TORRE DE EFRIAMIENTO (1)

7/31/2019 TORRE DE EFRIAMIENTO (1)

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TORRE DE EFRIAMIENTO

RICHARD AHUMADA ALVAREZ

FRANKT FLOREZ SANTIAGO

RICARDO MERCADO CAMACHO

DIEGO SIMANCAS SOLANO

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS I

INGENIERO: CRISSTOMO PERALTA HERNNDEZ

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO

INGENIERIA QUIMICA

BARRANQUILLA

DICIEMBRE 2010


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CONTENIDO

Pg.

I. Resumen ...4

II. Introduccin ..41.) Parte experimental9 Materiales utilizados..9

2.) Anlisis de resultados y discusin.10 Datos y clculos.10 Anlisis de resultados...14

3.) Conclusiones 154.) Bibliografas ..15


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LISTA DE FIGURAS Y TABLAS

Pg.

I. Esquema 1.9

II. Esquema 2....10III. Tablas.10Tabla 1, tabla 2.....10Tabla 3...11Tabla 4.......12Tabla5, tabla 6, tabla 7, tabla 8..13Tabla 9...14

IV. Grafico 114


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RESUMEN

Esta experiencia fue desarrollada haciendo mediciones de flujo y tomandotemperaturas de bulbo seco y bulbo hmedo en la entrada o parte trasera de latorre, y en la salida o parte superior de la torre. Tambin se tom la

temperatura del agua que se enfri y del agua caliente en sus depsitosrespectivos.

Todos estos datos tomados son necesarios para evaluar el rango detemperatura en que trabaja la torre y el calor removido del agua a enfriar.Tambin para hallar el flujo de aire y la cantidad de agua evaporada.

INTRODUCCIN

Es una mquina capaz de enfriar eficientemente grandes volmenes de agua,ponindola en contacto con aire atmosfrico. Un pequeo porcentaje del aguaes evaporado, expulsando consigo el calor a la atmsfera, como aire caliente yhmedo.

Las torres de enfriamiento se utilizan ampliamente para desechar en laatmosfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo enfuentes de aguas receptoras (ros, lagos, entre otros). En la reutilizacin deaguas de servicio, en procesos de enfriamiento o en condensacin y para

desechar el calor proveniente de las plantas de fuerza y generacin de energa.Una aplicacin importante de la analoga de la trasferencia de calor y masa esel proceso de enfriamiento evaporativo, que ocurre cada vez que un gas o airefluye sobre un lquido caliente. En estos procesos el agua caliente se enframezclndola directamente con el fluido fro(aire), enfrindose por conveccin yvaporizacin al pulverizarla o dejarla caer en una corriente inducida de aire. Laevaporacin ocurre cuando molculas del lquido cerca de la superficie,experimentan colisiones que aumentan su energa por arriba de la necesariapara vencer la energa de unin de la superficie. La energa que se requiere

para mantener la evaporacin debe venir de la energa interna del liquido, queentonces experimenta una reduccin en su temperatura.

Los tipos ms comunes de la torres de enfriamiento son por conveccin naturaly por conveccin forzada.

Podemos enfra agua permitindole que seda su calor al aire a travs de unpared divisoria, como en un intercambiador de calor ordinario. Con este mtodode intercambio de calor solo se puede aspirar a que el agua reduzca sutemperatura hasta la temperatura de bulbo seco del aire. Por otra parte, si el

agua se pone en contacto directo con el aire, como en las torres deenfriamiento, la temperatura del agua puede baja tericamente hasta la


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temperatura de bulbo hmedo del aire. Dado que una torre de enfriamientoutiliza el fenmeno de enfriamiento evaporativo, se puede transferir en tal casomucho ms calor que en un simple cambiador, como consecuencia de loanterior, una torre de enfriamiento resulta ms pequea que un intercambiadorde calor simple para una misma cantidad de calor a trasmitir. Una desventajade las torre de enfriamiento es que el agua evaporada se pierde.

Su funcionamiento se resume en que el agua caliente que entra se pulveriza enla parte superior de la torre y se deja caer a travs de la estructura de maderacon objeto que facilite la evaporacin al fragmentar la corriente de agua enpequeas gotas. El aire atmosfrico fluye hacia arriba llevndose consigo alvapor de agua. Al salir por la parte superior de la torre, se encuentra en unestado muy cercano al de saturacin.

Cuando se habla de torres enfriamiento se debe tener en cuenta que senecesitan aplicar conceptos bsicos de psicrometra, esto tiene una relacinextensa con las propiedades termodinmicas ya que en esta se hacen mezclasde vapor de agua con el aire; se dice que las proporciones de vapor agua en elaire son muy bajas (inferior al 5%) el cual dentro de la torre de enfriamiento seafecta drsticamente el comportamiento y las caractersticas generales del aire.

AIRE Y PSICROMETRIA

El aire es una mezcla de gases el cual est compuesta por proporciones

ligeramente variables las cuales son el nitrgeno (78%), oxigeno (21%), vaporde agua (el cual es variable y est entre los rangos de 0-5%) y otros. Cuandose llega a un punto en el cual el aire contiene una cantidad mxima de agua sedice que el aire se encuentra saturado y por lo tanto no recibe ms agua enforma de vapor, de esta manera se llega a una condensacin de vapor de aguael cual hace que se formen gotas de agua, ya sabiendo esto se definen algunosparmetros que rigen el comportamiento de esta mezcla:

Temperatura de bulbo seco: es la medida que se da con untermmetro convencional cuyo bulbo se encuentra seco. En psicrometraes utilizado para el estudio y la determinacin del comportamiento del

aire; mediante la carta psicomtrica con otros valores es posibledeterminar las propiedades de la mezcla de aire seco o hmedo.

Temperatura de bulbo hmedo: es la medida que se da con untermmetro cuyo buld se encuentra hmedo con bajo una corriente deaire. La corriente de aire se produce a causa de un ventilador o algunaayuda externa, el cual al evaporarse el agua se absorbe el calorrebajando as la temperatura; este tipo de medicin se utiliza para daruna idea de sensacin trmica y el psicrometra se utiliza para calcular lahumedad relativa y temperatura de punto de roci.

Temperatura de roci: es la temperatura a la cual comienza acondensarse el vapor de agua contenido en el aire. Y esta se da cuando


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el aire se satura y la humedad relativa se encuentra igual a 100%produciendo as roci, neblina o cuando la temperatura se encuentramuy baja escarcha.

Humedad absoluta: se utiliza para medir la cantidad de vapor de agua

contenido en el aire, teniendo la temperatura, se calcula la cantidad deaire para admitir o no la cantidad de vapor; esta se calcula como vaporde agua por unidad de aire ambiente.

()

()

Humedad relativa: es la cantidad de masa de aire el cual puede admitiruna mxima concentracin de vapor de agua sin producir as unacondensacin, conservando las mismas condiciones de temperatura y

presin atmosfrica.

Presin parcial: se denomina a la presin que est siendo ejercida uncomponente si ocupara todo el volumen que ocupa la mezcla.

Entalpia: el la energa caracterstica que tiene cierta sustancia. Cuandose habla de aire atmosfrico, son las sumas de las energas asociadasal aire seco y el vapor de agua, y se expresa de la siguiente manera:

Donde: Siendo w= humedad especifica

CARTA PSICROMETRICA

Esta es una representacin grafica de las propiedades termodinmicas del airehmedo, en ella se encuentra plasmado los datos de humedad absoluta, lneasde entalpia, temperatura de bulbo hmedo, etc.

BALANCE DE CALOR

Para los clculos ptimos las torres de enfriamiento se examinan en la base de0.0929 equivalentes a 1 de su rea interna; en esta parte se puedenobtener los siguientes datos:

La carga de aire


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la carga de agua

agua de compensacin

Se puede hacer un balance de calor para un gas con un plano de referencia de0 F el cual sera:

( ) Ec. 1

Donde:

C = calor especificoH= la entalpia por libra de aire seco es cual este incluye el calor de vaporasociado con la libra de aire seco.

Cuando estos estn en funcin de la carga de agua el balance de calor sera elsiguiente:

( ) ( ) Ec. 2

Cuando se hace una igualacin de las 2 anteriores ecuaciones se obtienecomo resultado:

( ) ( ) Ec. 3

Y se dice que el agua de compensacin requerida por evaporacin es:

( ) Ec.4

Cuando se divide la ecuacin 3 y 4 se obtiene lo siguiente:

()

() ( ) Ec.5

La anterior ecuacin nos da la cantidad de agua de compensacin

correspondiente a cualquiera de las condiciones de las terminales fras. Paralos clculos correspondientes al utilizar la carta psicomtrica, se debe utilizarsolo una para que haya mayor precisin en los clculos, ya que cuando separte de una carta psicomtrica y despus se utiliza otra puede haber serioserrores en los clculos realizados. Cuando hay soluciones de aire-vapor laentalpia del aire saturado arriba de 0 F se podra calcular de esta forma:

Donde 0.24 es el calor especfico del aire; y cuando el aire no est saturado seutiliza la siguiente ecuacin:

( )


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Donde 0.45 es el calor especifico del vapor de agua de 0 a 120 F y elsubndice DP se refiere al punto de roco.

CALCULO DEL FLUJO DE AIRE

Para conocer el clculo del flujo de aire en una torre de enfriamiento primero setiene que conocer el balance de energa el cual es el siguiente:

= ++ ( )( )() ( )

Ya teniendo esta parte principal se hace el reemplazo de las ecuaciones:

( ) ( ) ( )

Donde;L = flujo msico de agua de enfriamiento = temperatura de entrada de agua= temperatura de salida de agua

G= flujo msico del aire

= calor hmedo inicial del aire = temperatura salida de aire= temperatura entrada de aire

= flujo msico del agua evaporada

= calor latente de vaporizacin a = calor especifico del vapor

= calor especifico del agua


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PARTE EXPERIMENTAL

Materiales e instrumentos: Agua de servicio recirculada. Aire a condiciones ambientales Termmetro Cubeta calibrada Cronometro

Procedimiento.

Despus de estabilizar el proceso y los niveles de los depsitos se procede aregistrar los datos siguientes.

Tomar la temperatura de bulbo seco y de bulbo hmedo del rea de laentrada en un punto distante del ventilador.

Tomar la temperatura del agua caliente en el depsito respectivo Flujo de agua en el sistema, midiendo el volumen de agua caliente que

retorna al depsito de agua caliente y el tiempo e tomar dicho volumen. Temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo de rea de la salida, la cual

es tomada del tope de la torre Temperatura del agua fra en el depsito respectivo

Luego de realizar estos pasos tomamos una malla y la ubicamos detrs del

ventilador con el fin de variar el flujo de aire entrante. Repetir los pasosanteriores con estas nuevas condiciones.

Diagrama da proceso.

Esquema 1


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Esquema 2

En primer lugar se procedi a esperar que el proceso se estabilizara, seguido aesto se tomaron la temperatura de bulbo seco, en la succin y en la salida delaire. As mismo las temperaturas del agua en la entrada la cual era ms altaque la salida. Tambin se midieron los flujos de entrada y salida de agua conuna cubeta calibrada. Se tom el tiempo que tardaba en llenarse 10 litros deagua para los dos flujos.

ANALISIS DE DATOS Y DISCUSION

DATOS Y CALCULOS

CORRIDA 1 Sin malla

Entrada deaire

Salidade aire

Entradade agua

Salida deagua

Tbs(C)

Tbh(C)

Tbs(C)

Tbh(C)

T(C) Flujo(L/s)

T(C)

Flujo(L/s)

30 28 30 28 38 0,73 28 0,17

TABLA 1

CORRIDA 2 Con malla

Entrada deaire

Salidade aire

Entrada deagua

Salidade agua

Tbs(C)

Tbh(C)

Tbs(C)

Tbh(C)

T(C) Flujo(L/s)

T(C)

Flujo(L/s)

30 26 32 32 41 0,73 32 0,16

TABLA 2


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RANGO DE TEMPERATURA.

El rango de temperatura es simplemente la diferencia entre la temperatura delagua de salida (caliente) y la temperatura del agua de entrada (fra).

( ) ( )

El calor removido se halla haciendo un balance de energa sencillo.

()

Donde:

Como los flujos msicos son los mismos y como poseemos las temperaturasde entrada y salida haremos los siguientes arreglos a (1):

( )

( ) ()

Donde:

Entonces como ya poseemos de las temperaturas de entrada y salida este elprocedimiento para el clculo de del calor removido.

Tabla 1 sin malla

F agua L/s m Lb/hCp

BTU/LbFT1 F T2 F Q BTU/h

0,73 5781,6 1 100,4 82,4 104068,8TABLA 3


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Tabla 2 con malla

F agua L/s m Lb/hCp

BTU/LbFT1 F T2 F Q BTU/h

0,73 5781,6 1 105,8 89,6 93661,92

TABLA 4Flujo de Aire:

Para el clculo del flujo de aire haciendo un balance global de materia yenerga a la torre de enfriamiento obtenemos la siguiente ecuacin:

( ) ( ) ( ) ()

Donde:

El procedimiento es el siguiente para resolverlo para la primera medida.

Ya poseemos las temperaturas de entrada y salida del agua y el aire y el flujode agua

T1= 100,4FT2= 82,4 Ft1=82,4Ft2= 86F

L= 5781,6 Lb/h

Con el dato de la temperatura y la humedad relativa buscamos en la cartapsicomtrica el valor de la humedad absoluta del aire a la entrada y a la salida:

Para calcular el calor hmedo inicial se usa esta ecuacin genrica:


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()

Para hacer el clculo del flujo de agua evaporada es simplemente la resta delas humedades absolutas:

( ) ()Los valores de Cp. y Cpv los vamos a considerar constantes debido a que losrangos de temperatura no son lo suficientemente grande para que haya unagran variacin en sus valores:

El valor Hv se toma de la tabla 12 Kern (ver bibliografa y anexos) y para estecaso:

Aplicando la ecuacin 3 y despejando el termino G nos queda

Tabla 3 sin malla

T1 F T2 F Hr 1 Hr2 Y1 Y2 L Lb/h

100,4 82,4 58 72,5 0,02 0,0254 5781,6

TABLA 5

G Lb/h Cs t1 F t2 F Ev HvCp

BTU/LbFCpv

BTU/LbF

15203,5 0,249 82,4 86 0,0054 1100 1 0,445

TABLA 6

Tabla 4 con malla

T1 F T2 F Hr 1 Hr2 Y1 Y2 L Lb/h

105,8 89,6 59 73 0,0208 0,0256 1303,38

TABLA 7

G Lb/h Cs t1 F t2 F Ev HvCp

BTU/LbFCpv

BTU/LbF

3557 0,24945 86 89,6 0,0048 1048 1 0,445

TABLA 8


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Agua evaporada:

Ahora que poseemos el valor del flujo de aire, simplemente remplazamos estevalor en la ecuacin 5 y obtenemos el siguiente resultado

(

) Tabla 9

Sistema Ev Lb/h

Sin malla 82,09

Con malla 17,0736

GRAFICA DE CALOR REMOVIDO VS RANGO.

GRAFICA 1

ANALISIS DE RESULTADOS

Como se pudo observar el trabajo realizado en esta experiencia se basprcticamente en evaluar el comportamiento del sistema en la torre deenfriamiento con la variacin del flujo de aire de entrada, con esto se pudo verque tanto el calor removido como el agua evaporada disminuyen al disminuir lacantidad de aire alimentado la torre.

La malla produce condensacin del agua, (aunque sea muy pequea paradetectar por los sentidos), y esta agua es arrastrada por el aire lo que ocasionaun aumento de la humedad absoluta y por ende la humedad relativa, estotambin ocasiona que se produzca ms agua evaporada por la torre. Paracompensar esta prdida se debe aumentar el flujo de de aire (manteniendoconstante el flujo de agua, para mantener el equilibro de masas adems latemperatura de salida del aire aumenta, aunque no significativamente, y todo

esto produce que el calor removido (calor sensible) sea mayor, aunque todoesto se sale de una operacin de este y eso es fcil de notar en la grfica 1.

92000

94000

96000

98000

100000

102000

104000

106000

16 16.5 17 17.5 18 18.5

CalorremovidoQ(BTU/h)

Rango de temperaturas F


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Cabe destacar que el proceso que ocurre dentro de la torre se entiende de lasiguiente manera: la velocidad con la que entra el aire es bastante grande,impregnndole de esta forma energa cintica al agua al momento es quechoca con la misma; de esta manera se produce el cambio de estado delliquido, este calor latente liberado por el agua es reutilizado por ella misma paraprovocar la condensacin del vapor que luego de haber interactuado con el aireresulta con una temperatura menor; que es el objetivo de la torre, enfriar elfluido. Por otra parte, observamos que la temperatura de bulbo hmedoaumenta a la salida de la torre, es decir en la parte superior, esto es debido aque el aire ha perdido humedad razn por la que se ha calentado un poco,notando este cambio en las variaciones de esta temperatura.

CONCLUSIONES

De esta experiencia es posible concluir lo importante que son estosequipos a nivel industrial, y su grande aplicabilidad para los procesos enlos cuales el agua llega a temperaturas por encima de la ambiental, y eluso del aire como material natural reduce costos valiosamente.

Siempre se necesitar una rata mayor de aire para enfriar un determinadoflujo de agua.

El balance de energa muestra que las perdidas hacia los alrededores sonmnimas lo cual demuestra que el equipo posee una alta eficiencia y queeste se encuentra bien aislado.

El anlisis que se puede hacer de la grfica de rango de temperatura vscalor removido es que el calor removido por la torre ser mayor cuandoeste rango sea mayor y que este tambin depender lgicamente del flujomsico de agua caliente que este circulando en el momento.

El calor removido es funcin del cambio de temperaturas, para un flujo

msico constante a travs de la torre de enfriamiento a mayor diferenciade temperaturas mayor ser el calor removido.

BIBLIOGRAFIA

Transferencia de Calor, Donald Q.Kern.Pg. 920 Operaciones de transferencia de masa, Treybak, Robert E.Pgs.

261,262 http://www.airetecnica.com.co/PDF%B4s/TAYCOPANO.pdf

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