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Práctica N°3 Torre de enfriamientoDeterminación del perfil de temperatura de una Torre
de Enfriamiento para el Sistema Aire-Agua.Rodríguez Rafael C.I. 15.386.716
Área de Tecnología, Programa de Ingeniería Química. Prof. Alejandro Proaño. Laboratorio de Operaciones Unitarias III, sección ..,
[email protected].,...
Resumen: La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa, Para facilitar el contacto de las fases en la torre se utilizan rellenos. En esta práctica se estudian las Operaciones de Humidificación en una Torre de Enfriamiento para determinar el perfil de temperatura, los balances de masa y energía así como la línea de operación del sistema Aire – Agua. Para el análisis de los resultados fue necesario determinar la cantidad de líquido que entra al sistema y el arrastrado por el aire, el calor intercambiado, construir la curva de operación y de equilibrio para lograr observar el manejo de la torre.
1. INTRODUCCION
La humidificación implica transferencia de materia entre una fase liquida pura y un gas permanentemente, que es casi insoluble en el liquido, por lo que normalmente al hablar de esta operación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua, ocurriendo de manera simultánea la transferencia de masa y de calor.
Para llevar a cabo la humidificación debe prepararse el aire al menos con el conocimiento de la temperatura y la humedad.
Todo lo explicado anteriormente permite conocer el principio básico de una torre de enfriamiento, donde un liquido caliente se pone en contacto con un gas no saturado, y la transferencia de calor latente y calor sensible permiten enfriar el agua; esto se lleva realiza mediante el uso de rejillas de muescas, entonces el aire circula a través de las tuberías
mediante ventiladores de corriente de aire forzada.
Durante el desarrollo de la práctica se evaluará el perfil de temperatura de una torre de enfriamiento para el sistema aire-agua a través de la determinación de los balances de masa y calor del sistema, además de los intervalos de temperatura y humedad.
2. DATOS EXPERIMENTALES
Tabla N°1: Temperaturas de Bulbo seco y húmedo en la entrada y salida, y temperatura de entrada y salida de agua y datos adicionales.
Prueba 1 2 3Tipo de
empaque instalado
Densidad del empaque,
1/mT1 ºC 27.2 27 27.6T2 ºC 21.5 21.8 22.4T3 ºC 27.1 26.8 26.9T4 ºC 27 26.8 26.9T5 ºC 33.7 32.8 33T6 ºC 26.7 26.5 26.3
Temperatura del agua
make-up, (se supone
temperatura ambiente T1,
ºC)
27.2 26.5
Presión diferencial,
mmH2O16
Tasa de flujo de agua mw,
g/s40
Carga de calentamiento
Q, KW1
Cantidad de agua en el
make-up, kg3000ml
Intervalo de tiempo total,
s5min 10mi
n15min
3.RESULTADO EXPERIMENTALES
Tabla N° 2: Propiedades de aire a la entrada de la columna.
60 KJ/Kg de aire seco
0.0135Kg agua/Kg aire seco
Tabla N°3: Propiedades del aire a la salida de la columna
82 KJ/Kg de aire seco
0.022 Kg agua/Kg aire seco
0,88 m3/Kg de aire seco
Tabla N°4: Flujo de masa de aire seco que sale de la columna, masa transferida, velocidad del flujo de masa en el tanque, flujo de masa de
aire por área, flujo de masa de agua por área.
0,058 Kg/s4.99 e -4 Kg/s
2.17 e- 3 Kg/segFlujo de masa
de aire por 0 ,0703Kg
m2∗s
Flujo de masa de agua por área 2.614 e−3
Kg
m2∗s
Tabla N°5: calor absorbido por el aire, calor cedido por el agua y calos intercambiado por el sistema.
1.285 KJ/ seg
-1,099KJ/seg
-2.384 KJ/s
Tabla N°6: Rango de enfriamiento y aproximación de Bulbo Húmedo
Rango de enfriamiento
Aproximación de bulbo húmedo
Tabla nº7: curva de equilibrio y recta operación
Y (Entalpias) X (T asumidas)
10 018 530 1042 1550 20
76,5 25100 30
128,5 35
4. GRAFICOS.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con una humedad de entrada y salida de aire leídas en las cartas psicrométricas. Para Y1=0.0135 y para Y2=0.022 obtenidas utilizando las temperaturas Tv1=27.2°C y Tv2= 21.9°C y las Tv3=26.9°C y Tv4= 26.9°C respectivamente. Luego se calculo la masa transferida arrojando un valor de 0,000496Kg/seg.
Todo esto nos indica que la torre de enfriamiento es efectiva ya que se dieron buenos resultados con respecto a los objetivos planteados además que se puede observar por medio de la grafica que el proceso realizado es una humidificación ya que la línea de operación está ubicada por debajo de curva de operación que si se compara con la teoría se puede observar que el proceso de humidificación se cumplió ya que en la grafica se observa claramente el comportamiento de la línea de operación que sería el mismo que para el proceso de desorción.
El Rango de enfriamiento que se obtuvo en el proceso fue de (6,66ºC). Con estos valores se evidencia una alta transferencia de
energía, ya que a lo largo de la torre se observó intervalos de temperaturas altas suministradas en el laboratorio. Estos resultados corrobora el fundamento de la operación de enfriamiento, ya que cuando un líquido caliente se coloca en contacto con un gas no saturado, parte del líquido se vaporiza. La temperatura del líquido disminuye debido, principalmente, al calor latente de evaporación.
Gracias al balance de energía se pudo obtener los valores de calor absorbido por el aire = 1.285 KJ/seg, calor cedido por el agua qL = -1.09KJ/seg, calor intercambiado por el sistema qS = -2.38 KJ/seg. La entalpías del fondo y tope de la torre fueron determinadas a partir de las temperaturas de entrada y salida del aire mediante las cartas psicrométricas, resultando para el fondo de la torre una entalpía de Hv1 = 82 KJ/Kg (aire seco) y para el tope de la torre una entalpía de Hv2 = 65 KJ/Kg (aire seco). Con estos valores de entalpía y las temperatura de entrada y salida del liquido se graficó la línea de operación del sistema.
Utilizando la grafica del sistema se comprueba que existe una humidificación y también utilizando el método de Simpson calculamos el área bajo la curva lo que se traduce en Ntog o número de unidades de transferencia que fue de 3.41 un valor excelente que se encuentra en lo establecido por la bibliografía ya que estos se encuentran en los rangos óptimos de operación de 0 a 4 unidades respectivamente.
Finalmente con este valor y la altura real determinamos el valor de altura de unidades de transferencia que es de 0.14m.
6. CONCLUSIONES
Se logro determinar por medio de los balances de masa y energía realizados al sistema estudiado que en la torre ocurre una mínima transferencia de masa y calor.
En una torre de humidificación o de enfriamiento de agua, al aumentar el caudal de gas aumentamos el coeficiente de transferencia de materia, por lo que estamos favoreciendo la humidificación del gas.
El proceso realizado en la torre es de humidificación, ya que la línea de operación está ubicada por debajo de curva de operación.
La Torre de Enfriamiento tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PERRY, R. Manual del Ingeniero Químico. Editorial Mc Graw Hill, 6ta Edición. Tomo IV. (Pág. 13-79)
Treybal, R. 1988. Operaciones de Transferencia de Masa. 2ª ed. McGraw-Hill: México
8. APENDICE
BALANCE DE MASA
Las siguientes propiedades se determinaron utilizando la carta psicométrica:
A la temperatura de bulbo seco promedio (entrada) de 27.2°C y a la temperatura de bulbo húmedo promedio (entrada) de 21.9 °C.
HA=Entalpía específica del aire en la entrada de la base de la columna
HA=60KjKg
YA =Humedad específica del aire en la entrada de la base de la columna
YA= 0.0135 Kg h2O/Kg aire seco
HB=Entalpía específica del aire a la salida por la parte superior de la columna
HB= 82 KJ/Kg de aire seco
YB= Humedad específica del aire a la salida por la parte superior de la columna
YB= 0.022 Kg de H2O/Kg aire seco
VB= Volumen específico del aire a la salida por la parte superior de la columna
VB= 0,88 m3/Kg de aire seco
Flujo másico del aire seco que sale de la columna
mB=0,0137 ×√ ∆ PV B
mB=0,0137 ×√ 16 mmH 2O
0,88m3
kg
mB=0,05841KgS
Masa transferida por unidad de tiempo
mt=mB × (Y 2−Y 1 )
mt=0,05841× (0.022−0.0135 )
mt=4.96∗10−4KgS
Velocidad del flujo de masa en el tanque de almacenamiento.
mE=mE
t
mE=0,17m ×π∗(0,07 )2
4×997,1
Kgm3
mE=0,6523
mE=0,6523
300KgS
=2.17∗10−3
Flujo de la masa de aire por unidad de área
maire=mb
Acolumna
maire=0,05841
KgS
0,83m2 =0,0703Kg
m2× S
Flujo de la masa de agua por unidad de área.
mH2O=2.17∗10−3 Kg
S
0,83 m2 =2.614∗10−3Kg
m2 × S
BALANCE DE ENERGÍA
Calor absorbido por el aire
qv=mB × ( HB−H A )qv=0,05841
KgS
× (82−60 ) KjKg
qv=1.285KjS
Calor cedido por el agua
qL=Lpromedio∗Cppromedio∗(T 6−T 5 )
La=QH 2 O−mt
La=0,040−4.96∗10−4KgS
La=0,0395KgS
Lpromedio=LA +LB
2
Lpromedio=0,0395+0,04
2KgS
Lpromedio=0,03975KgS
T 5=(33.7+32.8+33 )
3=33.16
T 6=(26.7+26.5+26.3 )
3=26.5
qL=0,0395KgS
∗4,18Kj
Kg∗° C∗(26.5−33.16 ) °C
qL=−1,099KjS
Calor intercambiado por el sistema
qS=qL−qV
qS=(−1,099−1.285 ) KjS
qS=−2.384KjS
Unidades de Transferencia
NTOG=∫HG1
HG2
dHGHG¿−HG
Aplicando la ecuación de Simpson con n= 5
h=120−805
h=8
HG’ HG* HG*-HG’ ( HG*-HG’)
75 80 5 0.2
83 90 7 0.14
91 100 9 0.111
99 110 11 0.0909
107 130 23 0.0434
Resolviendo Simpson para cada uno de los pasos se obtuvo NTOG = 3.41
Altura teórica de la torre
Z= NTOG * HTOG
HTOG= 0,48m / 3.41 HTOG= 0,1407 m
Cálculo del Rango de Enfriamiento
R=T 5−T 6
R=(33.16−26.5)° CR=6.66 °C
Cálculo de la Aproximación a la Temperatura de Bulbo Húmedo
ATBH=T 6−T 2
ATBH=(26.5−21.9)° C
ATBH=4.6