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 pequeña 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.

Una torre de refrigeración es un intercambiador de calor de tipo evaporativo y contacto directo. Se produce paso de calor de un fluido a otro; el enfriamiento (un 90%) 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, plástico, fibra, cemento) que mejora el contacto y favorece el intercambio de masa y calor. Otros componentes importantes de una torre de enfriamiento son:

Sistema de distribución del agua, para repartir uniformemente el agua caliente sobre el relleno. Se emplean tuberías con toberas de presión para pulverizar el agua.

Separador 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. Balsas para la recogida del agua fría. Todo soportado sobre estructuras construidas de hormigón armado, ladrillos, poliéster.

Condiciones de proceso

La temperatura mínima a la que el agua puede enfriarse en una torre de enfriamiento corresponde a la temperatura de bulbo húmedo del aire. La diferencia entre la temperatura de agua a la salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo se llama aproximación.

Una 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 generales

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

Ym=nvng (1)

Humedad absoluta o saturación absoluta. Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.

Y=MvMg

Ym (2)

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y del gas.

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 condiciones de saturación.

Figura Nº 2 Líneas de temperatura de punto de rocío º C.

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

Temperatura de Bulbo 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.

Temperatura húmeda o temperatura de bulbo húmedo

La temperatura del termómetro húmedo es la temperatura de no equilibrio que para estado estacionario alcanza una pequeña masa de líquido cuando se encuentra sumergido, en condiciones adiabáticas, en una corriente continua de gas. La masa del líquido es tan pequeña en comparación con la fase gaseosa que solamente hay una variación despreciable de las propiedades del gas, y el efecto del proceso está restringido al líquido.

Calor específico del gas húmedo. Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1ºC su temperatura, manteniendo constante la presión:

Cálculos para operaciones de humidificación

L2 = velocidad de flujo del liquido que entra a la columna por el domo, lb mol/h o mol/s.V1= velocidad de flujo de la fase gaseosa que entra a la columna, lb mol/h o mol/s.V’ = velocidad de flujo del gas “seco”, lb mol/h o mol/s.Y2 = relación molar de soluto a gas disolvente, en el domo de la columna.HV1 = entalpia de la fase gaseosa que entra a la columna, BTU/lb mol de gas “seco” o J/mol.HL2 = entalpia de la fase líquida que entra al domo de la columna BTU/lb mol de líquido o J/mol.q = calor transferido a la columna desde los alrededores, BTU/h o J/s.TL, TV = temperatura de las fases líquida y gaseosa respectivamente.dz = altura diferencial del empaque de la columna, ft o m.A = superficie interfacial, ft2 o m2.a = área de la interfase, ft2/ft3 de volumen de columna.S = sección transversal de la torre, ft2 o m2.

El balance total de materia para una torre de sección transversal constante es el siguiente:L1−L2=V 1−V 2

Para el componente condensable:V ' (Y 2−Y 1)=L2−L1

El balance de energía resulta:L2H L2+V ' HV 1+q=L1H L1+V ' HV 2

En la mayoría de los casos la torre opera en forma casi adiabática q = 0. La aproximación a la operación adiabática será mayor a medida que el diámetro de la columna sea más grande. El balance para el componente condensable resulta

V ' dY=dL

El balance de entalpia correspondiente esV ' dH v=d (LH L )Si 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 expresar el cambio de entalpia en la fase líquida como si resultara solamente del cambio de temperatura a calor específico constante. Por tanto,

d (LH L )=Lpromc LdT LLprom=

L1+L2

2Para el cambio de entalpia de la fase gaseosa, la expresión en términos de temperatura es rigurosa cuando ch es constante.

V ' dH v=V ' d [ch (T v−To )+Yλo ]=V ' chdT v+V ' λ odY

Para la transferencia de calor de la fase liquida

LpromSc LdT L=hLa (T L−T i )dz

Donde Ti = temperatura interfacial, ºF, ºC.

Para la transferencia de calor sensible de la fase gaseosa,

V 'SchdT v=hc a (T i−T v ) dz

y para la transferencia de calor latente de la fase gaseosa,V 'S

( λo )dY=( λo )k Y a (Y 1−Y )dz

Donde Y1 = relación molar de la fase gaseosa de soluto a disolvente en la interfase.KY = constante de transferencia de masa

λo= calor latente

Ecuaciones de diseño

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.

HV 2−HV 1

T L2−T L1=LpromcLV '

Esta ecuación da la misma pendiente de la línea de operación HV contra TL que LpromcL/V’.La siguiente figura muestra uno de estos diagramas para una operación de humidificación.

La línea ABC es la línea de operación que contiene todos los valores de HV correspondientes a la temperatura del líquido, a través de la columna. También se puede obtener esta línea conociendo las dos condiciones extremas (TL1, HV1) y (TL2, HV2), o a partir de cualquiera de estos dos puntos y la pendiente (LpromcL/V’). Una línea de unión que empieza en el punto B y tiene una pendiente igual a –hLa/kYa interceptara la curva de equilibrio en las condiciones interfaciales correspondientes en el punto B. El punto 1 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 cálculo de la humedad y temperatura de bulbo seco del aire caliente. Por lo general, el aire estará casi saturado; puede suponerse que lo está, con el fin de calcular las necesidades para la compensación. Los cambios de la temperatura – humedad del aire sufren cuando pasa a través de la torre, se puede calcular por método grafico H (entalpia de la mezcla gas-vapor/masa de aire seco) vs T (temperatura del líquido).

Si la resistencia de la fase liquida a la transferencia de calor es muy pequeña 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 -hLa/kYa tiende a -∞ y el punto I de la figura anterior se aproxima al equivalente del equilibrio de B ubicado en el punto D.

Número de unidades de difusión

nd=∫cLdT

(H i−HV )=kY a

ZL

Dónde: CL= 1 =para el aguaZ= altura de la torre (m)L = velocidad promedio del líquido lb mol/h o mol/s.

Número de unidades de transferencia

nt=∫ dH(H i−HV )

=(kY a)ZG s '

Determinación de la temperatura global de la fase gaseosa

Para determinar la gráfica de la fase gaseosa, Mickley desarrollo un método gráfico. Dividiendo la ecuación:V 'SchdT v=hc a (T i−T v ) dz

Entre:V 'SdHV=kY a (H i−HV ) dz

Se obtiene:

V ' chdTVV ' dHV

=hca (T i−T v )dzk Y a (H i−HV )dz

Por la relación de Lewis hca/kYach = 1, y en consecuenciadT VdHV

=T i−T VH i−HV

≈ΔT VΔH V

Si se conocen las condiciones de la fase gaseosa en cada extremo 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.

DETALLES EXPERIMENTALES

Materiales

Termómetros Psicómetro Cinta métrica o Huincha Torre de enfriamiento Caldera Intercambiador de calor Probetas

Procedimiento Experimental

P o n e r e n fu n c io n a m ie n to e l e q u ip o d e t r a n s fe r e n c ia d e c a lo r (c a ld e r o e in t e r c a m b ia d o r d e c a lo r ) q u e e s la fu e n t e d e l a g u a c a l ie n t e p a r a la o p e r a c ió n

C o n e l r o t á m e t r o r e g u la r e l c a u d a l d e l a g u a c a lie n t e p a r a e l fl u jo d e 2 0 , 4 0 y 7 0 L M P

E n c e n d e r e l v e n ti la d o r c o n u n a f r e c u e n c ia d e 3 0 H z y lu e g o a 4 0 H z

T o m a r d a t o s d e la s t e m p e r a t u r a s a la e n t r a d a y s a lid a d e l a g u a

T o m a r d a t o s d e t e m p e r a t u r a d e l b u lb o h ú m e d o y s e c o p a r a e l a ir e h ú m e d o a la e n t ra d a y s a l id a d e la t o r r e . (R e p e ti r lo m is m o p a r a c a d a c a u d a l y p a r a la s d o s f r e c e n c ia s t r a ja d a s )