Torres de Enfriamiento por Tiro Inducido - Inf 1.docx

UNIVERSIDAD ESTATAL DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

402

OPERACIONES UNITARIAS

TEMA:

TORRES DE ENFRIAMIENTO POR TIRO INDUCIDO

INTEGRANTES:

GUSTAVO PAZMIÑORICHARD TAMAYOATILIO ESCOBARJANINA MUÑOZJULIANA SUAREZ

CURSO: CUARTO (A)

DOCENTE: ING. QCO. LUIS BONILLA ABARCA MSC.

FECHA: 2 DE JUNIO DEL 2014

PARCIAL: PRIMERO

Contenido

1. Introduccion 1

2. Objetos 3

3. Marco Teorico 4

a) Componentes de la Torre de Enfriamiento por Tiro Inducido 5

b) Funciones de las diferentes partes de la Torre por Tiro Inducido 9

c) Vistas del Interior una Torre de Enfriamiento por Tiro Inducido, Equipos y las líneas y válvulas de Entrada y Salida 13

4. Conclusiones 18

5. Recomendaciones 19

6. Bibliografia 20

Anexos 21

UNIVERSIDAD ESTATAL DE GUAYAQUILFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICACARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

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1. Introduccion

La instrumentación, diseño y simulación de dispositi-vos de enfriamiento de agua ha constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de referencia en el estudio, comprensión y aplicación de la fenomenolo-gía de los mecanismos de transferencia de masa, ener-gía y cantidad de movimiento. Los equipos de enfria-miento de sistemas simples como lo es el sistema aire y vapor de agua constituyen una base fundamental en estudios preliminares de gran aplicación a nivel in-dustrial.

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad en-friar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sen-sible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de ope-ración también reducido.

Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de mu-chas maneras. Una de ellas hace referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de go-teo). Otro tipo se da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio entre el agua y el aire.

Se denomina tiro a la presión existente dentro del ho-gar de una caldera con respecto a la atmosférica, este puede ser: 1. Positivo (tiro forzado)2. Negativo (tiro inducido)3. Equilibrado (tiro equilibrado). El tiro refleja pues la capacidad que tiene un hogar para aportar aire de combustión y extraer los gases resultantes para enviarlos a la atmósfera.En una central Térmica, o en cualquier central Indus-trial donde se desee conseguir un cierto grado de de-presión en el hogar, resultan imprescindibles dichos ventiladores.

Van ubicados posteriores a los filtros, ya sean elec-trostáticos, de telas etc. Desde donde aspiran el aire provocando, en función de la potencia, el grado de va-cío del hogar en la caldera.

Torre de Tiro Inducido


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Existen diversos tipos de ventiladores de tiro induci-do, los más utilizados en centrales industriales son:

1.Ventiladores centrífugos de flujo radial.2.Ventiladores centrífugos de axial de simple etapa

con álabes fijos.3.Ventiladores centrífugos de flujo axial de doble

etapa con álabes móviles.

Descripción del funcionamiento de la torre de enfria-miento a contraflujo de tiro inducido

1. Enfriador evaporativo semiencerrado.2. El aire entra en la torre por la parte inferior y

sale por la superior.3. El agua caliente (proceso) se bombea hacia la parte

superior y se rocía sobre la corriente de aire.4. Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría el

agua restante.5. La temperatura y contenido de humedad del aire au-

mentan durante el proceso.6. El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre

y se envía a proceso.7. El agua de reemplazo debe añadirse para sustituir

el agua perdida por evaporación y por el arrastre de agua



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2. Objetivo

Investigar y analizar el funcionamiento de las torres de enfriamiento, sobre su principal uso, sus componen-tes, condiciones de proceso y también de cómo se dise-ñan.



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3. Marco Teorico

Las torres de enfriamiento son intercambiadores de ca-lor que enfrían agua por medio de la evaporación. Este tipo de enfriadores se utiliza principalmente en los condensadores industriales. Las torres de enfriamiento son usadas cuando los rangos de enfriamiento son ba-jos, generalmente entre 5 y 25ºC.

La temperatura mínima que se puede alcanzar con una torre de enfriamiento es la temperatura de bulbo húme-do del aire circundante

En la torre de tiro inducido el agua caliente proce-dente de la refrigeración se deja caer por el interior de la torre mediante un sistema de distribución de agua, que debe caer uniformemente sobre el relleno. En la parte superior hay unos ventiladores que hacen que el aire circule a contracorriente del agua. El fenó-meno de cesión de calor se debe a que al entrar en contacto el agua caliente con el aire se forma una pe-lícula de aire húmedo alrededor de cada gota. El agua que pasa al aire, y por tanto se evapora, extrae el calor necesario para la evaporación del propio líquido y produce por tanto un enfriamiento del mismo. Por la parte superior sale el aire húmedo, visible si las condiciones ambientales dificultan la dispersión de este vapor en el aire (frío intenso o humedad relativa alta). Este vapor visible se denomina penacho o pluma, y aunque es vapor de agua (más que vapor es niebla, es decir gotas finas de agua) y por tanto no es contami-nante, tiene cierto impacto visual.

Una de las principales ventajas de este tipo de torre es que puede ser bastante baja, disminuyendo así la energía requerida para el bombeo de agua a las partes altas de la torre.



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Componentes de la Torre de Enfriamiento por Tiro Indu-cido

Los elementos que compone una torre de refrigeración son prácticamente los mismos para las de tipo forzado e inducido con la diferencia de que los ventiladores se ubican se ubican en la parte superior de la Torre.

Equipo Mecánico Conformado por una estructura para el ventilador, un motor, un reductor de velocidad, un ventilador de aspas de diferentes tipos y materiales, una flecha de transmisión y bujes reductores de vibra-ción entre otros componentes.



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Estructura del Ventila-dor

Motor Eléctrico

Aspas del Ventilador

Reductor de Velocidad

Bujes (amortiguadores)



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Flecha de Transmisión

Rociadores: Se encuentran en la parte superior de la torre y permiten que el agua caliente ingrese a la to-rre en forma de gotas para aumentar su superficie de contacto.

Rociadores Tipo Bo-quilla

Rociadores de Tipo Boquilla y Tobera

Rociadores Tipo Es-prea



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Rociadores Tipo As-persor

Empaquetadura: La empaquetadura es una estructura que se encuentra en el interior de la torre y puede ser metálica, plástica o de madera.

Los Tipos de Empaques presentes generalmente en las torres de Enfriamiento son:Su función es obligar a que el agua que cae en forma de gotas permanezca la mayor cantidad de tiempo dentro del cuerpo de la torre, a fin de garantizar una óptima transferencia de calor.Así también ayuda a que el flujo de aire se distribuya uniformemente en el interior del cuerpo.

Empaquetadora de Madera – Plastico – Metalico

Eliminadores de Acarreo o Roció: Es una estructura ubicada en la parte superior de la torre y tiene la finalidad de evitar que las gotas pequeñas sean arras-tradas por la corriente de aire fuera del sistema.

Eliminadores de Rocio



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Reservorio: Se encuentra en el fondo de la torre y es un tanque en el cual se recoge el agua enfriada para regresar nuevamente al sistema.

Tubería de restitución del agua: Conforme se produce la evaporación del agua es necesario ir restituyéndo-la, para este propósito existe una tubería que mantie-ne el nivel del reservorio constante.

Se puede apreciar un corte de una torre de enfriamien-to típica y los diagramas de tubería del reservorio.

Tuberia de Entrada de Agua a la Torre

Tuberia para Aspersion de Agua

Escalera de acceso. La escalera de acceso permite fá-cil inspección y mantenimiento, además de estar com-puesta normalmente del mismo material de la estructura de la torre, puede ser en fibra de vidrio reforzada con resina poliéster o en madera tratada químicamente.

Funciones de las diferentes partes de la Torre por Tiro Inducido

Separador de gotas: El separador de gotas tiene la fi-nalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la dirección (60 grados es la más efectiva) del aire al salir. Esta variación provoca que el agua arrastrada se deposite



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sobre la superficie del separador de gotas, cayendo posteriormente al relleno. La existencia del separador tiene tres ventajas:

1. La reducción de pérdidas de agua.2. Evitar daños en el entorno de la torre, y sobre todo si el agua de torre es agua salada.3. Limitar la formación de neblinas.

Sistema de distribución de agua a enfriar: Este siste-ma de tuberías y conducciones tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos de reparto: por gravedad o por presión. En el primero el agua caliente cae so-bre el relleno por su propio peso. Su funcionamiento consiste en llevar hasta una balsa colocada sobre el relleno el agua caliente y una vez allí se reparte por unos canales que dejan caer el agua por gravedad sobre unas piezas en forma de herradura que sirven de enlace entre los canales y el relleno. En el segundo, la tu-bería que contiene el agua con cierta presión (sumi-nistrada por las bombas de impulsión del circuito de refrigeración) se conduce por tuberías hasta unos as-persores, que rocían el relleno con pequeñas gotas.

Relleno: Tiene una vital importancia para el intercam-bio de calor ya que debe proporcionar:1. Una superficie de intercambio lo más grande posible entre el agua que cae y el aire que asciende.2. Retardar el tiempo de caída del agua, asegurando una mayor duración del proceso de intercambio.Las características de un relleno deben ser:1. Se debe de realizar con un material de bajo coste debido a la cantidad que se emplea, y debe ser de fá-cil colocación.2. La superficie del mismo debe ser la mayor posible en relación con su volumen.3. Su diseño debe permitir fácilmente el paso del aire entre él, de forma que ofrezca la menor resistencia y perdida de carga. Así mismo debe distribuir uniforme-mente el aire y el agua.4. Debe ser resistente al deterioro ambiental, químico y térmico y debe ser fácil de limpiar.

Ventiladores: Estos equipos trabajan en condiciones duras, debido a que están continuamente en funciona-miento, en un clima de elevada humedad y temperatura. Son los encargados de crear el flujo de aire. El equi-po completo se compone de motor, transmisión y aspas.



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Los motores de las torres de refrigeración deben de estar convenientemente protegidos de la humedad (pro-tección IP55 o IP65 contra polvo y chorros de agua), y de la atmósfera contaminada por los aditivos del agua. Suelen llevar un aislamiento de tipo B (aislado para temperaturas de hasta 120 grados) o F (aislado para temperaturas de hasta 140 grados), y siempre que es posible el motor se coloca resguardado de las corrien-tes de aire caliente y saturado, mediante su corres-pondiente sistema de transmisión. Existen diferentes sistemas de transmisión dependiendo de las necesidades de construcción (cardan, acoplamientos flexibles y re-ductores).

Las aspas suelen ser de plástico o aluminio, por su ligereza y resistencia a la corrosión. El número de aspas influye directamente sobre la presión que se ejerce en ellas: a mayor número de aspas menor presión se ejerce en ellas.

Bombas de impulsión: Las bombas se utilizan para que el agua ya enfriada alcance presión suficiente como para llegar a los diferentes elementos a enfriar y posteriormente subir el agua ya calentada a la parte superior de la torre, cerrando el circuito. El conjun-to de bombas deben cumplir con los requerimientos de la instalación (caudal y altura manométrica).

Balsa: Situada en la parte inferior de la torre, es el depósito de agua fría de la torre.

Sistema de agua de aporte: La evaporación de agua en la torre provoca una disminución del volumen de agua en ésta. Por otro lado, la concentración de sales en el agua se controla con un régimen de purgas adecuado. La evaporación y las purgas hacen que sea necesario el aporte constante de agua.


http://www.atmosferis.com/wp-content/uploads/2011/10/ventilador-flujo-radial.jpg


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El motor y el ventilador van unidos entre sí por medio de dos acoplamientos y un eje intermedio.El sistema de control incluye el dispositivo de re-gulación con variador de velocidad y los sensores adecuados para controlar de forma continua las tem-peraturas de salida de la torre para obtener el pun-to óptimo de trabajo.

En caso de que se mantenga la temperatura en los niveles programados el variador de velocidad va al modo “sleep” o reposo donde mantiene los ventilado-res en una condición de mínimo consumo o deteni-dos totalmente garantizando el máximo ahorro de la energía eléctrica consumida.



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Vistas del Interior una Torre de Enfriamiento por tiro Inducido, Equipos y las líneas y válvulas de Entrada y Salida



14Torre de Tiro Inducido


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Estas torres se clasifican según el flujo de aire en 2 Tipos

A) Flujo en Contra – CorrienteB) Flujo Cruzado

Torres de enfriamiento de tiro Inducido de Flujo en Contra – corrienteEste tipo de torre, tiene un extractor situado en la parte superior de la unidad, el cual succiona el aire verticalmente a través de la zona empaquetada y lo ex-pulse a alta velocidadLa principal ventaja de estas torres está en que el agua fría en la parte inferior se pone en contacto con el aire que entra (baja humedad relativa) y el agua caliente que entra, se pone en contacto con el aire



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húmedo que sale. En estos equipos la recirculación rara vez es un problema puesto que el aire saturado es expulsado a alta velocidad, de manera que se proyecta hacia arriba, lejos de las lumbreras de admisión de la torre y de esta manera sea arrastrada por las corrien-tes naturales de aire que evitan su asentamiento pos-terior. Sim embargo, las torres de este tipo presentan una caída de presion en la toma de aire del extractor, lo que produce un aumento de los requerimientos tota-les de energía y además la alta velocidad de descarga del extractor produce algo de perdidas de agua por go-tas que son arrastradas por la corriente de aire a través de la unidad.

Entre las características de diseño para las torres de este tipo se tiene:

La velocidad del aire esta en el rango de 4 a 7 PPS (G’s=1200 a 2100 lb/(h)(pie2)

El cabezal de bombea varia de 11 a 50 pies El flujo de agua en la materia de las torres de

enfriamiento de este tipo está limitada hasta 6 galones/(minuto)(pie2) – (L’=500 a 3000 lb/(h)(pie2)

La caída de presion a través de la unidad es or-dinariamente menor que una pulgada de agua

Torres de enfriamiento de tiro Inducido de Flujo Cru-zado

En este tipo de torres, el aire fluje horizontalmente mientras que el agua cae a través de empaquetaduras.Las unidades mas usadas en la Industria son de doble flujo, en este tipo, al extractor esta localizado en la parte superior de una cámara de succión central que tiene a ambos lados, las respectivas celdas de enfria-miento. Los separadores de gotas se disponen de tal forma para que desvíen el flujo de aire accionado por el extractor hacia arriba, puesto que como hay menor resistencia al flujo de aire, las perdidas por arras-tre son menores. Estos diseños permiten la construc-ción de aparatos de baja altura y en consecuencia bajo cabezal de bombeo, por estas razones se están utili-zando mucho últimamente.



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4. Conclusiones

El agua caliente que llega a la torre puede distri-buirse por boquillas aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios.

El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.

Existen tres formas distintas de realizar el reparto de agua a través del relleno: por salpicadura o goteo, de película o laminares y de tipo mixto. Cada uno tie-ne sus inconvenientes y sus ventajas por lo que se tiende a utilizar cada tipo de relleno dependiendo de las características de uso y diseño de la torre. Los más habituales son los de película o laminados. Este relleno distribuye el agua en una fina película que fluye por su superficie y por consiguiente pone una gran superficie de agua en contacto con la corriente de aire. La película de agua debe de ser muy delgada y cubrir la mayor superficie posible del relleno, y debe procurarse que el agua descienda adherida a la super-ficie del relleno evitando que la corriente del aire separe el agua del relleno. Para conseguir estos obje-tivos se realiza grupos de láminas onduladas de PVC o PP colocadas de forma paralela y a cierta distancia formando cubos para favorecer su apilado.

BENEFICIOS

1. Ahorros de energía eléctrica superiores al 40 %

2. Tiempos de recuperación de la inversión entre uno y dos años.

3. Obtención de beneficios añadidos por el efecto de la disminución del arrastre de impurezas que ero-sionan las aletas de los intercambiadores en el condensador.

4. Es posible la integración total a los sistemas au-tomatizados de supervisión y control de las insta-laciones.



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5. Recomendaciones

Los rodetes van apoyados en los cojinetes. Con el fin de absorber los esfuerzos axiales, va dispuesto un co-jinete de empuje. Este cojinete va encerrado en un cuerpo de fundición y recibe constantemente aceite para su lubricación. Existen mirillas para poder ver los diferentes niveles de aceite en cojinetes y partes móviles.

Los álabes se regulan mediante un control hidráulico, tanto si están parados como en funcionamiento. Dicho movimiento puede regular el caudal de gases de combus-tión en función de su posición, de esta manera se pue-de jugar con la potencia y con la posición de los ála-bes en función de la demanda de carga.

Aparte de la lubricación y refrigeración de los coji-netes desde su sistema de aceite, el recinto que rodea este cojinete principal dispone de una refrigeración adicional mediante aire.

A ambos lados, se colocan unos compensadores con el fin de no transmitir las vibraciones del ventilador a las tuberías de los lados de aspiración y de presión.

Un número mayor de aspas supone facilidades para un óptimo equilibrado, para evitar posibles problemas de vibraciones (se recomienda cada tres o cuatro años un equilibrado del ventilador debido a la posible erosión de las aspas, corrosión o a la deposición de sucie-dad). Se puede variar el ángulo de ataque en parada de éstas, fácilmente.

El control de la velocidad de los ventiladores de las torres de enfriamiento y condensadores evaporati-vos resulta una aplicación sumamente beneficiosa en términos de ahorro de energía por el efecto de la re-ducción de velocidad de los motores en función de la temperatura de salida del agua que se suministra para el enfriamiento de los chillers.



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6. Bibliografia

1. FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Sec-ond Edition, Chapter 15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980

2. [2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag, Fundamentos de Termodinámica, (19º edición, México, editorial Limusa, 1995), pp. 461

3. Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GAR-CIA & GABRIEL TOJO BERREIRO

4. Torres de refrigeración, Manuales técnicos y de in-ducción para conservación de energía, Centro de estu-dios de la energía Madrid esp, 1983. 177p.

5. “Cooling Water Calculations”, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical Engineering, Agosto 1, 1977

6. Manual del ingeniero químico, tomo 1. John H. Perr-yEd. Hisopanoamericano 3 ed.



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Anexos

Conceptos Teóricos.

Humidificacion

Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua, sin embargo las siguientes consideraciones se harán para cualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor.Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de los gases ideales, la presión ejercida por la mezcla será igual a la suma de la presión parcial del gas y la del vapor

En estas condiciones la fracción molar del vapor es

La fracción molar es igual a la composición en volumen. Para expresar la concentración del vapor en el gas se em-plean diversos términos que se definen enseguida.

Humedad molar o saturación molar

Es la relación entre los números de moles de vapor de y de gas contenidos en una masa gaseosa.

Humedad absoluta o saturación absoluta

Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas con-tenido en una masa gaseosa.

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.

Humedad relativa o saturación relativa



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Es el cociente entre la presión parcial del vapor y la ten-sión de vapor a la misma temperatura.

Humedad porcentual o saturación porcentual

Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseo-sa y la que existiría si estuviera saturada.

Punto de rocío

Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se continúa enfriando la mezcla se irá condensando el vapor, persistiendo las condi-ciones de saturación.

Volumen especifico del gas húmedo

Es el volumen ocupado por la mezcla que contiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

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

Calor específico del gas húmedo

Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y al va-por que contiene para elevar 1ºC su temperatura, mantenien-do constante la presión:



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Para el caso de aire-vapor de agua

Entalpía especifica

Es la suma de calor sensible de 1 Kg de gas, y el calor la-tente de vaporización del vapor que contiene a la misma temperatura a la que se refieren las entalpías.

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, la entalpía específica se calcula de la siguiente forma:

Temperatura húmeda o temperatura de bulbo húmedo

Es la temperatura límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto con una masa mucho ma-yor de gas húmedo.La determinación de esta temperatura se efectúa pasando con rapidez el gas por un termómetro cuyo bulbo se mantiene hú-medo con el líquido que forma el vapor en la corriente ga-seosa. Por lo general el bulbo del termómetro se envuelve en una mecha saturada. Durante este proceso si el gas no está saturado, se evapora algo de líquido de la mecha satu-rada hacia la corriente gaseosa en movimiento, llevándose el calor latente asociado. La eliminación de calor latente da lugar a una disminución en la temperatura del bulbo del termómetro y la mecha, produciéndose una transferencia de calor sensible hacia la superficie de la mecha por convec-ción desde la corriente gaseosa y por radiación desde los alrededores. La temperatura de bulbo húmedo es la que se obtiene ha estado estable con un termómetro expuesto a un gas que se mueve con rapidez.

Puede determinarse con alguna de las siguientes relaciones:



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Donde:

pw* = tensión de vapor del líquido a la temperatura húmedapv = presión parcial del vapor en el gashc = coeficiente de convección líquido-gaskG = coeficiente de transporte de materia, tomando como po-tencial de difusión la presión de vaporky = coeficiente de transporte de materia, tomando como po-tencial de difusión la saturación absoluta

Mv = masa molecular del vaporλW = calor latente de vaporización del líquido a la tempe-ratura húmedat = temperatura de la masa gaseosatw = temperatura húmedaYw= humedad absoluta de saturación a la temperatura húmedaY = humedad absoluta de la masa gaseosa

Temperatura de saturación adiabática

Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas.

Ys = humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabatica.ts= temperatura de saturación adiabatica.λs= calor latente de vaporización del líquido a ts.C= calor especifico de la masa húmeda.Y = humedad absoluta de la masa gaseosa.t = temperatura de la masa gaseosa.

Todos estos conceptos y ecuaciones se conjugan para poder realizar una operación en una torre de enfriamiento y nos ayuda a comprender su operación y funcionamiento, así como también predecir datos y experimentar cosas nuevas.

Diagrama psicrométrico



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Es una representación gráfica de las ecuaciones analíticas indicadas anteriormente.

Enseguida se muestra la figura , un diagrama psicrométrico el cual nos permitirá explicar las ecuaciones anteriores. Este diagrama es para las mezclas de aire y vapor de agua a una atmosfera de presión:


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