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• Nórida Pájaro Gómez

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LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS MANEJO DE SÓLIDOS

Montes Daniel, Florez Cristian, Martínez Nestor, Monsalve Jose Programa de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Cartagena Cartagena, Colombia

RESUMEN: Se estudió el comportamiento de una torre de enfriamiento, con el fin de complementar los conocimientos acerca de este tipo de equipos. Para ello se realizaron 4 pruebas con duraciones diferentes, se utilizó una interfaz proporcionada por EDIBON para el control automático de la torre, la cual debía medir la temperatura a la entrada y a la salida de la torre, los flujos de agua y aire, para conocer las condiciones con las que ingresaba el aire a la torre y así calcular la cantidad teórica de agua evaporada, además se calculó el calor intercambiado entre el aire y el agua y la eficiencia térmica de la torre. PALABRAS CLAVES: Torre de enfriamiento, calor intercambiado, eficiencia térmica

INTRODUCCIÓN Las torres de enfriamiento son equipos utilizados ampliamente en la industria, cuyo principio fundamental se basa en contactar un líquido caliente con un gas insaturado, de tal forma que parte del líquido se evapora y su temperatura descienda. Este equipo es una de las principales aplicaciones de la operación unitaria conocida como humidificación, la cual pertenece al tipo de contacto liquido-gas. Este tipo de torres están diseñadas con empaques especiales en donde se lleva a cabo el contacto entre el líquido y el gas, el cual facilitara la transferencia de masa. Aunque también se debe de tener en cuenta la transferencia de calor que se presenta por lo general por convección y radiación, esta última es despreciada debido a su mínimo efecto. A nivel industrial el papel de las torres de enfriamiento, es la disminución de la temperatura de aguas de procesos, con el fin

de reutilizarlas. Estas torres están presentes en plantas químicas, plantas de energía y aire acondicionado.

MARCO TEÓRICO TORRES DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento son equipos de transferencia de calor y masa entre el aire atmosférico y el agua caliente procedente de los procesos industriales. En éstos, el contacto entre el aire y el agua es directo. La teoría del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento, es la que desarrolló Merkel. Este análisis se basa en la diferencia del potencial de entalpía como fuerza impulsora. Se supone que cada partícula de agua está rodeada por una película de aire y que la diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento. En la siguiente grafica se muestran las

relaciones del agua y el aire y el potencial impulsor que existe en una torre de contraflujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero siguiendo una dirección opuesta al flujo del agua.

La velocidad de evaporación desde una superficie húmeda en una corriente de aire se determina por las diferencias entre la presión de vapor de la superficie del líquido, por ejemplo, la presión de saturación correspondiente a la temperatura de la superficie, y la presión de vapor en el aire circundante. Esta última, determinada por la presión total del aire y su humedad absoluta. En un espacio cerrado, la evaporación puede continuar hasta que las dos presiones de vapor sean iguales (hasta que el aire y la superficie se saturen y alcancen la misma temperatura). La temperatura de equilibrio es alcanzada por la superficie bajo condiciones adiabáticas (en la ausencia de ganancia o pérdida con el calor externo, la temperatura de bulbo húmedo tiende a relacionarse con la higrometría del sistema de la torre) [1].

Relaciones Agua-Aire y Potencial impulsor que existe en una torre de contraflujo. Si tenemos una gota o una película de agua caliente en contacto con una corriente de aire se puede decir que el agua se enfriará por las siguientes tres razones:  Por radiación: Aunque este efecto es poco representativo a condiciones normales, por lo tanto tiende a ser ignorado.  Por conducción y convección: Este efecto depende de varios factores: diferencia de temperatura, área superficial, velocidad del aire, entre otros.  Por evaporación. Este es el efecto más importante, el enfriamiento ocurre mientras que las moléculas de agua se difunden desde la superficie hacia los alrededores (aire). Estas moléculas son reemplazadas por otras desde el líquido (evaporación) y la energía requerida para esto, proviene del líquido remanente.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye en contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura de agua caliente, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.

densidad. El aire ascendente provoca una depresión en la parte inferior de la torre generándose la posibilidad de la admisión de aire fresco. Estos equipos presentan bajos costos de mantenimiento y de operación debido a que no tienen consumo eléctrico. Torres de Tiro Mecánico

Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO La clasificación de las torres de enfriamiento se da dependiendo del medio utilizado para suministrar aire a la torre, las cuales pueden ser [2]: - Torres de tiro natural - Torres de tiro mecánico. Torres de Tiro Natural

Torres de Tiro Mecánico Estas emplean ventiladores para controlar el flujo de aire que entra a la torre. Entre sus ventajas se encuentra que son compactas y brindan buen control sobre las condiciones de salida del agua. Por otra parte, estas presentan altos costos de operación y mantenimiento. Existen dos tipos principales de torres de tiro mecánico: de tiro forzado y tiro inducido.

Torre de Tiro Natural En ellas el agua caliente proveniente del proceso se pone en contacto con el aire, provocando su calentamiento y su ascenso como consecuencia de la disminución de su

 Tiro forzado: En esta torre el aire es tomado del ambiente; el ventilador se encuentra en la base y se hace entrar el aire en la base de la misma y se descarga con baja velocidad por la parte superior. De esta forma se tiene la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, la cual radica en que este es un sitio muy conveniente para la inspección, el mantenimiento y la reparación de los mismos. Puesto que el equipo queda fuera de la parte superior

caliente y húmeda de la torre, el ventilador no está sometido a condiciones corrosivas; sin embargo, dada la escasa velocidad del aire de salida, la torre de tiro forzado está sujeta a una recirculación excesiva de los vapores húmedos de salida que retornan a las entradas de aire. Puesto que la temperatura de bulbo húmedo del aire de salida es mucho mayor que la del aire circundante, existe una reducción en el buen desempeño, lo cual se evidencia mediante un incremento en la temperatura de agua fría (saliente) [1-2].

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se

alimento

el

recipiente

de

almacenamiento de agua caliente de la torre para alcanzar el nivel deseado. 2. Se conectaron la torre de enfriamiento y la computadora controladora al suministro de energía eléctrica. 3. Se encendió la computadora para el control del funcionamiento de la torre de enfriamiento. 4. Una vez encendida la computadora, se ingreso a la interface de control del equipo de enfriamiento de agua. 5. Se fijaron las temperaturas de inicio del recipiente

de

almacenamiento

y

del

recipiente receptor del agua enfriada. Torre de tiro forzado.

6. Se fijaron los archivos que realizarían la

 Tiro Inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico situado en la parte superior de la torre. Es el tipo de torre más utilizado en la industria.

toma de datos de cada una de las corridas en la torre. 7. Se llevaron a cabo cada uno de los procesos

MATERIALES Y EQUIPOS Para llevar a cabo el estudio práctico de la torre de enfriamiento de tiro forzado fue necesario hacer uso de los siguientes materiales y equipos:  Computadora controladora.  Interface de control de la torre.

de

enfriamiento

fijados

anteriormente según la temperatura inicial del agua caliente.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE DATOS 1. Primera corrida (datos)

TIEMP O(s)

T. del agua caliente (°C)

T . del agua en el tope (°C)

T. bulbo húmed o– entrada (°C)

T. bulbo seco – salida (°C)

0

28.1973

27.6447

28.0573

60

28.0732

27.7307

28.2711

28.4955

120

27,9256 9

28.134 6 28.367 0 28,422 352

T. De Bulbo Humed oSalida (°C) 27.5832

27,9150 28

28,4417 48

180

27,8202 38

28,465 528

28,0336 15

240

27,7187 96 28,1531 93 27,9556 2655

28,581 476 28,695 385 28,442 3444

28,1297 02 28,2178 13 27,9485 6643

300 Prome dio

T. De Bulbo Seco Salida (°C)

T. del agua fría (°C)

Caudal de aire(L/s )

Cauda l de agua (L/min )

26.8154

28,7057 72

27.67 70 27.65 56 27,52 9045

27,1225 17

45.595 7 45.434 1 45,249 821

0.923 2 1.510 9 1,491 133

28,3040 98

28,4545 44

27,38 1248

26,9156 7

45,130 817

1,034 234

28,2531 81 28,3011 46 28,2988 9147

28,2507 99 28,0637 63 28,3455 7017

27,25 2686 27,17 338 27,44 1835

26,7473 83 26,6545 51 26,9083 2265

45,000 866 45,025 871 45,194 3563

0,993 487 0,983 387 1,170 1788

Descripción de toma de datos primera corrida: En la primera corrida la temperatura del agua la tomamos como temperatura ambiente. El tiempo de toma de datos fue cada 5 segundos, el reportado en la tabla anterior es cada 1 min puesto que las variaciones en cada rango de las temperaturas eran parecidas en el transcurso de los 60 segundos, aunque en los primeros 30 segundos se trabajo con un caudal de agua de aproximadamente 1L/min el cambio en las temperaturas fue despreciable, a partir de los 30 segundos en adelante se trabajo hasta los 120 segundos con un caudal de 1.5L/min y también se observo que los cambios en las temperaturas fueron muy pequeños, luego se trabajo nuevamente con un caudal de 1L/min aproximadamente y las temperaturas mostraron cambios alrededor de 0.06 a 0.3. Por lo cual al ser los cambios tan pequeños se decidió reportar en el presente trabajo los datos por cada minuto. El cálculo del

27.0331

promedio se realizo en base a todos los datos reportados por el equipo, en el transcurso de la corrida. Manteniendo casi que constante el caudal del aire.

CALCULOS

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2. Segunda corrida (datos)

TIEM PO(s)

T. del agua calient e (°C)

T . del agua en el tope (°C)

0

36,689 934 34,307 907 34,765 854 35,388 737 35,849 731 36,370 67 35,244 80153

120 240

360 480 600 Prom edio

29,682 81 33,577 362 34,891 998

T. bulbo húmed o– entrada (°C) 28,657 578 28,530 844 28,937 78

35,716 9 36,205 502 36,504 112 34,708 69211

29,268 404 29,551 651 29,796 312 29,066 88023

T. bulbo seco – salida (°C)

T. De Bulbo Seco Salida (°C)

T. del agua fría (°C)

Caudal de aire(L/s )

Caudal de agua (L/min)

28,801 565 29,372 442 29,630 178

T. De Bulbo Humed oSalida (°C) 28,099 216 29,325 375 30,191 473

28,019 754 28,733 948 29,636 017

26,706 467 28,468 903 29,333 01

45,061 749 44,788 879 44,509 235

1,0329 12 0,9347 02 1,0074 69

29,822 945 30,039 782 30,269 392 29,689 63237

31,028 337 31,626 728 32,000 912 30,431 91239

30,648 937 31,395 113 31,825 951 30,038 26676

30,723 804 31,378 866 31,621 386 29,793 15773

44,641 361 44,325 249 44,275 135 44,610 93271

1,4407 62 1,4750 43 1,4590 7 1,2128 09301

por el equipo, en el transcurso de la corrida. Manteniendo casi que constante el caudal del aire. Descripción de toma de datos segunda corrida: El agua se calentó hasta una temperatura de 37°C aproximadamente. Al igual que en la primera corrida el tiempo de toma de datos fue cada 5segundos, el reportado en la tabla anterior es cada 2 min por que las variaciones en cada rango de las temperaturas eran parecidas. En este caso el flujo del agua fue de 1L/min hasta 290 segundos, de allí en adelante se vario el flujo a 1.5 L/min hasta los 600 segundos, para ambos casos el cambio de las temperaturas a pesar de ser pequeño se puede observar que en cada minuto el cambio de ellos varía entre 0.6 y 1.0 °C. El cálculo del promedio se hizo en base a todos los datos reportados

CALCULOS

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3. Tercera corrida (datos)

TIEM PO(s)

0 120 240 360 480 600

720 900 1020 2030 Prom edio

T. del T. del agua agua en caliente el tope (°C) (°C)

32,960 88 32,623 97 33,248 669 32,498 722 33,357 22 33,798 328

34,554 234 33,783 207 34,113 464 33,506 802 33,692 188 34,430 859

T. bulbo húmed o– entrada (°C) 30,218 699 30,314 539 30,419 811 30,590 067 30,705 7 30,790 541

34,398 983 34,800 411 35,243 301 34,191 063 33,816 19906

34,931 141 35,317 429 35,737 988 33,412 209 34,519 98522

30,904 284 31,056 276 31,182 396 31,398 607 30,756 47416

T. bulbo seco – salida (°C)

T. De Bulbo Seco Salida (°C)

T. del agua fría (°C)

Caudal de aire(L/s )

Caudal de agua (L/min)

30,832 537 30,906 719 30,854 849 30,249 75 30,372 047 30,491 653

T. De Bulbo Hume do Salida (°C) 30,535 667 30,222 416 30,387 941 30,508 579 30,424 068 30,710 381

30,861 687 30,604 979 30,578 217 30,679 956 30,695 063 30,937 485

29,073 456 29,391 542 29,268 869 29,969 511 29,958 923 30,238 535

43,982 521 43,729 679 43,649 418 43,393 89 43,431 778 43,394 348

0,7671 33 1,0006 06 1,0088 08 1,4598 19 1,3732 39 1,3688 28

31,227 823 31,531 818 31,691 534 31,986 938 30,953 79099

31,078 041 31,456 56 31,696 762 29,989 885 30,851 3649

31,487 129 31,994 213 32,281 563 30,370 077 31,212 40945

31,380 777 31,827 139 32,102 104 30,327 755 30,535 55202

43,374 771 43,179 737 43,252 644 43,199 646 43,414 51643

2,0749 22 2,0432 89 2,0715 36 2,0796 16 1,5568 66248

Descripción de toma de datos tercera corrida: El agua se calentó hasta una temperatura de 33°C aproximadamente. En este caso el tiempo de toma de datos fue cada 2.5 segundos, el reportado en la tabla anterior es cada 2 min por que las variaciones en cada rango de las temperaturas también fueron parecidas. En este caso el flujo del agua fue de 1L/min hasta 4min, de allí en adelante se vario el flujo a 1.5 L/min hasta los 660 segundos, y se vario el flujo a 2L/min hasta los 2030 segundos. En los tres casos el cambio de las temperaturas a pesar de ser pequeño se puede observar que en cada

minuto el cambio de ellos varía entre 0.2 y 0.9 °C. El cálculo del promedio igualmente se hizo en base a todos los datos reportados por el equipo, en el transcurso de la corrida. Manteniendo casi que constante el caudal del aire.

CALCULOS

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4. Cuarta corrida (datos) TIEM PO(s)

T. del agua calient e (°C)

T . del agua en el tope (°C)

0

34,183 891 33,432 011 33,973 4 33,994 118 33,686 749 34,460 32 34,237 827 33,974 854 33,956 0963

120 240 360 480

600 720 760 Prom edio

33,530 144 34,089 848 34,529 961 34,433 59 34,573 868

T. bulbo húmed o– entrada (°C) 31,395 788 31,488 39 31,485 668 31,488 764 31,529 726

35,019 737 35,376 484 35,221 821 34,599 03503

31,503 963 31,493 315 31,500 051 31,491 79529

T. bulbo seco – salida (°C)

T. De Bulbo Seco Salida (°C)

T. del agua fría (°C)

Caudal de aire(L/s )

Caudal de agua (L/min)

31,972 624 31,977 507 32,008 671 32,013 332 32,087 246

T. De Bulbo Humed oSalida (°C) 29,754 509 30,666 901 31,290 491 31,610 485 31,863 3

30,249 672 31,354 046 31,965 088 32,210 178 32,399 448

30,132 496 31,170 387 31,925 991 31,971 153 31,670 103

43,434 734 43,384 815 25,563 137 25,654 285 25,700 872

2,1194 78 2,1103 65 2,0315 41 2,0053 28 1,4632 77

32,123 566 32,127 983 32,121 834 32,053 52116

31,809 107 32,080 837 32,072 842 31,410 03678

32,075 741 31,920 923 31,871 887 31,883 26828

31,047 842 31,053 581 31,081 606 31,367 84346

25,733 438 25,689 972 25,477 571 29,880 06993

1,0368 69 1,0340 83 1,0200 1 1,6324 35567

Descripción de toma de datos cuarta corrida: El agua se calentó hasta una temperatura de 34°C aproximadamente. En este caso el tiempo de toma de datos fue cada 2 segundos, el reportado en la tabla anterior es cada 2 min por el cambio despreciable de las temperaturas dentro de ese rango. En este caso el flujo del agua fue de 2L/min hasta los 6 min, de allí en adelante se vario el flujo a 1.5 L/min hasta los 540 segundos, y se vario el flujo a 1L/min hasta los 760

segundos. En los tres casos el cambio de las temperaturas a pesar de ser pequeño se puede observar que cada 2 minutos el cambio de ellos varía entre 0.8 y 1.1 °C. El cálculo del promedio igualmente se hizo en base a todos los datos reportados por el equipo, en el transcurso de la corrida. En este caso variando el caudal del aire de 43L/s a 25.7L/s aproximadamente.

Las conclusiones que observamos al finalizar esta práctica son:

CALCULOS

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Se verificó que la temperatura de bulbo húmedo siempre iba a variar en pequeñas proporciones a lo largo de las corridas, sin embargo esta siempre mantenía una relación menor con respecto a la temperatura de bulo seco, esto ocurre siempre y cuando el sistema se encuentre a la misma temperatura y las mismas condiciones de presión. Se realizó un cálculo de la eficiencia térmica a lo largo de toda la torre, lo que nos arrojó como resultado una eficiencia promedio del 71.12% aproximadamente. Los cambios que se observan en las corridas con respecto a Wa y Wb se deben al equilibrio que se forma en el transcurso de la corrida en la entrada con la salida.

CALCULOS

REFERENCIAS

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[1] Vernon J. Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa, División de ciencias básicas e ingeniería, Laboratorio de operaciones unitarias, torre de enfriamiento.

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[2] Valdez M. Centro de Ciencias de Sinaloa, Facultad de Ciencias Químicas Biológicas, Diseño y construcción de una torre de enfriamiento [3] McCabe, Smith, & Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Séptima Edición, México, McGraw-Hill. [4] Kern, Transferencia de Calor, México, McGraw-Hill, 1999.

CONCLUSIONES El equipo de torre de enfriamiento ésta totalmente automatizado, lo que nos permitió realizar cálculos con poco lugar a la duda y además fue necesario la ayuda de programas como Excel para realizar los cálculos.