercambio de masa entre los dos fluidos por evaporación de parte del agua. El agua entra por la parte superior de la torre. En su interior hay un relleno 'tablillas de madera, pl#stico, fibra, cemento+ que mejora el contacto y favorece el intercambio de masa y calor. tros componentes importantes de una torre de enfriamiento son-
•
&istema de distribución del agua, para repartir uniformemente el agua caliente sobre el
•
relleno. &e emplean tuberías con toberas de presión para pulverizar el agua. &eparador de gotas, situado encima de la entrada de agua y antes de que la corriente de aire
• • •
abandone la torre. Evitan el arrastre de gotas de agua fuera de la torre. alsas para la recogida del agua fría. /odo soportado sobre estructuras construidas de hormigón armado, ladrillos, poliéster.
Clasificación de torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se suministra el aire. /odas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua.
Torres de Circulación natural
Torres de Tiro mecánico
Atmosféricas: * No tienen ventiladores, el aire proviene de corrientes atmosféricas (viento) !No tienen relleno !Son torres m"# vol"minosas Tiro natural: * El aire es s"ccionado por diferencias de densidad de aire entre $ase # tope (como en c%imeneas) & efecto 'ent"ri !Para randes fl"os de a"as (centrales térmicas)
Tiro inducido0El aire circula perpendicular al flujo de agua. 0&on de baja altura. 0"san rellenos compactos. Tiro forzado: 0El aire es forzado por el ventilador que est# abajo. 0"san rellenos compactos. 0El ventilador puede ser a!ial o centrífugo 'usualmente+.
Condiciones de proceso
La temperatura mínima a la que el agua puede enfriarse en una torre de enfriamiento corresponde a la temperatura de bulbo h1medo del aire. La diferencia entre la temperatura de agua a la salida de la torre y la temperatura de bulbo h1medo se llama apro!imación. "na de las características objetables en las torres de enfriamiento se conoce como fogging, o producción de niebla, lo cual se da cuando el aire caliente saturado a la salida de la torre se descarga en la atmosfera fría y ocurre condensación. Conceptos enerales *"medad molar o sat"raci+n molar. Es la relación entre los n1meros de moles de vapor y de gas contenidos en una masa gaseosa.
Ym =
nv n g '2+
*"medad a$sol"ta o sat"raci+n a$sol"ta. Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.
Y =
Mv Mg
Ym '3+
&iendo 4v y 4g las masas moleculares del vapor y del gas.
P"nto de roco Es la temperatura que alcanza la masa de gas h1medo en la saturación por enfriamiento a presión constante. "na vez alcanzada esta temperatura, si se contin1a enfriando la mezcla se ir# condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación.
5igura 67 3 Líneas de temperatura de punto de rocío 7 8. Entalpa especifica Es la suma de calor sensible de 2 9g de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene a la misma temperatura a la que se refieren las entalpías. Temperat"ra de -"l$o Seco. En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta escala es la horizontal 'abscisa+, en la parte baja de la carta.
Temperat"ra %/meda o temperat"ra de $"l$o %/medo
La temperatura del termómetro h1medo es la temperatura de no equilibrio que para estado estacionario alcanza una peque$a masa de líquido cuando se encuentra sumergido, en condiciones adiab#ticas, en una corriente continua de gas. La masa del líquido es tan peque$a en comparación con la fase gaseosa que solamente hay una variación despreciable de las propiedades del gas, y el efecto del proceso est# restringido al líquido.
Calor especfico del as %/medo Es el calor que hay que suministrar a 2 9g de gas y al vapor que contiene para elevar 278 su temperatura, manteniendo constante la presiónC0lc"los para operaciones de %"midificaci+n
L3 : velocidad de flujo del liquido que entra a la columna por el domo, lb mol;h o mol;s.
2: velocidad de flujo de la fase gaseosa que entra a la columna, lb mol;h o mol;s. < : velocidad de flujo del gas =seco>, lb mol;h o mol;s. ?3 : relación molar de soluto a gas disolvente, en el domo de la columna. @2 : entalpia de la fase gaseosa que entra a la columna, /";lb mol de gas =seco> o A;mol. @L3 : entalpia de la fase líquida que entra al domo de la columna /";lb mol de líquido o A;mol. q : calor transferido a la columna desde los alrededores, /";h o A;s. /L, / : temperatura de las fases líquida y gaseosa respectivamente. dz : altura diferencial del empaque de la columna, ft o m. B : superficie interfacial, ft 3 o m3. a : #rea de la interfase, ft 3;ftC de volumen de columna. & : sección transversal de la torre, ft 3 o m3. El balance total de materia para una torre de sección transversal constante es el siguiente L2
−
L3
=
V 2
−
V 3
Dara el componente condensable-
(
V E Y 3
−
Y 2
)
=
L3
−
L2
El balance de energía resulta-
L3 H L 3 + V E H V 2 + q = L2 H L2 + V E H V 3
En la mayoría de los casos la torre opera en forma casi adiab#tica q : ). La apro!imación a la operación adiab#tica ser# mayor a medida que el di#metro de la columna sea m#s grande. El balance para el componente condensable resulta
V E dY = dL
El balance de entalpia correspondiente es
V E dH v = d ( LH L ) &i la velocidad de transferencia de soluto entre las fases es baja en comparación con la corriente total de flujo, se puede usar un valor promedio de L y es posible e!presar el cambio de entalpia en la fase líquida como si resultara solamente del cambio de temperatura a calor específico constante. Dor tanto,
d ( LH L ) = L prom c L dT L L pro m =
L2 + L3 3
Dara el cambio de entalpia de la fase gaseosa, la e!presión en términos de temperatura es rigurosa cuando c h es constante.
V E dH v = V E d [ ch ( T v − To ) + Y λ o] = V E ch dT v + V E λ odY
Dara la transferencia de calor de la fase liquida
L prom S
c L dT L = h L a ( T L − T i ) dz
Fonde /i : temperatura interfacial, 75, 78. Dara la transferencia de calor sensible de la fase gaseosa,
V E S
ch dT v = hc a( T i − T v ) dz
y para la transferencia de calor latente de la fase gaseosa,
V E S
'λ o+dY = 'λ o+k Y a( Y 2 − Y ) dz
Fonde ?2 : relación molar de la fase gaseosa de soluto a disolvente en la interfase. 9 ? : constante de transferencia de masa G o: calor latente Ec"aciones de dise1o
Las siguientes ecuaciones relacionan los cambios de temperatura y humedad molal de la fase gaseosa, con las velocidades de transferencia de masa hacia o desde la fase gaseosa.
H V 3 − H V 2 T L 3 − T L2
=
L prom c L V E
Esta ecuación da la misma pendiente de la línea de operación @ contra /L que L promcL;<. La siguiente figura muestra uno de estos diagramas para una operación de humidificación.
La línea B8 es la línea de operación que contiene todos los valores de @ correspondientes a la temperatura del líquido, a través de la columna. /ambién se puede obtener esta línea conociendo las dos condiciones e!tremas '/ L2, @2+ y '/ L3, @3+, o a partir de cualquiera de estos dos puntos y la pendiente 'L promcL;<+. "na línea de unión que empieza en el punto y tiene una pendiente igual a HhLa;I ?a interceptara la curva de equilibrio en las condiciones interfaciales correspondientes en el punto . El punto 2 representa las condiciones en la interfase. Coeficientes totales
El uso de los coeficiente globales de transferencia de masa no distingue entre el enfriamiento por convección y por evaporación del líquido, y no permite el c#lculo de la humedad y temperatura de bulbo seco del aire caliente. Dor lo general, el aire estar# casi saturado% puede suponerse que lo est#, con el fin de calcular las necesidades para la compensación. Los cambios de la temperatura H humedad del aire sufren cuando pasa a través de la torre, se puede calcular por método grafico @ 'entalpia de la mezcla gasJvapor;masa de aire seco+ vs / 'temperatura del líquido+. &i la resistencia de la fase liquida a la transferencia de calor es muy peque$a en comparación con la resistencia de la fase gaseosa a la transferencia de masa, la temperatura real de la interfase se acercara a la temperatura global del líquido. La pendiente Jh La;I ?a tiende a JK y el punto de la figura anterior se apro!ima al equivalente del equilibrio de ubicado en el punto F.
nd =
61mero de unidades de difusión
c L dT
∫ ( H − H i
V
)
= k Y a
Z L
Fónde8L: 2 :para el agua M: altura de la torre 'm+ L : velocidad promedio del líquido lb mol;h o mol;s.
nt =
61mero de unidades de transferencia
dH
∫ ( H − H i
V
)
= ' k Y a+
Z G s E
Determinaci+n de la temperat"ra lo$al de la fase aseosa
Dara determinar la gr#fica de la fase gaseosa, 4icIley desarrollo un método gr#fico. Fividiendo la ecuación-
V E S
ch dT v = hc a( T i − T v ) dz
Entre-
V E S
dH V = k Y a( H i − H V ) dz
&e obtiene-
V E c h dT V V E dH V
=
hc a( T i − T v ) dz k Y a ( H i − H V ) dz
Dor la relación de LeNis h ca;I ?ach : 2, y en consecuencia
dT V dH V
=
T i − T V H i − H V
≈
∆T V ∆ H V
&i se conocen las condiciones de la fase gaseosa en cada e!tremo de la columna, es posible usar un método de etapas para trazar la curva de las condiciones de la fase gaseosa a través de la torre.
DET233ES E4PERI5ENT23ES
4ateriales
/ermómetros Dsicómetro 8inta métrica o @uincha /orre de enfriamiento 8aldera ntercambiador de calor Drobetas
Drocedimiento E!perimental
Poner en funcionamiento el equipo de transferencia de calor (caldero e intercambiador de calor) que es la fuente del agua caliente para la operación
Con el rotámetro regular el caudal del agua caliente para el ujo de 20, 40 !0 "#P
$ncender el %entilador con una frecuencia de &0 ' luego a 40 '
omar datos de las temperaturas a la entrada salida del agua
omar datos de temperatura del bulbo *+medo seco para el aire *+medo a la entrada salida de la torre (-epetir lo mismo para cada caudal para las dos frecencias trajadas)
