502 Torres de Enfriamiento

7/30/2019 502 Torres de Enfriamiento

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES

UNITARIAS II

Tema:Torres de Enfriamiento

Docente: Ing. Mariana Navarro

Grupo #1

Alumno: Peter Velez Robles

Fecha de entrega: 8 de enero del 2013

2012 - 2013


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OBJETIVOS

Conocer y experimentar los principios bsicos de una torre de enfriamiento Aplicar conocimientos previos del tema en el diseo de una torre de

enfriamiento.

MARCO TEORICO

Las torres de enfriamiento se utilizan con mayor frecuencia, en especial para grandescargas de enfriamiento. Por lo general estas torres se construyen de madera concubiertas mltiples de tablillas. Tambin se han llegado a utilizar materiales tales comoel aluminio, acero, ladrillo, concreto y tablero de asbesto.

Para evitar la corrosin se utilizan materiales de construccin inertes tales como pino,acero inoxidable y porcelana.

Clasificacin de torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que sesuministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrargran superficie de contacto entre al aire y el agua.

Tiro inducido: El aire se succiona a travs de la torremediante un abanico situado en la parte superior de la

torre.Torres detiro mecnico

Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondode la torre y se descarga por la parte superior.


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Atmosfricas: Aprovecha las corrientesatmosfricas de aire, este penetra a travs derompevientos en una sola direccin, cambiando

con las estaciones del ao y las condicionesatmosfricas.

Torres de

circulacin natural

Tiro natural: Operan de la misma manera que unachimenea de un horno. La diferencia entre ladensidad del aire en la torre y en el exteriororiginan un flujo natural de aire fro en la parteinferior y una expulsin del aire caliente menosdenso en la parte superior.

En el tipo de tiro forzado el aire entra a travs de una abertura circular mediante unabanico, y debido a esto se debe suministrar una altura de torre y su volumencorrespondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.En las torres de tiro inducido, el aire puede entrara a lo largo de una o ms paredes dela torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muypequea.

En la torre atmosfrica, las corrientes penetran a todo el ancho de la torre, las torres sehacen muy angostas en comparacin con otros tipos, y deben ser muy largas para unacapacidad igual.

Las torres de tiro natural deben ser altas para promover el efecto de las densidades,deben tener una seccin transversal grande debido a la baja velocidad con que el airecircula comparada con las torres de tiro mecnico.


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Partes internas de las torres de enfriamiento y funcin del empaque

Si el agua pasa a travs de una boquilla capaz de producir pequeas gotas, sedispondr de una gran superficie para el contacto de agua-aire. Puesto que la interfaseagua-aire es tambin la superficie de transferencia de calor, el uso de la boquilla

permite alcanzar buenos niveles de eficiencia por pie cbico de aparato de contacto.La funcin del empaque es aumentar la superficie disponible en la torre ya seadistribuyendo el lquido sobre una gran superficie o retardando la cada de las gotas atravs del aparato.

En la torre de enfriamiento, debido a los requerimientos de grandes volmenes de airey pequeas cadas de presin permitidas, es costumbre usar largueros de madera deseccin rectangular o triangular, que dejan la torre sustancialmente sin obstruir. Elempaque, es casi exclusivamente fabricado en cualquiera de las dos formas y supropsito es interrumpir el descenso del lquido.

Condiciones de proceso para las torres de enfriamiento

Desde el punto de vista de corrosin de tubos, 120F es la mxima temperatura a la queel agua de enfriamiento emerge ordinariamente. Cuando la temperatura del agua estsobre 120F se puede utilizar un enfriador atmosfrico que prevenga el contacto directo

entre el agua caliente y el aire.

La temperatura mnima a la que el agua puede enfriarse en una torre de enfriamientocorresponde a la temperatura de bulbo hmedo del aire. La diferencia entre latemperatura de agua a la salida de la torre y la temperatura de bulbo hmedo se llamaaproximacin.


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Una de las caractersticas objetables en las torres de enfriamiento se conoce comofogging, o produccin de niebla, lo cual se da cuando el aire caliente saturado a lasalida de la torre se descarga en la atmosfera fra y ocurre condensacin.

DEFINICIONES RELACIONADAS

Normalmente al hablar de humidificacin se hace referencia al estudio de mezclas deaire y vapor de agua, sin embargo las siguientes consideraciones se harn paracualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor.

Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de los gasesideales, la presin ejercida por la mezcla ser igual a la suma de la presin parcial delgas y la del vapor,

gv ppP (1

En estas condiciones la fraccin molar del vapor es

P

p

n

ny v

g

v (2

La fraccin molar es igual a la composicin en volumen. Para expresar la concentracin

del vapor en el gas se emplean diversos trminos que se definen enseguida.

Humedad molar o saturacin molar. Es la relacin entre los nmeros de moles devapor de y de gas contenidos en una masa gaseosa.

v

v

g

v

g

v

pP

p

p

p

n

nYm

(3

Humedad absoluta o saturacin absoluta. Es la relacin entre el peso de vapor y el

peso de gas contenido en una masa gaseosa.

v

v

pP

p

Mg

MvYm

Mg

MvY

* (4

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y del gas. Para el caso del sistema aire-agua, Mv es 18 y Mg es 29.


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Humedad relativa o saturacin relativa. Es el cociente entre la presin parcial del vapory la tensin de vapor a la misma temperatura.

*

v

v

p

p (5

Humedad porcentual o saturacin porcentual. Es la relacin entre la humedadexistente en la masa gaseosa y la que existira si estuviera saturada.

v

v

v

v

ppP

pP

p

p

Y

Y*

** (6

Punto de roco. Es la temperatura que alcanza la masa de gas hmedo en la saturacin

por enfriamiento a presin constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si secontina enfriando la mezcla se ir condensando el vapor, persistiendo las condicionesde saturacin.

Volumen especifico del gas hmedo. Es el volumen ocupado por la mezcla quecontiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

P

RT

Mv

Y

MgV

1(7

Para la mezcla aire-vapor de agua, tomando P en atmosferas y T en K, el volumenespecifico, en m3/Kg de aire seco, viene dado por

P

TYV

082.0

1829

1

(8

Calor especfico del gas hmedo: Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y alvapor que contiene para elevar 1C su temperatura, manteniendo constante la presin:

YCpCpc vgh

(9


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Para el caso de aire-vapor de agua:

Flbmol

BTUYc

Flb

BTUYc

h

h

10.895.6

46.024.0

(10, (11

Entalpa especifica: Es la suma de calor sensible de 1 Kg de gas, y el calor latente devaporizacin del vapor que contiene a la misma temperatura a la que se refieren lasentalpas.

oYToTcH

oToTCvYToTCgH

h

(12, (13

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, la entalpa especfica se calcula de lasiguiente forma:

lbmol

BTUToTYToTH 1935010.895.6 (14

Temperatura hmeda o temperatura de bulbo hmedo: Es la temperatura lmite deenfriamiento alcanzada por una pequea masa de lquido en contacto con una masa

mucho mayor de gas hmedo.

La determinacin de esta temperatura se efecta pasando con rapidez el gas por untermmetro cuyo bulbo se mantiene hmedo con el lquido que forma el vapor en lacorriente gaseosa. Por lo general el bulbo del termmetro se envuelve en una mechasaturada. Durante este proceso si el gas no est saturado, se evapora algo de lquido dela mecha saturada hacia la corriente gaseosa en movimiento, llevndose el calor latenteasociado. La eliminacin de calor latente da lugar a una disminucin en la temperaturadel bulbo del termmetro y la mecha, producindose una transferencia de calorsensible hacia la superficie de la mecha por conveccin desde la corriente gaseosa y porradiacin desde los alrededores. La temperatura de bulbo hmedo es la que se obtiene

a estado estable con un termmetro expuesto a un gas que se mueve con rapidez.

Puede determinarse con alguna de las siguientes relaciones:


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twtw

kykcYYw

twtwMvk

hpp

G

c

vw

/

*

(15, (16

Donde:pw* = tensin de vapor del liquido a la temperatura hmedapv = presin parcial del vapor en el gashc = coeficiente de conveccin lquido-gaskG = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusin lapresin de vaporky = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusin lasaturacin absolutaMv = masa molecular del vaporW = calor latente de vaporizacin del liquido a la temperatura hmedat = temperatura de la masa gaseosatw = temperatura hmedaYw= humedad absoluta de saturacin a la temperatura hmedaY = humedad absoluta de la masa gaseosa

Temperatura de saturacin adiabtica: Es la temperatura alcanzada por una masa degas cuando se pone en contacto con un lquido en condiciones adiabticas.

En la siguiente figura se nuestra un proceso general de humidificacin. Los subndices 1y 2 se refieren al fondo y al domo de la columna, respectivamente; los subndices L y Vse refieren a la fase liquida y vapor y son las velocidades molales de flujo de lquido yvapor; V es la velocidad de flujo molal del gas incondensable, lbmol/h.

Un balance de materiales en la torre da lo siguiente:

1212

' YYVLL (17


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Y un balance de entalpa:

121122

' VVLL HHVHLHLq (18

Primero, se considera un proceso adiabtico q = 0, segundo, se recircula la corrientelquida, por lo que a estado estable TL1 = TL2. A medida que el proceso continua, latemperatura del liquido ser constante y no ser posible llevar a la torre calor sensibleneto o extraerlo del liquido. El nico efecto que pasara a travs de la torre en lacorriente lquida es que una parte de esta se vaporizara hacia la corriente gaseosa.Bajo estas condiciones se tiene la siguiente ecuacin:

1212

' VVL HHVLLH (19

Combinando las ecuaciones 18 y 20 se obtiene

1212 VVL HHYYH (20

Enseguida se expresan las entalpias en trminos de calores molales latente y hmedo:

111222122

oYToTcoYToTcYYToTc vhVhLL (21

La torre debe ser suficientemente alta para que las fases liquida y gaseosa estarsaturada y TL2 = TL1 = TV2 = T2. Por lo tanto la temperatura del domo de la torre (T2)ser la temperatura de saturacin adiabtica, y Y2 ser la humedad molal del gas

saturado a T2. La temperatura de la fase gaseosa en el fondo de la torre (TV1) puededesignarse como T1. Aplicando esto a la ecuacin anterior:

111222122

oYToTcoYToTcYYToTc hhL (22

Considerando: aahhcYcYcc

2112

(23

1112222121122

oYToTcoYToTcYToTcYToTcYYToTchaahL

(24

Reordenando y agrupando trminos se tiene:

oTcoToTcYYTTc aLh 2212121 (25


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Los trminos que se encuentran entre parntesis rectangulares son iguales a 2, porlo tanto se obtiene:

212121

YYTTch (26

Como en este desarrollo T2 y Y2 fueron las condiciones a la temperatura de saturacinadiabtica la ecuacin anterior se puede expresar:

sasasah YYTTc 111 (26a

La ecuacin anterior expresa la relacin entre la temperatura y humedad de un gas acualquier condicin de entrada y las condiciones correspondientes para el mismo gas asu temperatura de saturacin adiabtica.

Relacin de Lewis: W. K. Lewis fue el primero que determino de manera emprica laidentidad entre hc/kY y ch y, en consecuencia, se conoce como relacin de Lewis.

Para el transporte de calor y masa que se presenta entre la interfase y un punto dentrodel cuerpo global de una corriente gaseosa con flujo turbulento, se tiene la siguienteecuacin para la transferencia de calor

Tc

L

ETh

A

qp

Dq

q

c

4

(27

Para la transferencia de masa, se expresa como:

RT

p

L

EDc

L

EDpk

A

Na a

DN

N

a

DN

N

g

44

(28

Se puede dividir la ecuacin 27 entre la 28, para obtener, despus de simplificar, el valorde la relacin de coeficientes de transferencia.

RTcED

E

k

hp

q

N

N

q

g

c

(29

Para el transporte por completo turbulento y D son insignificantes en comparacincon q o N, por lo tanto:

RTcE

E

k

hp

q

N

N

q

g

c

(30


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Los trminos q y N representan la relacin de la diferencia de propiedad transferida,entre la interfase y el fluido global y la diferencia de esta propiedad entre la interfase yel valor mximo del fluido. Por consiguiente sus valores suelen ser un poco menoresque 1.0 y q N.

De lo que resulta N

q

p

g

c

E

Ec

Pk

h

(31

Para que se cumpla la relacin de Lewis q debe ser igual a N. Esto requiere que losnmeros de Prandtl y Schmidt sean iguales. Tambin a baja concentracin kgP kgpbm= ky. De donde resulta

Y

c

p

g

c

k

hc

Pk

h (31a

Diagrama psicromtrico: Es una representacin grafica de las ecuaciones analticasindicadas anteriormente.

Enseguida se muestra un diagrama psicromtrico el cual nos permitir explicar lasecuaciones anteriores. Este diagrama es para las mezclas de aire y vapor de agua a unaatmosfera de presin.

Se representa la humedad absoluta en las ordenadas y la temperatura en las abscisas.Esta limitado por la curva de humedad relativa del 100% o curva de saturacin, la cual da


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la humedad del aire saturado en funcin de su temperatura. Las dems curvasrepresentan diferentes humedades relativas.

Las lneas inclinadas de pendiente negativa corresponden a las isolneas detemperatura de saturacin adiabtica, que coinciden con la temperatura de bulbo

hmedo para el caso de aire-vapor de agua.

Este diagrama cuenta con curvas para determinar el calor especfico, el calor latente devaporizacin y los volmenes especficos del aire seco y del aire saturado.

Para fijar un punto en este diagrama se deben conocer dos de las siguientes variables:t, tr, tw, Y, . Una vez fijado el punto, el cual se representa como A, la ordenada a estepunto es la humedad absoluta Y, su abscisa es la temperatura del aire t; la abscisa delpunto que, sobre la curva de saturacin, tiene la misma ordenada Y es la temperaturade roco tr; la abscisa del punto de interseccin de la lnea inclinada que pasa por A conla curva de saturacin es la temperatura de saturacin adiabtica o temperaturahmeda. Prolongando la vertical que pasa por A hasta la curva de saturacin, laordenada del punto de interseccin es la humedad de saturacin del aire a latemperatura t; la humedad relativa del punto A se lee directamente en isolneas.

MANUAL DE OPERACIN DEL EQUIPO

Abrir vlvulas de bypass de las bombas y verificar que las vlvulas del equipo seencuentren abiertas o cerradas respectivamente.

Encender las bombas de alimentacin y de agua de enfriamiento. Regular mediante las vlvulas de bypass el flujo que con el que se trabajar a

travs de los manmetros diferenciales.


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Distribuir los operadores para controlar las variables que no poseetermmetros.

Inyectar vapor a una presin de 5 psig mediante la vlvula reguladora depresin.

Cronometrar el tiempo de trabajo hasta que se repitan en 2 ocasiones losvalores del termmetro de la salida del alimento del calentador.

Despus de haber alcanzado el estado estacionario, apagar el equipo y cerrarsus respectivas vlvulas.

MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO

El equipo utilizado para esta operacin es un intercambiador de bancada de tubos, queconsta de un calentador y un enfriador que puede ser manipulado en flujo 1-1 o 1-2.

INTERCAMBIADOR DE BANCADA DE TUBOSCALENTADOR Calentamiento mediante vapor,

flujo en paraleloENFRIADOR Enfriamiento mediante agua, flujo

en contracorriente 1-1

TORRE DE ENFRIAMIENTOLos materiales que se utilizaron para el control de la operacin son:

2 Termmetros para determinar las temperaturas del condensado y de salida delalimento.

Cronmetro, para tomar el control del tiempo de operacin. Llave para calibrar la vlvula reguladora de presin. Baldes, para la calibracin del rotmetro y para recoger el condensado.


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TABLA DE DATOS

40 52 58 52 45 30 30

42 53 58 53 46 30 31

44 54 58 54 47 30 32.5

44 55 58 55 48 30 32.5

46 56.5 58 56.5 49 30 32.5

48 57.5 59 57.5 49.5 30 32.5

48 58.5 60 58.5 50 32 34

49 59.5 62 59.5 50.5 32 35

50 60 62 60 51 32 35

A la entrada de la torre de enfriamiento

Temperatura de bulbo hmedo = 78 F

Temperatura de bulbo seco = 82 F

Humedad relativa = 84%

Eficiencia

tce temperatura caliente de entrada = tea1

tcs temperatura caliente de salida = tsa1

tfe temperatura fra de entrada = teAF1

()

()


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CONCLUSIONES

Lamentablemente el da en que bamos a comenzar la practica se presento uninconveniente la cual no se pudo realizar y por lo tanto no se obtuvieron datosde ella; sin embargo tuvimos que basarnos en los datos del grupo anterior para

poder hacer el informe

RECOMENDACIONES:

Los datos reflejados en las tablas experimentales, nos muestran un buendesarrollo de la operacin pero considerando que existen fallas fuera del

alcance del operador que no podan ser controladas.

Nivelar bien la vlvula reguladora de presin observar que no aumente lapresin

Verificar que al comenzar la practica estn todas las vlvulas cerradas y de ahabrir vlvulas de acuerdo a su necesidad.

BIBLIOGRAFIA:

LIBRO DE OPERACIONES UNITARIAS; Brown OCON, TOJO. Problemas de Ingeniera Qumica. Ed. Aguilar www.wipipedia.com/torresdeenfriamiento FOUST. Principios de Operaciones Unitarias. Ed. CECSA
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