FACULTAD DE QUIMICA, INGENIERIA QUIMICA E ING. AGROINDUSTRIAL LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA IITorre de enfriamiento PROFESOR: ING. CESARIO CONDORHUAMAN GRUPO A: CORNEJO YANAC, VERONICA00981175 JIMENEZ MAYANGA, SEHILA 07070080 QUEZADA VALUIS, LISETH 07070089 NAVARRETE REMICIO, CINTHYA07070142 VILA FABIAN, JACKELINE 06070131 JULIO DEL 2011 1 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO T TA AB BL LA A D DE E C CO ON NT TE EN NI ID DO O N N0 0 P PA AG G. . RESUMEN2 INTRODUCCIN3 FUNDAMENTO TERICOS4 DETALLES EXPERIMENTALES14 TABULACIN DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES15 ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS20 CONCLUSIONES21 RECOMENDACIONES21 BIBLIOGRAFA22 APENDICE: 23 E Ej je em mp pl lo o d de e c c l lc cu ul lo os s23 G Gr raficos 34 2 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO RESUMEN Enlaprcticasedeterminelcoeficientevolumtricodetransferenciademasaycalorparael sistemaaire-agua;ascomotambinlaeficienciadelatorreatravsdelrendimientodebulbo hmedo. La experiencia se llev a cabo a una temperatura ambiental de 21C y 756mmHg de presin. Laprcticasellevaacaboenunatorredeenfriamientodetiroinducidoacontracorriente, comprendidos en un rango de caudales de agua que varan entre1.09 y 3.49 m3/h, para lo cual se obtuvounrangodeflujosdeairesecoquevaranentre104.64y1130.98kgaireseco/min, considerando un rango de temperaturas del agua de entrada que varan entre 42.9 y 46.4C.

Asimismoseobtuvouncoeficienteglobaldetransferenciademasaexperimentalycalculado comprendidoenunrangode0.1104y0.5007Kg-a.s/m3.s,obtenindoseunadesviacin comprendida en un rango de 5.70 y 18.46%. Se calcul adems que el porcentaje de agua evaporada varia en un rango de 1.61 y 1.96%. Se concluy que el flujo de aire es demasiado grande con respecto al flujo de agua que se emple. Finalmenteunarecomendacinimportanteesquepuedaregularseymedirseelflujodeaireque ingresa a la torre. Elobjetivodelsiguienteestudioesdeterminarelcoeficienteglobaldetransferenciademasa, relacionando tanto los flujos y temperatura tanto del aire y del agua. 3 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO INTRODUCCION La escasez de agua y la contaminacin, han hecho de las torres de enfriamiento una parte vital en las industrias de procesos asi como en las plantas de potencia, y estn destinadas a jugar un importante rol en muchas fases de la industria. Unatorrederefrigeracinesunainstalacinqueextraecalordelaguamedianteevaporacino conduccin.Lasindustriasutilizanaguaderefrigeracinparavariosprocesos.Comoresultado, existen distintos tipos de torres deenfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la produccin de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. Tambin hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraer desde ah para al proceso de produccin. Estaprcticasehahecho conelobjetivodeponernos encontacto con elprocesodetransferencia simultaneadecalorymasa,paracomprenderelproblemadediseoyevaluacindeunatorrede enfriamiento. La torre de enfriamiento seencuentra instalado en el laboratorio de operacionesunitarias, y enfria el agua del intercambiador de doble tubo. Los principales objetivos de este informe son: Elestudio de las variables de operacin comola temperatura y flujo de agua que intervienen en la operacindelatorredeenfriamiento.Astambinevaluarelcoeficientevolumtricode transferencia de masa y calor par el sistema aire-agua. Compararydeterminarlaeficienciadelatorreatravsdelrendimientodebulbohmedoy comprobar si la torre opera adecuadamente. 4 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO FUNDAMENTOS TEORICOS 1)Contacto directo de agua y aire: Unaconvencinaceptadaesquelafasegaseosaesseleccionadacomoelsistemayquelas proporcionesdetransferenciadecalorydemasasonpositivascuandosetransfierenhaciala fase gaseosa. Enunprocesodeenfriamientodeagua,elaguacalienteseponeencontacto conunamezcla enfriadoragas-vapor,dondelamasayelcalorsetransfierenhacialafasegaseosa.Como resultadodeesto,lossignosdelostrminosparalasfuerzasdirectorasylasproporcionesde transferencia son positivos, segn la convencin que se acaba de escribir. Enlosprocesosdehumidificacinodeshumidificacinlasrazonesdecambioylascantidades tantodelastransferenciasdecalorcomodemasasonsustanciales.Debenescribirse simultneamentealosbalancesdeentalpiayalasecuacionesdevelocidadparala transferenciadecalor,losbalancesdematerialesylasecuacionesparalavelocidadde transferencia de masa. Considerandounadiferencialdealtura,dZ,deunatorredetiroinducido,adiabticoen contracorriente, seccin transversal constante en que el aire y agua estn en contacto directo. El aire entra a la seccin con una masa de G libras de aire seco/horaxpie2 de seccin de torre a la temperatura tG a humedad HG y una entalpia iG. El agua entra a la seccin en una masa de L+dL lb/hrxpie2 de seccin de torre y una temperatura de tL+dtL. En la seccin, el agua y el aire intercambian masa y calor, y en margen ligeramente cambiada, se asume que en la interface agua aire el aire est saturado a la temperatura ti. El balance del componente lquido (agua) es: GdHG=dL(1) El balance correspondiente para la entalpia, a las fases combinados dar: GdiG=d(LiL)(2) Laecuacinrelacionalaentalpiadelaireconlaentalpiadelagua,comolaproporcinde transferencia de vapor de agua entre las fases, es pequea comparado con la corriente de flujo total,seconsideraqueLesconstanteyelcambiodeentalpiadelafaseliquida,puede expresarsecomoelresultadosolamentedelcambiodetemperaturaconuncalorespecifico constante. G(diG)=LCLdtL(3) 5 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Paraelcambiodeentalpiaenlafasegaseosa,laexpresinentrminosdetemperaturaes rigurosa, si CS es constante: G(diG)=GCSdtG+oGdHG(4) Elcalorsetransfieredeltotaldelafaseliquida,hacialainterfaceliquido-gascompletamente, comoresultadodelpotencialdetemperatura,perodesdelainterfacehastaeltotaldelafase gaseosa, el calor se transfiere mediante dos mecanismos. Enelladodelafasegaseosadelainterfacesetransfierecomoresultadodeunpotencialde temperatura, y el calor latente asociado a la transferencia de masa se transfiere como resultado deunaconcentracindefuerzadirectriz.Lascantidadesdecalortransferidomedianteestos mecanismos se expresan en los trminos de lado derecho de la ecuacin (4). Escribiendoseparadamentelasecuacionesparatransferenciadecalorindicadosenlaecs. (3)y(4). Para la transferencia de calor de la fase liquida o la interface liquido-gas: LCLdtL=hLaH(tL-ti)dZ(5) En donde ti=temperatura interfacial Paralatransferenciadecalorsensibledelainterfaceatravsdelaspartculadegasalafase gaseosa a tG: GCSdtG= hLaH(tL-ti)dZ(6) Para transferencia de agua entre fases: GdtG= kGaM(HL-Hi)dZ(7) En donde Hi es la humedad absoluta en la interface. Desarrollo desde la ecuacin de diseo: Lasecuacionesanteriorespuedensercombinadasas,reemplazandolasecuaciones(6)y(7)en la ecuacin (4): GdiG= hGaH(ti-tG)dZ +kGaM(Hi-HG) odZ (8) Esto es para la fase gaseosa. Separado kGaM, de la ecuacin e introduccin la relacin de Lewis:

GdiG= kGaM((CSti+oHi)-( CStG+oHG))dZ (9) 6 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Elconocimientodelarelacinentrelaentalpiaenlafasegaseosaprincipalyaquelladela interface,esnecesarioyseobtieneconsiderandoelprocesodetransferenciaenelladodel lquidodelainterface.Combinandolaecuacin(3)conlaproporcindetransferenciadel lquido, ecuacin (5) obtenemos: GdiG=hLaH(tL-ti)dZ(10) Combinando las 2 ecuaciones anteriores y asumiendo que aH=aM, se obtiene:

(11) Estaecuacinesfrecuentementellamadalalneadeuninyrepresentalarazndela velocidad relativa de transferencia de entalpia a travs de las fases gas y liquido. 2)Aplicacin del mtodo para torres de enfriamiento: Laprincipalaplicacindelmtododelpotencialentlpicoeseneldiseodetorresde enfriamiento. Considerando el diseo de una torre de enfriamiento de tiro forzado para el cual las siguientes cantidadessonespecificadas:temperatura,humedadyflujomsicodelaireentrante, temperatura de entrada y salida del agua, y el flujo msico del agua entrante y asumiendo que losvaloresdeloscoeficientesindividualessonconocidos,secalculalaalturadelatorrela temperatura y la humedad del aire de salida. Lacurvadeequilibriorepresentalaentalpiadelairesaturado-aguacomounafuncindela temperatura del aire. La lnea de operacin, relaciona la entalpia del aire a la temperatura de bulbo hmedo y la temperatura del agua, en la misma seccin cruzada horizontal de la torre. 3)Coeficientes individuales: Enunapruebaexperimentaldeunatorredeenfriamientoseobtienelossiguientesdatos: temperatura, humedad y flujo msico de las corrientes de agua y aire a la entrada y la salida, y la altura del empaque, Z, de la torre. El sistema estar operando bajo condiciones estables (estacionarias) y adiabticas. Estosdatosfijanlalneadeoperacinylastemperaturasdeentradaysalidadelairedel diagramadeentalpia temperatura,si seestimala relacin(-hLaH/kGaM),correspondientea la pendiente de la lnea de unin, puede ser integrada por el procedimiento grafico en forma de escalera. 7 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Silaintegracinseempiezaenunodelosterminalesdelatorre,hastaelotroterminal, solamenteunvalorde(-hLaH/kGaM)resultaraenconcordanciaentrelatemperaturamedida experimentalmente.Lapendientedelalneadeuninqueresultaenacuerdoentrelas temperaturas calculadas y observadas, es el valor correcto de (hLaH/kGaM). Elmtodorequiereevidentementeunacuidadosadeterminacinexperimentaldelas temperatura de aire. Desde que la lnea de unin es ahora conocida, luego puede ser integrada yelvalornumricodelacantidad(kGaMZ/G)determinada.Desdequeambaslaalturadela torre Z y el aM puede ser calculado. La relacin de Lewis (hG/kG)=CS ahora fija hG. Si el varias corridasexperimentaleshansidorealizadas,elefectodeloscambiosenlasvariedadesde operacintalescomo,valoresdeflujodeaireyagua,sobreloscoeficientespuedenser determinados. 4)Funciones a temperatura constante del agua: Una modificacin del mtodo es requerido para tratar el caso de una enfriador y humidificador de aire operado adiabticamente, el agua no evaporada es recirculada. Bajotalescondiciones,elaguaalcanzaunatemperaturadeequilibrioaproximadamente constante en toda la torre, que es sustancialmente igual a la temperatura de bulbo hmedo del aire. Desdequeelcalornoestransferidoatravsdellquido,latemperaturaenlainterfaceagua-aire es igual a la temperatura del agua, y la entalpia del aire es igual al que corresponde al aire saturadoalatemperaturadeinterface.Enlediagramadeentalpia-temperatura,lalneade operacin es un solo punto situado sobre la lnea de equilibrio. La temperatura del aire entrante, es representado por el punto E. Desde que la entalpia del aire permanececonstante,todaslasposiblestemperaturasdelaireestnubicadassobrelalnea punteada. No es posible usar el diagrama entalpia en funcin de la altura de la torre. Combinando las ecuaciones anteriores nos da:

5)Caida de presin en torres de enfriamiento: Elrelleno,soporteylosmiembrosestructuralesdeunatorredeenfriamiento,producenuna cadadepresindeaireproporcionalasunumeroyareaexpuesta,yaproximadamente proporcional al cuadrado del flujo de aire. El espesor de la pelcula de agua fluyendo sobre el relleno y partes estructurales de la torre, no es el suficiente como para causar obstruccion adicional significante al flujo de aire. Por lo tanto, 8 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO lacadadepresindebidoalapelculadeaguaenestaspartespuedeserconsiderada independiente del flujo de agua. La cada libre de agua en forma de gotas, crean adicional obstruccin en proporcin al nmero de gotas presente. Estenmero,esproporcionalalacargadelliquidoyaltiemporequeridoporel,encaeralo largo de la torre. La cada de presin producida por la cada del agua es proporcional al cuadrado de la velocidad relativa entre el flujo de aire y la cada de gotas por gravedad. Lacadadepresintotalparaelsistema,eslasumadelacadadepresincausadoporel relleno y miembros de soporte y la que resulta de la cada de las gotas de agua. Paraelflujosimultneoacontracorrientedelquidoygas,losdatosdecadadepresinde diferentesinvestigadoresmuestranampliasdiscrepancias,debidoalasdiferenciasenla densidadyfabricacindelempaque;discrepan,porejemplo,enloscambiosenelespesorde las paredes. Por lo tanto, no puede esperarse que las estimaciones sean muy exactas. 6)Coeficientes de transferencia de masa para torres empacadas: Cuandounatorreempacadasehacefuncionarenlaformausualcomounabsorbedoro desorbedor a contracorriente para la transferencia de soluto entre el gas y el lquido, la rapidez de la transferencia del soluto puede calcularse a partir de los valores medidos de la rapidez del flujo de gas y de lquido y de las concentraciones totales del soluto en las corrientes entrantes y salientes. Debido a la imposibilidad de medir las concentraciones del soluto en la interface gas-lquido, la rapidezresultantedelatransferenciademasaslopuedeexpresarsecomocoeficientes globales,ynocomocoeficientesparacadaunodelosfluidos.Msan,puestoqueelArea interfacial entre el gas y el lquido no se mide directamente por dichos experimentos, el frux de latransferenciademasanopuededeterminarse;enlugardeesto,larapidezslopuede determinarse como el producto del flux y el rea interfacial total. Dividiendoestasrapidecesentreelvolumendelempaque,losresultadosaparecencomo coeficientesvolumtricosglobales,K,a,KYa,K,a,F,a,F,,a,etc.,endondeaeslasuperficie interfacial por unidad de volumen empacado. Loscoeficientesdetransferenciademasadecadafluido(K,,KY,FL,Fo)yelreainterfaciala queformanestoscoeficientesvolumtricosglobales,dependenenformadiferentedelas propiedades del fluido, rapideces de flujo y tipo de empaque. 9 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Enconsecuencia,loscoeficientesvolumtricosglobalessontilessloeneldiseodetorres llenas con el mismo empaque y que manejen el mismo sistema qumico a la misma rapidez de flujoeigualesconcentracionesquelasexistentesdurantelasmediciones.Paraobtenerun diseo general, son necesarios el coeficiente de cada fluido y el rea interfacial. Paraobtenercadacoeficienteelmtodogeneralhasidoescogeraquellascondiciones experimentalesenquelaresistenciaalatransferenciademasaenlafasegaseosasea despreciableencomparacinconladellquido.Estosucedeenlaabsorcinodesercinde gases muy insolubles; oxgeno o hidrgeno en agua. Las mediciones en dichos sistemas llevan a valores de kYa, kLa y FLa, que pueden correlacionarse enfuncindelasvariablesdelsistema.Evidentementenohaysistemasenquelaabsorcin o desercin ocurran con un soluto tan soluble en el lquido que la resistencia en la fase lquida sea completamentedespreciable.Ahorabien,restandoalasresistenciasglobaleslaresistencia conocidadellquido(vasecaptulo5),esposiblellegaraloscoeficientesdelafasegaseosa kY.a, kGa, FGa y correlacionarlos en funcin de las variables del sistema. Otromtodoparaobtenerloscoeficientespurosdelafasegaseosaeshacermediciones cuando un lquido puro se evapora en un gas. Aqu no hay resistencia del lquido, puesto que no haygradientedeconcentracindentrodellquido.Sinembargo,loscoeficientesvolumtricos resultantes,kYayFGa,noestndeacuerdoconlosobtenidosporelmtododescritoantes: como se explica posteriormente son distintas reas interfaciales especficas. 7)Retencin del lquido La retencin se refiere al lquido retenido en la torre bajo la forma de pelcula que humedece el empaque y retenido como lagunas encerradas en los huecos existentes entre las partculas del empaque. Se encuentra que la retencin total &$ est formada por dos partes en donde Lf a es la retencin esttica y Lo la de operacin o mvil; cada una est expresada en volumenlquido/volumenempacado.Laretencinmvilconstadellquidoquesemueve continuamenteatravsdelempaqueyqueesreemplazadocontinua,regularyrpidamente por nuevo lquido que fluye desde la parte superior. Al detener el flujo del gas y del lquido, la retencin mvil se separa del empaque. La retencin estticaesellquidoretenidocomolagunasenintersticiosprotegidosenelempaque, principalmente lagunas estancadas y que solo son reemplazadas lentamente por lquido fresco. Al detener los flujos, la retencin esttica no se separa. 10 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Cuandoocurrelaabsorcinodesercindeunsoluto,ycuandoenestosprocesosocurrela transferenciadeunsolutoentreellquidototalyelgas,ellquidodelaretencinesttica rpidamentellegaalequilibrioconelgasadyacenteyposteriormentesusuperficieinterfacial no contribuye a la transferencia de masa, excepto cuando se va reemplazando lentamente. Porlotanto,paralaabsorcinydesercin,lamenorreaofrecidaporlaretencinmviles efectiva. Sin embargo, cuando ocurre la evaporacin o condensacin, y cuando la fase lquida es elnicocomponentepuro,elreaofrecidaporlaretencintotalesefectiva,puestoque entonces el lquido no ofrece resistencia a la transferencia de masa. 8)Arrastre del liquido Cuandoellquidoesarrastradoporelgashaciaelplatosuperior,ellquidoarrastradoes atrapado en el liquido del plato superior. El efecto es acumulativo y las cargas del lquido en los platossuperioresdelatorrepuedenllegaraserexcesivas.Unadefinicinconvenientedel grado de arrastre es la fraccin del liquido que entra en un plato y es arrastrado hacia el plato superior. 9)Torres empacadas Las torres empacadas, utilizadas para el contacto continuo del lquido y del gas tanto en el flujo acontracorrientecomoacorrienteparalela,soncolumnasverticalesquesehanllenadocon empaque o con dispositivos de superficie grande. El lquido se distribuye sobre stos y escurre haciaabajo,atravsdellechoempacado,detalformaqueexponeunagransuperficieal contacto con el gas. 10) Empaque El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes caractersticas: 1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el lquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el sentido microscpico. Los pedazos de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande debido asuestructuraporosa,perolamayorpartedelasuperficiesercubiertaporlapelculadel lquido que escurre. De todas maneras, la superficie especfica de empaque aN, es casi siempre mas grande que la superficie interfacial lquido-gas. 2. Poseer las caractersticas deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa queelvolumenfraccionariovacio,,ofraccindeespaciovacio,enellecoempacadodebe sergrande.Elempaquedebepermitirelpasodegrandesvolmenesdefluidoatravsde pequeas seccionestransversales dela torre,sin recargo o inundacin (vasea continuacin); debeserbajalacadadepresindelgas.Msan,lacadadepresi6ndelgasdebeser principalmente el resultado de la friccin pelicular, si es posible, puesto que es ms efectivo que formar arrastres al promover valores elevados de los coeficientes de transferencia de masa. 11 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO 3. Ser qumicamente inerte con respecto a los fluidos que se estn procesando. 4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fcil manejo y la instalacin. 5. Tener bajo precio. 11) Eliminadores del arrastre Avelocidadeselevadasdelgas,especialmente,elgasqueabandonalapartesuperiordel empaque puede acarrear gotitas del lquido como una niebla. sta puede eliminarsemedianteeliminadoresdeneblina,atravsdeloscualesdebepasarelgas;los eliminadoresseinstalansobrelaentradadellquido.Unacapademalla(dealambre,tefln, polietileno u otro material), entretejida especialmente con espacios del98-99%,aproximadamentede100mmdeespesor,colectarprcticamentetodaslas partculasdeneblina).Otrostiposdeeliminadoresincluyenciclonesyarreglosdeltipode persianas venecianas. Un metro de empaque al azar seco es muy efectivo. 12 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Partes internas de las torres de enfriamiento y funcin del empaque Humedad:sedefinecomoloskilogramosdevapordeaguaporkilogramodeaire,esenunamezclavapordeaguaaire.EstadefinicindehumedadsolodependedelapresinparcialpA del vapor de agua en el aire y de la presin total p (considerando 1 atm). Si deseamos escribir la relacinenfuncindelapresintotalyparcialsabiendoqueelpesomoleculardelaguaes 18.02 y del aire 28.97 tenemos: ( )

Ahora cuando el aire est saturado tenemos que el vapor de agua est en equilibrio con el agua lquidaenlascondicionesdadasdepresinytemperatura.Portanto,lapresindevapordel agua(pA)enlamezcla esigualalapresindevapordeaguapuraalatemperaturadada(pAS). Entonces introducimos eltrmino humedad de saturacin:

( )

Punto de roci de una mezcla de aire y vapor de agua: temperatura a la cual cierta mezcla de aire y vapor de aguase encuentran saturada. Calorhmedoenunamezcladeaireyvapordeagua:elcalorhmedoCHeslacantidadde calor enJocal(KJ oKcal)requeridoparaelevarla temperaturadeun kilogramodeaireseco maselvapordeaguapresenteen1Ko1C.Lascapacidadescalorficasdelaireyelvaporde aguasepuedensuponerconstantesenelintervalonormaldetemperaturaseigualesa1.005 KJ/Kg aire seco. K (0.24Kcal/kg aire seco. C) y 1.88 KJ/Kg vapor de agua. K (0.46Kcal/kg vapor de agua. C), por consiguiente: CH ( ) = 1.005 + 1.88 H (3) Entalpia total de una mezcla aire y vapor de agua: la entalpia total de 1 Kg de aire ms su vapor deaguaesHy (KJ/Kgdeaireseco).SilatemperaturaT0esladereferenciaparaambos componentes, la Entalpia total esel calor sensible de la mezcla aire- vapor de agua mas el calor latente 0 en KJ/Kg de Vapor deagua, del vapor de agua a T0. La variacin de (T-T0)C=(T-T0)K y las entalpias se refieren al agua lquida. HY (kJ/kg aire seco) = CH (T - To) + H 0..(4) HY (kJ/kg aire seco) = (1.005 + 1.88H) (T T0) C + H 0 13 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Temperaturadebulbohmedo:Eslatemperaturadeentradaenestadoestacionarioynode equilibrioquesealcanzacuandoseponeencontactounapequeacantidaddeaguaconuna corriente continua de gas en condiciones adiabticas. En la figura mostramos el mtodo usado para medir la temperatura de bulbo hmedo, mediante untermmetroqueserecubreconuntrozodetelahmedacompletamenteconagua,se introduce en el flujo de una corriente de aire y vapor de agua, cuya temperatura es T (T bulbo seco) y humedad H. En estado estacionario, el agua se evapora incorporndose a la corriente del gas; la tela y el agua se enfran a Tw y se mantienen a esa temperatura constante, esto se debe a que el calor de vaporizacin queda balanceado con el calor convectivo que fluye de la corriente gaseosa a la temperatura T. Mtodo de Mickley Cuandolosprocedimientosdescritosnonosproporcionaninformacinalgunasobrelos cambios de la temperatura y la humedad de la corriente de vapor deagua y aire a travs de la torre,sedisponedeunmtodograficoformuladopormickley,apartirdeunaecuacin deducida de la siguiente forma: La velocidad de transferencia de calor sensible es:

Adems combinamos la ecuacin (16) y la ecuacin (13):

(

)

(23) Obtenemos lo siguiente:

14 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO DETALLES EXPERIMENTALES Materiales-Termmetros-Psicrmetro -Cronmetro -Recipientes, baldes -Cinta mtrica Equipos -Torre de enfriamiento-Caldera -Intercambiador de Calor PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1.Poner en funcionamiento el equipo de transferencia de calor (caldero e intercambiador de calor) que es la fuente del agua caliente necesaria para la operacin. 2.Con el rotmetro regular el caudal de agua a calentar. 3.Encender el ventilador. 4.Tomar datos de: flujo de agua a la entrada y temperatura del agua a la entrada y a la salida (con ayuda de termmetros), temperaturas de bulbo hmedo y seco del aire a la entrada y salida (con ayuda del psicrmetro) en intervalos de tiempo de 10 minutos. 5.Repetir elprocedimientoanteriorparatrescorridas adiferentestemperaturas,paracada caudal fijado. 15 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES TABLA N1: CARACTERSTICAS DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO Caractersticas de la Torre Tipo de FlujoContracorriente MaterialMadera Longitud Horizontalde la Torre (m) 1.85 Ancho de la Torre (m)1.25 Altura Total (m)2.88 Espacio entre niveles0.045 Seccin Transversal (m2)1.188 Altura del empaque (m)2.5 N Niveles de empaque17 TABLA N2: DATOS PARA LA CURVA DE EQUILIBRIO T(C)H(KJ/Kg)T(C)H(KJ/Kg) 09.342679.87 212.982888.84 416.673098.63 620.632109.32 824.7734121.01 1029.2336133.82 1234.0138147.86 1439.1440163.29 1644.6742180.27 1850.6344198.96 2057.0746219.6 2264.0648242.41 2471.6350267.67 16 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO TABLA N3: FLUJOS DE AGUA EN LA TORRE DE ENFRIAMIENTO Corrida Q entrada (LPM) Q entrada (lb/h) Q entrada (kg/s) 12024130.33 24056190.66 352.576840.867 TABLAN4: FLUJOS DE ENTRADA, SALIDA Y PESOS DE AGUA LPMt1(s)t2(s)W1 (kg)W2 (kg) 1536.36417.299.472.283 3078.8823.6774.566 454.7834.6633.763.815 603.5553.5663.9214.156 TABLA N5: TEMPERATURAS DEL AGUA, BULBO HMEDO, BULBO SECO, HUMEDAD ABSOLUTA YENTALPA DE AIRE SATURADO EN LA ENTRADA Y SALIDA Temperatura del H2O (C)Temperatura del aire (C) FlujoEntradaSalida T b seco

entrada T b humedo

entrada T b seco

salida T b humedo

salida 146.432.422202726 243.730.922.52227.525.5 342.930.324232726.5 Humedad absoluta (kg agua/kg aire seco) Entalpia Especifica (kJ/kg aire seco) FlujoEntradaSalidaEntradaSalida 10.01380.022957.2085.58 20.01740.02466.8788.91 30.01930.02373.2785.83 17 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO TABLA DE RESULTADOS TABLA N6: PENDIENTE DE LA LNEA DE OPERACIN, FLUJO DE AIRE Y CANTIDAD DE AGUA EVAPORADA PARA CADA CORRIDA Corrida Flujo msico de agua (kg/min) Pendiente de la lnea de operacin (kJ/kgaire seco C) Flujo de aire (Gs) kg aire seco/min Cantidad de agua evaporada kg/s 148.561.943104.640.952 2114.461.688284.001.874 3259.400.9601130.984.185 TABLA N7: PORCENTAJE DE AGUA EVAPORADA E NDICE DE RENDIMIENTO DEL BULBO HMEDO Corrida Flujo msico de agua (kg/min) Porcentaje de agua Evaporada (%) ndice Rendimiento Bulbo Hmedo (%) 148.561.9653.03 2114.461.6458.99 3259.401.6163.32 TABLA N8: CANTIDAD DE CALOR QUE INTERVIENE EN EL PROCESO Flujo Flujo Msico del H2O (kg/min) Qs ( kJ / min )QLV ( kJ / min )QSV ( kJ / min )QN ( kJ / min ) Tbscalculado ( C ) 148.562846.282149.2248.33745.3819.96 2114.466134.294230.4582.651986.5020.59 3259.4013684.819444.67164.514404.6523.15 Qs : Calor sensible total que cede el agua en la torre. QLV :Calor latente que absorbe el agua que se evaporaQSV : Calor sensible que cede el vapor al aireQN : Calor neto entregado por el agua a la corriente de aire. 18 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO TABLA N9: DATOS PARA EL CLCULO DE LA FUERZA IMPULSORA: Corrida N1 TL Temperatura (C)HyHy*1/(Hy*-Hy)Area bajo la curva(Ntog) TL132.457.2095.620.02310.5310 Ti132.557.40106.380.0204 Ti235.062.47117.700.0181 Ti336.064.50122.390.0173 Ti437.868.15131.060.0159 Ti539.571.59139.510.0147 Ti641.475.44149.270.0135 Ti744.681.93166.450.0118 Ti845.784.16172.570.0113 TL246.485.58178.230.0109 Corrida N2 TL Temperatura (C)HyHy*1/(Hy*-Hy) Area bajo la curva(Ntog) TL130.966.8799.430.03070.4537 Ti132.068.77104.180.0282 Ti233.070.49108.600.0262 Ti334.072.21113.110.0245 Ti435.775.14120.980.0218 Ti537.478.06129.110.0196 Ti639.581.68139.510.0173 TL243.788.91161.520.0138 Corrida N3 TLTemperatura(C)HyHy*1/(Hy*-Hy)Area bajo la curva(Ntog) TL130.373.2796.880.04240.3010 Ti132.575.46106.380.0323 Ti234.076.96113.110.0277 Ti335.878.75121.450.0234 Ti436.830.30126.210.0215 Ti539.632.50140.020.0174 Ti640.534.00144.600.0163 TL242.935.80157.200.0140 19 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO TABLA N10: COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR Flujo Flujo Msico aire (kg/min) NtogHtog KGa experimental (kg-a.s/m3.s) KGa calculado (kg-a.s/m3.s) %Desviacin Pendiente de la lnea de coeficientes hLa (kJ/m3.s.C) 1104.640.5310417.760.12260.110411.08-1.480.1815 2284.000.4536920.790.32920.31145.70-1.890.6222 31130.980.3009731.330.50070.422718.46-2.011.0065 TABLA N11: DATOS PARA EL CLCULO DEL FLUJO MNIMO DE AIRE GS TL2TL1 Flujo Msico del H2O L(kg/min) Flujo Msico aire G(kg/min) Hy2max (kJ/kg a.s) HG1(kJ/kg aire seco) Gmin (kg/min) G/Gmin 46.432.4 48.56104.64 8757.8424.0380.11 43.730.9 114.46284.00 9266.2965.9710.12 42.930.3 259.401130.98 9072.91473.9870.18 20 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO ANALISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS Paraelestudiodeunatorredeenfriamientolosresultadosobtenidos estnsujetosaunaseriede condicionesdetrabajo, enestecaso estosconsisten en:torredetiroinducido, sistemaadiabtico, flujo en contracorriente, una seccin transversal constante, contacto directo de agua y aire, adems seconsideraquelatransferenciaocurrehacialafasegaseosa.Caberecalcarquepararealizarlos clculossesuponequeelempaqueesttotalmentemojadoesdecirunamismareaparala transferencia de calor como de masa. Las grficas N 1,2 y 3 que relacionan la entalpia a una determinada temperatura (Hvs.T),permitenexpresardeformagrficalasecuacionesobtenidasmediantelosbalances, especficamenteseobservalaCURVADEEQUILIBRIOpropiodelsistemaaire-aguaylaCURVADE OPERACINobtenidamedianteclculos,ambasconelpropsitodeobtenerloscoeficientesde transferencia de calor y masa. Sedebemencionarquepararealizareldiseodeunatorredeenfriamientonosloseutilizalos coeficientesglobalessinotambinloscoeficientesdepelculaeinclusoutilizandolaalturadeuna unidad de transferencia El porcentaje de agua evaporada hallada varia entre 1.61 y 1.96%, este valor es de importancia para el caso de la humidificacin. Otros parmetros hallados como la eficiencia trmica (), adems del ya mencionado flujo de aire fresco, permiten evaluara la torre de enfriamiento segn las necesidades requeridas. 21 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO CONCLUSIONES -El flujo de aire es demasiado grande para la cantidad de agua a enfriar. -El coeficiente global de transferencia de masa son pequeos. -La cantidad de agua evaporada en el proceso es mnima. RECOMENDACIONES -Trabajar con un ventilador de velocidad variable, para poder graduar el flujo de aire. -Instalar un medidor de flujo de aire. -Usar un sicrmetro de mayor sensibilidad. -Cambiar el dispersador de lquido, para poder mojar con mayor homogeneidad el empaque 22 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO BIBLIOGRAFIA 1.TreybalRoberte.,OperacionesdeTransferenciadeMasa,2daEdicin,EditorialMc.Graw Hill/Interamericana de Mxico S.A., 1988 Pgs. 2.Badger, Walter; Bancero, Julius. Introduccin a la Ingeniera Qumica.Editorial Mc Graw Hill. New York, 1964. Pgs. 3.Geankoplis,CristieJ.,Procesosdetransporteyprincipiosdeprocesosdeseparacin4ta edicin; Editorial continental de C.V S.A, 2006 . Pgs.660-669 4.Brown G. George, Operaciones Bsicas de Ingeniera Qumica, 1 Edicin, Editorial Marn S.A., Barcelona Espaa 1955,pgs.: 15-19 23 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO APENDICE EJEMPLOS DE CALCULOS Para un Flujo Msico de Agua: 48.56kg/min 1.Clculo de la pendiente de la lnea de Operacin Aplicando Balance de Energa en la Torre de Enfriamiento, se obtiene: ( ) ( )1 G 2 G 1 L 2 L LH H Gs T T C L = ( )( )1 L 2 L1 G 2 G LT TH HGsC L=..(1) donde: Gs : Flujo msico del aire seco (kg/min) L : Flujo msico de agua (kg/min) CL : Capacidad Calorfica del Lquido (J/kg-C) TL2 : temperatura del H2O de entrada a la torre (C) TL1 : temperatura del H2O a la salida de la torre (C) HG2 : entalpa del aire de salida en la torre (kJ/kg-aire seco) HG1 : entalpa del aire a la entrada de la torre (kJ/kg-aire seco) Reemplazando datos de la Tabla N4, en la ecuacin (1), se obtiene: ( ) Co aire kgkJGsC LL ||.|

\| =4 . 32 4 . 46sec20 . 57 58 . 85 C kgkJGsC LS AL =.943 . 1 El valor obtenido, representa la pendiente de la lnea de Operacin. 2.Calculo del flujo msico de aire: (Gs) Del clculo anterior, se despejara el valor de Gs; C kgkJGsC LS AL =.943 . 1 24 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO C kgkJC LGsS AL =.943 . 1 Reemplazando valores: C kgkJC kgkJkgGsS AO H =.943 . 1187 . 4min56 . 482

3.Cantidad de Agua Evaporada: ( Lv ) Para calcular la cantidad de agua evaporada, emplearemos la siguiente ecuacin: ( )1 2y y Gs Lv =.. (2) Donde:Gs : Flujo msico del aire seco (kg/min) Y2 : Humedad absoluta del aire a la salida de la torre (kg H2O/kg A.S) Y1 : Humedad absoluta del aire a la entrada de la torre (kg H2O/kg A.S) Reemplazando el valor de Gs, obtenido en el paso anterior, se obtiene: sO kgHLv2952 . 0 = 4.Porcentaje de Agua Evaporada: 100LLvn Evaporaci = % Reemplazando los datos obtenidos en los pasos anteriores; ( )S kgAO kgH S kgALv.0138 . 0 0229 . 0min.64 . 1042 =25 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO 10056 . 48952 . 0%22 =sO kgHsO kgHn Evaporaci % 96 . 1 % = n Evaporaci 5.Clculo del ndice de Rendimiento del Bulbo Hmedo 10021 2=wbT TT TIndiceC 46.4 torre la enentrada de agua del a Temperatur TC 32.4 torre la ensalida de agua del a Temperatur TC 20 entrada de aire de hmedo bulbo de T:21wb= == == = a TemperaturDonde 100) 20 4 . 46 (4 . 32 4 . 46 (=CCIndice % 03 . 53 = Indice 6.Clculo de la lnea de operacin ( m2 ) Se considera el balancede energa calorfica en la parte superior de la torre: Flujo Msico del agua:L= 48.56 kg/min Temperatura del agua (entrada)T2= 46,4 C Calor latente de vaporizacin V= 2257 kJ/kg Temperatura bulbo seco (entrada)Tbs1= 22 C Temperatura del agua (salida)T1= 32.4 C Temperatura bulbo seco (salida)Tbs2= 27 C Calor especifico del aguaCL = 4.187 kJ/kgCalor especifico del vapor de aguaCV= 2.080 kJ /kg C Capacidad Calorfica del aireCG= 1.012 kJ /kg C Flujo de aireGs= 104.64 kg Aire seco / min 26 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO 5.1.Calor sensible total que cede el agua de entrada en la torre (Qs)

5.2. Calor latente que absorbe el agua que se evapora (QLV) O H kgkJ2257minO H kg0.952L22V V = =LVLVQQ minkJ2149.22 =LVQ 5.3. Calor sensible que cede el vapor de agua, al aire desdeT2 hasta Tbs1 (QSV)

C ) 27 - 46.4 (C kgkJ2.080minO kgH0.952) Tbs - T ( C L 22 2 V V = =SVSVQQ minkJ48.33 =SVQ 5.4. Calor neto entregado por el agua a la corriente de aire ( QN ) minkJ2149.22 -minkJ48.33minkJ2846.28Q - Q QLV SV s+ =+ =NNQQ 27 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO minkJ745.48 =NQ 5.5. Calor sensible que gana el aire ( QA ) Por balance de energa QN = QA C ) Tbs - 22 (C a.s kgkJ1.012minseco Aire kg104.64minkJ745.38) Tbs - Tbs ( C Gs12 1 G = =NQ C 19.961 = Tbs ComoTbs1calculadoesprcticamenteigualqueelvalorexperimental,seasumeahoraesta temperatura.A partir de este dato, se procede a calcular la pendiente de la lnea de coeficientes, a travs del mtodo de Mickley 7.Clculo del nmero de elementos de transferencia: (Ntog) Asumiendo que la resistencia est en la fase gaseosa, se sabe:

Siendo:

28 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO donde: KGa: Coeficiente de transferencia de masa (kmol/s.m3.Pa) (lb A.S / h-pie3) HG: Entalpa del aire saturado (kJ/kg A.S) Htog : Altura de la Unidad de Transferencia. Ntog : Nmero de Elementos de Transferencia. HG2: entalpia del aire en la salida HG1: entalpia del aire en la entrada MB : masa molar del aire 28.9 kg/kmol P: presin atmosfrica en pascal G: flujo de aire en kg/s.m2 6.1Clculo del numero de elementos de transferencia(Ntog): Para este clculose empleara los datos de la Tabla N 12; de donde se obtendr el Grfico N4 y aplicando el mtodo de trapecio, para el clculo del Arco bajo la Curva, se obtiene:

Donde: b = HG6 a = HG1 fxo =

fxn =

= sumatoria de los dems

no sumados n = numero de datos 5310 . 0 =togN 6.2Clculo de la altura de la unidad de transferencia (Htog): De la relacin: togtogNzH = 29 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Donde: z : es la altura de la torre de enfriamiento = 2.89m = 9.43 pies Entonces:

8.Clculo del Coeficiente Individual de Transferencia de Masa en la fase gaseosa:(KGa) 7.1 Clculo del Kya experimental: Se tiene:

Reemplazando valores:

7.2 Clculo del KGa calculado: Para obtener el KGa, utilizaremos la siguiente relacin presentada por la Tesis de Pastrana Quiroz. n) G/L (N A LV+ = B KGa Donde: 30 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO Nmero de niveles del empaqueN = 17 Altura del empaque de la torrez = 2.50 m = 8.17 pies Constantes B , Ay nB = 0.07 A = 0.0406 n = 0.46 Flujo msico de H2O / Seccin TransversalL= (2413lb/h) /( 12.55 pies2 ) = 192.27lb/h.pie2 : torre la de Seccin empaque de altura xtorre la de Seccin V = Zempaque = altura de empaque = 2.5 m = 8.2 pie Pendiente de la Lnea de Operacin (m1)LCL / G = 0.39683

9.Porcentaje de Desviacin del Coeficiente de Transferencia de Masa: 100) exp (% =calculado Kerimental K calculado KDesviacinGaGa Ga 0.46) 0.3968 () 17 0.0406 (07 . 0192.278.2 + = yaK31 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO 1001104 . 0) 1226 . 0 1104 . 0 (% = Desviacin % 8 . 11 % = Desviacin 10. Clculo del Coeficiente de Transferencia de Calor(hLa) Por mtodo de Mickley, se conoce la temperatura de salida del aire, luego por prueba y error se obtiene la pendiente de la lnea de coeficientes, y por lo tanto: 48 . 1 =|.|

\|KGahLa Despejando:

(

)

Los valores para las otras corridas, se muestran en la tabla N10. 11. Clculo del la potencia del ventilador: Los siguientes clculosse realizan, considerando solo la corrientede aire seco en la salida de la torre de enfriamiento UnaReglaprcticaparatorresdetiroinducidoesquecada8000pies3/mindeaire expulsados requieren 1HP de potencia. Luego debemos hallar la cantidad de aire como flujo volumtrico (F):

32 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO

Por lo tanto, la potencia del ventilador considerando un 70% de eficiencia ser

De los datos de diseo Inicialmente la torre de enfriamiento estuvo diseada con un ventilador de 0.33hp. 12. Calculo del flujo mnimo de aire (Gmin)

Donde: Gmin: flujo minimo de aire (kg/min) CL: calor especifico del agua (4.187kJ/kgC) Hy1: entalpia del aire en la entrada (kJ/kg)

= rango de enfriamiento del agua (C) G: flujo de aire (kg/min)

Para la corrida N1

Este valor lo comparamos con el flujo del aire utilizado en el proceso:

33 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO GRAFICOS GRFICA N 1: GRFICA N 2: 34 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO GRFICA N 3: GRFICA N 4: 0.00000.00500.01000.01500.02000.02500.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.001/(Hyi*-Hy) Hy Corrida 1:1/(Hyi*-Hy) Vs. HyREA 35 | P g i n aLABORATORIO DE ING. QUIMICA 2 TORRE DE ENFRIAMIENTO GRFICA N 5: GRFICA N 6: 0.00000.00500.01000.01500.02000.02500.03000.035050.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.001/(Hyi*-Hy) Hy Corrida 2:1/(Hyi*-Hy) Vs. HyREA 0.00000.00500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.045070.00 75.00 80.00 85.00 90.001/(Hyi*-Hy) Hy Corrida 3:1/(Hyi*-Hy) Vs. HyREA