RESUMENUNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO Práctica No. 06 “TORRE DE ENFRIAMIENTO” REPORTE QUE PRESENTAN: Barrera Rodríguez Héctor Adrián Díaz Peña Miriam Hernández Méndez Jessica Amairani Mauricio Segundo María Guadalupe Mercado Trueba Sandra Rodríguez de la Concha Azcarate Gabriela Romero Suárez Evelyn Jared LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN Profesor I. Q. Juan Gabriel Díaz Álvarez Laboratorio de Ingeniería Química 03 de Septiembre de 2014 Las torres de enfriamiento son equipos muy utilizados a nivel industrial, pues gracias a ellos se dispone de una manera sencilla y económica para la dispersión de calor del agua, a través de la transferencia de calor y masa, que posteriormente puede ser reutilizada como agua de enfriamiento para otros equipos y sistemas. Para que este proceso se lleve a cabo correctamente es necesario que la gota del agua tenga un tamaño reducido, de modo que se aumente el área de contacto que tiene ésta con el aire, y para ello se colocan empaques o largueros de madera. Así pues, para la realización de esta práctica se utilizó agua proveniente de la cisterna ubicada debajo de la torre, así como el sistema de vapor del laboratorio de ingeniería química para aumentar la temperatura del agua y estabilizarla para poder comenzar con la práctica. Se determinaron 8 temperaturas diferentes y para cada una de ellas se tomaron las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco (a la entrada y salida del aire y el agua de la torrre), además del flujo de agua a la salida de la torre, con ayuda de un recipiente volumétrico de 2 L. De acuerdo a los resultados obtenidos y a los cálculos realizados se observó que MARCO TEÓRICO 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. 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. 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. 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. Debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire. 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. 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. -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. Deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico. Tipos de torres de enfriamiento TIRO INDUCIDO TIRO FORZADO ATMOSFÉRICA TIRO NATURAL Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural Función de las partes Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se dispondrá de una gran superficie para el contacto de agua-aire. Puesto que la interfase agua-aire es también la superficie de transferencia de calor, el uso de la boquilla permite alcanzar buenos niveles de eficiencia por pie cúbico de aparato de contacto. La función del empaque es aumentar la superficie disponible en la torre, ya sea distribuyendo el líquido sobre una gran superficie o retardando la caída de las gotas a través del aparato. En la torre de enfriamiento, debido a requerimientos de grandes volúmenes de aire y pequeñas caídas de presión permitidas, es costumbre usar largueros de madera de sección rectangular o triangular, que dejan la torre sustancialmente sin obstruir. El empaque, es casi exclusivamente fabricado en cualquiera de las dos formas y su propósito es interrumpir el descenso del líquido. OBJETIVO Determinar experimentalmente, mediante la operación de una torre de tiro inducido, el número de unidades de transferencia entálpica del aire, la altura de una unidad de transferencia entálpica y el coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa (aire). DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO Durante la realización de esta práctica se utilizó la torre de enfriamiento, con el objetivo de observar su funcionamiento. Para la alimentación de la torre se utilizó agua proveniente de la cisterna ubicada debajo de la torre, suministrada al sistema por medio de una bomba centrífuga; y para aumentar la temperatura del agua (que para objeto de la práctica debe estar caliente de modo que pueda serenfriada) se utilizó el sistema de vapor del Laboratorio de Ingeniería Química. Se realizó el experimento manteniendo el flujo de salida de agua de la torre constante, y se establecieron 8 temperaturas distintas para el flujo de agua a la entrada de la torre, para cada una de estas temperaturas se tomaron las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, tanto para el agua como para el aire a la entrada y a la salida del sistema. METODOLOGÍA Medir el flujo del líquido con una probeta en la tubería de salida del agua fría de la torre de enfriamiento. Colocar lun termómetro a la entrada del ducto del aire, para obtener la temperatura de bulbo seco. Revisar el nivel de las fosas de almacenamiento de agua, para asegurarse de que hay suficiente agua. Preparar el servicio de vapor en la línea que lo lleva a la torre de enfriamiento. Bombear de la fosa de agua caliente hacia el tanque de mezclado. Alimentar vapor en el tanque de mezclado para calentar el agua que entra a la torre de enfriamiento. Verificar que la instrumentación de la torre de enfriamiento esté funcionando (termómetro, ventilador). Regular la cantidad de vapor al tanque de mezclado de acuerdo a la temperatura que se desea alcanzar. Estabilizar la temperatura del agua en la línea de alimentación y regular un flujo constante de agua. Tomar y registrar lecturas de temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire a la entrada y a la salida del agua. Realizar otra corrida manteniendo el flujo de alimentación de agua, pero variando la temperatura. Realizar una serie de corridas experimentales controlando y registrando las variables de flujo de alimentación de agua y temperatura del agua. RESULTADOS Para calcular los datos requeridos se necesitó dividir el intervalo de temperaturas del líquido leídas en la actividad y así poder utilizar un método numérico para la resolución de la integral que nos facilita el cálculo de dichos datos. ∫ Z= Altura de la torre Mb= Peso molecular del aire G=Flujo másico de aire [Kg/sm2] P= Presión atmosférica KGa= Coeficiente volumétrico de transferencia de masa [Kgaire seco/m3s] Siendo “h” el incremento y n par para n+1 intervalos. Para el primer intervalo: Haciendo uso de la ecuación, para el cálculo de la entalpia: Donde: H= El contenido de humedad Kg/Kg de aire seco To=Temperatura a la cual está construida la tabla de datos de equilibrio aire-vapor (0°C) Hy= Entalpia en J/Kg aire seco Se obtuvieron los valores de H con los datos obtenidos en la práctica de la lectura de la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo del aire. Con los datos de la curva de equilibrio obtenidos de la tabla 1 se realizó una regresión polinomial para conocer la Hy* a la temperatura dada. Ecuación: y = 0.0014x 3 –0.0168 + 2.4267.x – 4.6125 Se obtiene el valor de la fuerza motriz: Obteniendo así todos los datos para cada temperatura se utiliza la siguiente fórmula para obtener el área bajo la curva NtoG. Donde f(X)= y ∫ Para obtener: Por lo tanto: Con la Ecuación (1) despejamos el coeficiente volumétrico de transferencia de masa KGa y dado que tenemos todos los datos necesarios se obtiene: Para obtener G a partir del dato dado se hizo la siguiente operación conociendo el área de sección transversal de la torre y la densidad del aire Con los datos de la tabla 2 calculamos: Repitiendo así para los 8 datos leídos. Tabla 1.Entalpias de mezclas saturadas aire-vapor de agua (temperatura base 0°C) T L (°C) Hy (J/ kg de aire seco) 15.6 4.37E+04 26.7 8.40E+04 29.4 9.72E+04 32.2 1.12E+05 35 1.29E+05 37.8 1.48E+05 40.6 1.72E+05 43.3 1.97E+05 46.1 2.25E+05 60 4.65E+05 Grafica 1. Tabla 2. Datos de la torre Datos de la torre z (m) 1.5 ac (m^2) 0.282743339 G (kgaire/sm^2) 0.04183759 densidad aire( kg/m3) 1.29 Mb 29 P 0.99 Tabla 3. Datos leídos en la práctica Temperatura del H 2 O (ºC) Temperatura del aire (°C) No. Lectura Entrada Salida T b seco T b húmedo entrada entrada 1 28 20 20 17.5 2 26 19.5 19.5 16 3 20 16 16 14 4 30 21 21 18 5 24 19 19 16 6 36 23 23 22 7 34 25 25 23.5 8 32 23 23 22 y = 0.0014x 3 - 0.0168x 2 + 2.4267x + 4.6125 R² = 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 H y ( K J / K g d e a i r e s e c o ) T (°C) Hy vs T (SI) Series1 Poly. (Series1) Tabla 4. Resultados de los cálculos para la primera lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 20 0.01 45.486 57.6265 0.0823689304 0.37673779 2 21.3 46.851067 62.32888519 0.0646085880 3 22.7 48.216133 67.29011481 0.0524274390 4 24.0 49.5812 72.5301 0.0435750733 5 25.3 50.946267 78.06875185 0.0368697777 6 26.7 52.311333 83.92598148 0.0316309071 TL2 28 53.6764 90.1217 0.0274383803 Tabla 5. Resultados de los cálculos para la segunda lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 19.5 0.009 42.43644 55.925775 0.0741326389 0.31196642 2 20.6 43.54352 59.65321956 0.0620744041 3 21.7 44.6506 63.54414815 0.0529281209 4 22.8 45.75768 67.60924063 0.0457633218 5 23.8 46.86476 71.85917685 0.0400089350 6 24.9 47.97184 76.30463669 0.0352947861 TL2 26 49.07892 80.9563 0.0313702067 Tabla 6. Resultados de los cálculos para la tercera lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 16 0.009 38.85972 44.8733 0.1662902963 0.41859673 2 16.7 39.541 46.87231481 0.1364011811 3 17.3 40.22228 48.91861852 0.1149909238 4 18.0 40.90356 51.0147 0.0989008163 5 18.7 41.58484 53.16304815 0.0863691503 6 19.3 42.26612 55.36615185 0.0763356923 TL2 20 42.9474 57.6265 0.0681240676 Tabla 7. Resultados de los cálculos para la cuarta lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 21 0.015 59.2122 61.1298 0.5214851898 0.9759746 2 22.5 60.762 66.655125 0.1696892565 3 24.0 62.3118 72.5301 0.0978636368 4 25.5 63.8616 78.783075 0.0670175033 5 27.0 65.4114 85.4424 0.0499226199 6 28.5 66.9612 92.536425 0.0391003403 TL2 30 68.511 100.0935 0.0316631046 Tabla 8. Resultados de los cálculos para la quinta lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 19 0.013 52.07236 54.2576 0.4576156395 0.77804707 2 19.8 52.930227 57.05591019 0.2423840790 3 20.7 53.788093 59.94658148 0.1623775147 4 21.5 54.64596 62.934475 0.1206488738 5 22.3 55.503827 66.02445185 0.0950513855 6 23.2 56.361693 69.22137315 0.0777624338 TL2 24 57.21956 72.5301 0.0653144827 Tabla 9. Resultados de los cálculos para la sexta lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 23 0.0193 72.218832 68.5732 - 0.2743008620 1.24226979 2 25.2 74.474947 77.35940648 0.3466854438 3 27.3 76.731063 86.98028519 0.0975683764 4 29.5 78.987178 97.521275 0.0539546113 5 31.7 81.243293 109.0678148 0.0359395219 6 33.8 83.499409 121.7053435 0.0261739440 TL2 36 85.755524 135.5193 0.0200949381 Tabla 10. Resultados de los cálculos para la séptima lectura T(°C) H Hy (KJ/Kg) Hy* (KJ/Kg) 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 25 0.0175 69.715 76.655 0.1440922190 0.48482897 2 26.5 71.27185 83.175725 0.0840062585 3 28.0 72.8287 90.1217 0.0578268664 4 29.5 74.38555 97.521275 0.0432231970 5 31.0 75.9424 105.4028 0.0339438704 6 32.5 77.49925 113.794625 0.0275517197 TL2 34 79.0561 122.7251 0.0228995397 Tabla 11. Resultados de los cálculos para la octava lectura T(°C) H Hy Hy* 1/(Hy*-Hy) Área bajo la curva (N tog ) TL1 23 0.016 63.82284 68.5732 0.2105103613 0.61530281 2 24.5 65.37546 74.571025 0.1087480758 3 26.0 66.92808 80.9563 0.0712848815 4 27.5 68.4807 87.757375 0.0518761664 5 29.0 70.03332 95.0026 0.0400492125 6 30.5 71.58594 102.720325 0.0321188294 TL2 32 73.13856 110.9389 0.0264547885 Resultados finales Temperatura del H 2 O (ºC) numero de prueba Entrada Salida Ntog (número de unidades de transferencia entálpica del aire) KGa (coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa) HtoG(altura de una unidad de transferencia entálpica) 1 28 20 0.376737786 0.000366 3.981549122 2 26 19.5 0.311966419 0.000303075 4.808209829 3 20 16 0.418596727 0.000406666 3.583401168 4 30 21 0.975974604 0.000948158 1.536925237 5 24 19 0.778047075 0.000755872 1.927903913 6 36 23 1.242269795 0.001206863 1.207467175 7 34 25 0.484828967 0.000471011 3.093874548 8 32 23 0.615302812 0.000597766 2.437824061 promedio 0.650465523 0.000631926 2.822144382 CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados se puede observar que las unidades de transferencia de masa son muy pequeñas, lo que nos permite concluir que no hay mucha dificultad para que la transferencia de energía del líquido al gas se lleve a cabo. El valor del coeficiente de transferencia de masa es muy pequeño lo que nos indica que el paso controlante para que se lleve a cabo el enfriamiento del agua es la transferencia entalpica y no la transferencia de masa. BIBLIOGRAFÍA Geankoplis, C. Procesos de transporte y operaciones unitarias. (1998) 3ra ed México: Continental S. A de C. V. Himmelblau, D. Principios baiscos y cálculos en ingeniería química. (2002) 6ta ed. México: Pearson. Torres de Enfriamiento, (2013), disponible en: http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torres-de-enfriamiento/ [Consultado el 30 de Agosto de 2014] Generalidades de torres de enfriamiento de agua, (2009), disponible en: http://depa.fquim.unam.mx/procesos/generalidades.html [Consultado el 30 de Agosto de 2014] Torres de Enfriamiento, (2011), disponible en: http://www.ecured.cu/index.php/Torres_de_enfriamiento [Consultado el 30 de Agosto de 2014]