Torre de Enfriamiento Prac

Escuela Superior De Ingeniería Química e Industrias

Extractivas

LABORATORIO DE OPERACIONES DE

SEPARACIÓN IV

“PRACTICA # 6”

“TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA”

(enfriamiento de agua por humidificación de aire)

A: TORRES LOPEZ LUIS JAFET

G: 9IV1

OBJETIVOS:

Por medio de diferentes gastos de agua y aire se analizara el comportamiento de una

torre de enfriamiento mediante la humidificación del aire.

INTRODUCCIÓN:

Durante la operación del equipo se hizo pasar diferentes

gastos de agua a diferentes velocidades del ventilador el

cual hacia fluir el aire por medio de la torre en donde el aire

y el agua tienen contacto directo, teniendo como

consecuencia una humidificación del aire y un enfriamiento

en el agua, los datos experimentales que se tomaron como

referencia para el estudio de la practica fueron la

temperatura del agua a la entrada y salida de la torre, las

temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco y los diferentes

caudales tanto del agua como la del aire.

MARCO TEORICO

El agua de enfriamiento es unos de los medios útiles para la transmisión de grandes

cantidades de calor generado en los procesos industriales, siendo uno de los servicios

auxiliares más difundidos en la industria.

Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del

agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de

transferencia de calor y de masa (evaporación controlada

por el contacto directo del agua con el aire).

Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy

importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor

durante su trayectoria o caída para aumentar el área de

contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo

obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo

la rompen, facilitando el proceso de evaporación.

Con el empleo de nuevas tecnologías incorporadas a

estos sistemas, los obstáculos en lugar de romper la gota hacen posible que se forme una

película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso.

Características

Las torres de enfriamiento son equipos que se emplean

para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio

más económico para hacerlo, si se compara con otros

equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor

donde el enfriamiento ocurre a través de la pared.

Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay

para la producción de agua de proceso que sólo se puede

utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres

de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el

proceso.

Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de

enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El

agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60˚C.

El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia

abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando

el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un

enfriamiento de 10 a 20˚ C.

Es recomendable realizar un tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, fungicidas,

bactericidas y floculantes; además de realizar un análisis periódico tanto de dureza como

de iones cloro, ya que éstos son causantes de las incrustaciones y la corrosión.

Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar

vapor de agua encima de las torres de refrigeración. De esta manera, el agua le trasmite

al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior,

conteniendo el calor. Por eso, muchas veces las torres de enfriamiento muestran blancas

fumarolas en su parte superior.

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 retraerá desde ahí para al proceso de

producción.

Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados.

Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en

contacto con el aire de fuera. Como consecuencia, la

contaminación del agua de las torres, por los

contaminantes del aire y microorganismos, es

insignificante.

CLASIFICACIÓN DE TORRES DE ENFRIAMIENTO

Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se

suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran

superficie de contacto entre al aire y el agua.

Torres de tiro mecánico

Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico situado en la

parte superior de la torre. Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de la

torre y se descarga por la parte superior.

Torres de circulación natural

Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas de aire, este penetra a través de

rompevientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones del año y las

condiciones atmosféricas. Tiro natural: Operan de la misma manera que una chimenea de

un horno. La diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior originan un

flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos denso

en la parte superior. En el tipo de tiro forzado el aire entra a través de una abertura

circular mediante un abanico, y debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y

su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.

En las torres de tiro inducido, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la

torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muy

pequeña. En la torre

atmosférica, las corrientes

penetran a todo el ancho de la

torre, las torres se hacen muy

angostas en comparación con

otros tipos, y deben ser muy

largas para una capacidad

igual Las torres de tiro

natural deben ser altas para

promover el efecto de las

densidades, deben tener una

sección transversal grande

debido a la baja velocidad con

que el aire circula comparada

con las torres de tiro

mecánico.

DATOS EXPERIMENTALES:

Aire ambiente Tw=14°C TG=22°C Patm=585mmHg

Corrida 1

Lv=30L/min TL1=47°C TL2=37°C Tw= 30°C TG=36°C

Taire=38.8°C Vaire= (27+50+74)/3=50.333m/s

Corrida 2


Taire=39.1°C Vaire= (27+48+76)/3=50.333m/s

Corrida 3


Taire=40°C Vaire= (30+47+78)/3=51.6667m/s

Constantes de Antoine

A=55.11564 área tranbersal de la torre=0.2025m2

B=1668.2 °C,mmHg

C=228

Cálculos

Aire ambiente Tw=14°C TG=22°C

Presión parcial

𝑷𝒘 = 𝟏𝟎𝑨+

𝑩

𝑪+ 𝑻𝒘 𝑃𝑤 = [10

(5.11564− 1687.537

230.17+14°𝐶)] (

760 𝑚𝑚𝐻𝑔)

P=12.678mmHg

Humedades de saturación

𝒀′𝒘 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝒘

𝟓𝟖𝟓−𝑷𝒘 𝑌′𝑤 = 0.622

52.438

585−52.438

𝑌′𝑤 = 0.0138

Humedades relativas

𝒀′ = 𝒀𝒘 𝝀𝒘− 𝟎.𝟐𝟒 (𝑻𝑮−𝑻𝒘)

𝝀𝒘+ 𝟎.𝟒𝟓 (𝑻𝑮−𝑻𝒘) 𝑻𝒘 = 𝟐𝟐 °𝑪 𝝀𝒘 = 𝟓𝟖𝟒. 𝟗

𝑲𝒄𝒂𝒍

𝑲𝒈

𝑌′1 = 0.0138 (584.9) − 0.24 (22 − 14)

584.9 + 0.45 (22 − 14)= 0.0105

Presiones parciales con humedad absoluta

𝒀′ = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝑨

𝟓𝟖𝟓− 𝑷𝑨 𝑷𝑨 =

𝟓𝟖𝟓 (𝒀′)

𝟎.𝟔𝟐𝟐 + 𝒀′

𝑃𝐴 = 585 (0.0105)

0.622 + 0.0105= 9.7115 𝑚𝑚𝐻𝑔

Presión de vapor

𝑃𝑣 = [10(5.11564−

1687.537

230.17+22°𝐶)] (


Pv=21.069mmHg

Humedad relativa (%YR)

%𝒀𝑹 = (𝑷𝑨

𝑷𝒗) 𝟏𝟎𝟎

%𝑌 = (9.7115

21.069) 100 = 46.1%

Cálculo e la entalpia

𝑯𝑮∗ = [(𝟎. 𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟒𝟓 𝒀′

𝒔𝒂𝒕 )(𝑻𝑮)] + (𝟓𝟗𝟔. 𝟕) 𝒀′𝒔𝒂𝒕

𝐻𝐺 = [(0.24 + 0.45(0.0138) ) (38.8)] + (596.7) (0.0138) = 11.705 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑔

Cálculo para graficar la curva T vs H; considerando:

P = 585 mmHg y un rango de 10 a 45 °C

T °C 𝑃𝐴𝑜(𝑚𝑚𝐻𝑔) 𝑌′

𝑠𝑎𝑡 𝐻𝐺

∗ (𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑔)

10 9.7098 0.0105 8.7392

15 13.534 0.0148 12.528

20 18.614 0.0205 17.236

25 25.28 0.0282 23.154

30 33.928 0.0384 30.670

35 45.029 0.0520 40.306

40 59.133 0.0702 52.781

45 76.883 0.0944 69.117

Corrida 1

Presión parcial

𝑷𝒘 = 𝟏𝟎𝑨+

𝑩

𝑪+ 𝑻𝒘 𝑃𝑤 = [10

(5.11564− 1687.537

230.17+30°𝐶)] (


P=33.928mmHg


𝒀′𝒘 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝒘

𝟓𝟖𝟓−𝑷𝒘 𝑌′𝑤 = 0.622

33.928

585−33.928

𝑌′𝑤 = 0.0384

Humedades relativas

𝒀′ = 𝒀𝒘 𝝀𝒘− 𝟎.𝟐𝟒 (𝑻𝑮−𝑻𝒘)

𝝀𝒘+ 𝟎.𝟒𝟓 (𝑻𝑮−𝑻𝒘) 𝑻𝒘 = 𝟑𝟖. 𝟖 °𝑪 𝝀𝒘 = 𝟓𝟕𝟓. 𝟑

𝑲𝒄𝒂𝒍

𝑲𝒈

𝑌′1 = 0.0384(575.3) − 0.24 (36 − 30)

575.3 + 0.45 (36 − 30)= 0.0357


𝒀′ = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝑨

𝟓𝟖𝟓− 𝑷𝑨 𝑷𝑨 =

𝟓𝟖𝟓 (𝒀′)

𝟎.𝟔𝟐𝟐 + 𝒀′

𝑃𝐴 = 585 (0.0357)

0.622 + 0.0357= 31.75𝑚𝑚𝐻𝑔

Presión de vapor

𝑃𝑣 = [10(5.11564−

1687.537

230.17+38.8°𝐶)] (


Pv=55.441mmHg



𝑷𝒗) 𝟏𝟎𝟎

%𝑌𝑅1 = (31.75

55.441) 100 = 57.26%

Cálculo de entalpias

𝑯𝑮∗ = [(𝟎. 𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟒𝟓 𝒀′

𝒔𝒂𝒕 )(𝑻𝑮)] + (𝟓𝟗𝟔. 𝟕) 𝒀′𝒔𝒂𝒕

𝐻𝐺 = [(0.24 + 0.45(0.0384) ) (38.8)] + (596.7) (0.0384) = 33.283 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑔

Calculo del gasto volumétrico del aire teórico del aire

Gv=A*V=0.2025*50.333=10.1924m3/s *60min/1h=611.54 m3/h

Calculo del gasto masa del aire teórico

ƍ𝑯 = [𝟏

𝑷𝑴𝒂𝒊𝒓𝒆+

𝒀′@𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂

𝑷𝑴𝒂𝒈𝒖𝒂]

𝑹𝑻

𝑷

ƍ = [1

29+

0.0653

18]

0.08205𝑚3 𝑎𝑡𝑚𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐾

(38.8 + 273)𝐾

585 760 𝑎𝑡𝑚

= 1.273𝑚3

𝐾𝑔 𝑎. 𝑠

G=Gv/ƍ G=611.54/1.2189=501.71Kg/h

Carga térmica transferida

Qt=L*Cp*( TL2- TL1) TLm=(47+37)/2=42°C Cp@42=0.999Kcal/kg°C

Lv=30L/min =.030m3/min ƍ@42=991.46Kg/m3

L=Lv*ƍ L=.030*991.46=29.7438kg/min*60=1784.628kg/h

Qt=29.7438*.999*(47-37)=297.14kcal/min * 60min/1h =17828.43kcal/h

Rango de acercamiento

Rango: (𝑻𝑳𝟐 − 𝑻𝑳𝟏) = (47 − 37)°𝐶 = 10 °𝐶

Acercamiento: (𝑻𝑳𝟏 − 𝑻𝒘) = (47 − 30)°𝐶 = 17 °𝐶

Corrida 2

Presión parcial

𝑷𝒘 = 𝟏𝟎𝑨+

𝑩

𝑪+ 𝑻𝒘 𝑃𝑤 = [10

(5.11564− 1687.537

230.17+34°𝐶)] (


P=42.587mmHg


𝒀′𝒘 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝒘

𝟓𝟖𝟓−𝑷𝒘 𝑌′𝑤 = 0.622

42.587

585−42.587

𝑌′𝑤 = 0.0490

Humedades relativas

𝒀′ = 𝒀𝒘 𝝀𝒘− 𝟎.𝟐𝟒 (𝑻𝑮−𝑻𝒘)

𝝀𝒘+ 𝟎.𝟒𝟓 (𝑻𝑮−𝑻𝒘) 𝑻𝒘 = 𝟑𝟗. 𝟏 °𝑪 𝝀𝒘 = 𝟓𝟕𝟓. 𝟑

𝑲𝒄𝒂𝒍

𝑲𝒈

𝑌′1 = 0.04967 (575.3) − 0.24 (39 − 34)

575.3 + 0.45 (39 − 34)= 0.0467


𝒀′ = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝑨

𝟓𝟖𝟓− 𝑷𝑨 𝑷𝑨 =

𝟓𝟖𝟓 (𝒀′)

𝟎.𝟔𝟐𝟐 + 𝒀′

𝑃𝐴 = 585 (0.0467)

0.622 + 0.0467= 40.8546 𝑚𝑚𝐻𝑔

Presión de vapor

𝑃𝑣 = [10(5.11564−

1687.537

230.17+39.1°𝐶)] (


Pv=56.345mmHg



𝑷𝒗) 𝟏𝟎𝟎

%𝑌𝑅 = (40.8546

56.345) 100 = 72.58%

Cálculo de entalias

𝑯𝑮∗ = [(𝟎. 𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟒𝟓 𝒀′

𝒔𝒂𝒕 )(𝑻𝑮)] + (𝟓𝟗𝟔. 𝟕) 𝒀′𝒔𝒂𝒕

𝐻𝐺 = [(0.24 + 0.45(0.049) ) (39.1)] + (596.7) (0.049) = 39.87 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑔


Gv=A*V=0.2025*50.333=10.1924m3/s *60min/1h=611.54m3/h


ƍ𝑯 = [𝟏




𝑹𝑻

𝑷

ƍ = [1

29+

0.0665

18]


(39.1 + 273)𝐾

585 760 𝑎𝑡𝑚

= 1.28𝑚3

𝐾𝑔 𝑎. 𝑠

G=Gv/ƍ G=611.54/1.28=477.76Kg/h



Lv=40L/min =.040m3/min ƍ@42=991.05Kg/m3

L=Lv*ƍ L=.040*991.05=39.642kg/min*60=2378.52kg/h



Rango: (𝑻𝑳𝟐 − 𝑻𝑳𝟏) = (47 − 38)°𝐶 = 9 °𝐶

Acercamiento: (𝑻𝑳𝟏 − 𝑻𝒘) = (47 − 34)°𝐶 = 13°𝐶

Corrida 3

Presión parcial

𝑷𝒘 = 𝟏𝟎𝑨+

𝑩

𝑪+ 𝑻𝒘 𝑃𝑤 = [10

(5.11564− 1687.537

230.17+35°𝐶)] (


P=45.03mmHg


𝒀′𝒘 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝒘

𝟓𝟖𝟓−𝑷𝒘 𝑌′𝑤 = 0.622

45.03

585−45.03

𝑌′𝑤 = 0.0520

Humedades relativas

𝒀′ = 𝒀𝒘 𝝀𝒘− 𝟎.𝟐𝟒 (𝑻𝑮−𝑻𝒘)

𝝀𝒘+ 𝟎.𝟒𝟓 (𝑻𝑮−𝑻𝒘) 𝑻𝒘 = 𝟒𝟎 °𝑪 𝝀𝒘 = 𝟓𝟕𝟒. 𝟕

𝑲𝒄𝒂𝒍

𝑲𝒈

𝑌′1 = 0.0520 (574.7) − 0.24 (40 − 35)

574.7 + 0.45 (40 − 35)= 0.0497


𝒀′ = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 𝑷𝑨

𝟓𝟖𝟓− 𝑷𝑨 𝑷𝑨 =

𝟓𝟖𝟓 (𝒀′)

𝟎.𝟔𝟐𝟐 + 𝒀′

𝑃𝐴 = 585 (0.0678)

0.622 + 0.0678= 43.3 𝑚𝑚𝐻𝑔

Presión de vapor

𝑃𝑣 = [10(5.11564−

1687.537

230.17+40°𝐶)] (


Pv=59.1mmHg



𝑷𝒗) 𝟏𝟎𝟎

%𝑌𝑅 = (43.3

59.133) 100 = 73.26%

Cálculo de entalpias

𝑯𝑮∗ = [(𝟎. 𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟒𝟓 𝒀′

𝒔𝒂𝒕 )(𝑻𝑮)] + (𝟓𝟗𝟔. 𝟕) 𝒀′𝒔𝒂𝒕

𝐻𝐺 = [(0.24 + 0.45(0.052) ) (40)] + (596.7) (0.052) = 41.96 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑔


Gv=A*V=0.2025*51.667=10.46m3/s *60min/1h=627.75 m3/h


ƍ𝑯 = [𝟏




𝑹𝑻

𝑷

ƍ = [1

29+

0.0702

18]


(40 + 273)𝐾

585 760 𝑎𝑡𝑚

= 1.287𝑚3

𝐾𝑔 𝑎. 𝑠

G=Gv/ƍ G=627.75/1.287=487.76Kg/h



Lv=50L/min =.050m3/min ƍ@42=991.05Kg/m3

L=Lv*ƍ L=.050*991.05=49.642kg/min=2973.15Kg/h



Rango: (𝑻𝑳𝟐 − 𝑻𝑳𝟏) = (46 − 39)°𝐶 = 7 °𝐶

Acercamiento: (𝑻𝑳𝟏 − 𝑻𝒘) = (46 − 35)°𝐶 = 11°𝐶

Cálculo del coeficiente global volumétrico de transferencia de masa (Ky.a)

Considerando que la resistencia total esta en el gas

𝑅𝑇 = 𝑟𝐺 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 ℎ𝐿.𝑎

𝐾𝑌.𝑎= ∞ (𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠)

Sabemos que:

𝒛 = (𝑨𝑼𝑻𝑮)(𝑵𝑼𝑻𝑮)

(𝑨𝑼𝑻𝑮) = 𝑮𝒔

𝑺𝑲𝒀.𝒂 (𝑵𝑼𝑻𝑮) = 𝑰 = ∫

𝟏

𝑯𝑮∗ − 𝑯𝑮

𝒅𝑯𝑮

𝑯𝑮𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂

𝑯𝑮𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂

Cálculos de la línea de operación

H t H° 1/(H°-H)

0 11.705 34 38.178 0.037774336

1 14.5 39 50.15 0.028050491

2 17.3 40.5 54.221 0.027084857

3 20.1 41.5 57.219 0.026940381

4 22.9 42.5 60.387 0.026675914

5 25.7 43.1 62.372 0.027268761

6 28.5 43.7 64.425 0.027835769

7 31.3 44.3 66.548 0.028370404

8 34.1 44.9 68.744 0.028865027

9 36.9 45.5 71.015 0.029312619

10 40.306 47 85.953 0.021907245

I= i3 [f0 (HG)+ 2fpares (HG)+4fnones (HG)+fn (HG) ]

Experimento 1

i= (HG1salida- HG1entrada)/10= 33.283-11.705/10=2.15

I= 2.15 [0.038+ 2(0.13) + 4(0.14) + 0.022] =0.63

z= (Gs/SKY.a) I

0.625 m=[501.71Kg/h /(0.2025 m2*KY.a]* 0.63

KY.a=2497.4 Kg a.sh/ m3∆Y'

Experimento 2


I=0 .66 [0.038+ 2(0.13) + 4(0.14) + 0.022] =0.58

z= (Gs/SKY.a) I

0.625 m=[477.76Kg/h /(0.2025 m2*KY.a]* 0.58

KY.a=2189.4384 Kg a.sh/ m3∆Y'

Experimento 3


I= 0.21 [0.038+ 2(0.13) + 4(0.14) + 0.022] =0.2

z= (Gs/SKY.a) I

0.625 m=[487.76Kg/h /(0.2025 m2*KY.a]* 0.2

KY.a=809.32 Kg a.sh/ m3∆Y'

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

%𝒀𝑹 G Kg/h L Kg/h Qt Kcal/kg°C

Acercamiento

°C

KY.a Kg a.s/m3∆Y'

aire 46.1

1 57.26 501.71 1784.628 17828.43 17 2497.4

2 72.58 477.76 2378.52 21385.27 13 2189.4384

3 73.26 487.76 2973.15 20828.79 11 809.32

http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torres-de-enfriamiento/

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