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• Wilmer Morales

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Universidad de Cartagena Faculta de Ingeniería Programa de Ingeniería Química

Practica N° 8: Torre de enfriamiento Rafael Alcalá 1, María Gary 1, Marcela López 1, Karla Pedrozo 1, Jim Torriente 1, Álvaro Realpe Jiménez 2. 1 Estudiantes de Ingeniería Química. 2 Docente de Laboratorio de Operaciones Unitarias II. 1. RESÚMEN La practica de laboratorio de torres de enfriamiento tiene como finalidad relacionar el comportamiento de la temperatura del agua con respecto al tiempo para distintos caudales y temperaturas de entrada con el fin de determinar la eficiencia de dicha torre. Esta estuvo compuesta por dos etapas, la primera en la cual se trabajo con una temperatura de entrada de agua de 35°C y dos caudales diferentes de 200l/h y 300l/h, respectivamente durante 10 minutos y la segunda en la que se tomo la temperatura de entrada del agua en 40°C y se operó con los mismos caudales. Por medio de esta experiencia se pudo determinar que a medida que el caudal incrementa disminuye la temperatura final de salida del fluido en cuestión por lo cual se evidencia la inversa proporcionalidad de estas variables durante el proceso y además se determino por medio de ciertos cálculos que la eficiencia de la torre es de 0,599% .

2. INTRODUCCIÓN Las torres de enfriamiento se aplican en la industria desde hace más de 100 años, se basan en el enfriamiento evaporativo del agua, cuenta con múltiples beneficios comparados con otros tipos de sistemas de refrigeración por el mayor ahorro energético y el menor impacto ambiental. La transferencia de calor se produce cuando el agua y el aire confluyen en el relleno de la torre, en el que tiene lugar el intercambio térmico entre los dos fluidos donde se aumenta la superficie y el tiempo de contacto entre el aire y el agua fomentando la eficiencia del enfriado. Al evaporarse, el agua toma el calor que necesita del resto del agua que circula, enfriándola. La torre de enfriamiento utilizada para realizar la práctica, es de tiro inducido a contracorriente, está constituida por una bomba encargada de impulsar el agua hasta la parte superior de la torre, para posteriormente ser rociada a través de la tubería con orificios que permitiendo su riego gota a gota, asegurando su flujo a través de los platos colocados de manera diagonal en toda la columna, esto conlleva a que haya un mayor área y tiempo de contacto, logrando una mayor transferencia de calor entre el agua y el aire. Los sensores de temperatura, 1

termocuplas tipo K, 6 en total ubicadas a través de todo el equipo con el fin de medir las temperaturas del aire entrante al sistema, temperaturas de salida del aire de la torre, el sensor encargado de medir la temperatura del agua ingresada a la torre y el encargado de medir el agua enfriada, saliente de la torre. Además, el equipo cuenta con un filtro dispuesto en la tubería de la torre, colocado con el fin de que el agua llegue sin sucios que puedan obstruir los pequeños agujeros encargados del riego del agua. 3. OBJETIVOS 1.1 General Conocer el rendimiento y funcionamiento de una torre de enfriamiento de tiro inducido y entender la importancia del uso de esta operación unitaria en un proceso de producción.

Específicos  Calcular la eficiencia de la torre de enfriamiento ubicado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, Campus Piedra de Bolívar de la Universidad de Cartagena.  Determinar el comportamiento del proceso con respecto al tiempo.

4. METODOLOGIA 4.1 Equipo y Materiales El equipo está conformado por

     

las siguientes partes:

Equipo Mecánico. Relleno. Contenedor y Sistema Calentamiento de agua. Sistema de distribución del aire. Base recolectora del agua fría. Sistema de distribución del agua. Los materiales necesarios para la realización de la práctica de laboratorio de torres de enfriamiento son:   

Agua destilada Torre de enfriamiento Modelo TTEC Computadora-Software 2



Interfase de control de la torre

4.2 Variables:  En esta práctica, se deben tener en cuenta y llevar un seguimiento de las siguientes variables: Tipo de Variable Independientes

Nombre

Definición

Unidad

Flujo de entrada agua

Cantidad de agua por unidad de tiempo que pasa a través de una sección de ducto Duración de la separación de los sucesos Cantidad de aire por unidad de tiempo que pasa a través de una sección de ducto Magnitud física que indica la intensidad del calor del agua que sale Temperatura de la mezcla de aire seco y vapor de agua

L/h

Tiempo Flujo de entrada de aire Dependientes

Temperatura de salida del agua Temperatura de bulbo seco de salida del aire Temperatura de bulbo húmedo de salida del aire

Intervinientes

Temperatura limite de enfriamiento que alcanza una pequeña masa de liquido en contacto con una masa mayor de aire húmedo Magnitud física que mide el desplazamiento del aire con respecto al tiempo Temperatura de la mezcla de aire seco y vapor de agua y Temperatura límite de enfriamiento que alcanza una pequeña masa de líquido en contacto con una masa mayor de aire húmedo Magnitud física que indica la intensidad de calor del agua que entra

Velocidad del ventilador Temperatura de bulbo seco y húmedo de entrada del aire

Temperatura de entrada del agua caliente

Tabla 1. Variables del proceso.

3.3 Equipos y diagramas de flujo

3

min L/h °C

°C

m/s °C

°C

Figura 2. Diagrama de flujo del Equipo

Figura 3. Funcionamiento de la torre de enfriamiento

3.4 Diseño del experimento Operación del equipo

4

Comprobar que el volumen del tanque este por encima del sensor de nivel del tanque.

Abrir las válvulas 2 y 6 del equipo.

Encender los equipos electrónicos, primero B-1 (medidores de temperatura), segudio de las resistencias, B-3 y B-6

Obtener el nivel y la temperatura deseada en el flujo de entrada a la torre

Encender el extractor (B-2 y B-5)

Determinar un caudal de agua a trabajar.

Esperar la estabilización del equipo y se procede a tomar los datos en diferente tiempos.

Repetir esta serie de pasos con dos caudales a tiempos diferentes.

Apagar el equipo

Figura 4. Procedimiento experimental.

3.5 Recomendaciones de seguridad 

 

 

Al momento de llenar el tanque de almacenamiento con agua, asegurar que la resistencia del tanque por debajo al nivel del agua del tanque. Usar bata de laboratorio. No ingresar la mano al tanque de almacenamiento de agua mientras la resistencia se encuentre encendida, medir la temperatura con el termómetro laser y mezclar el agua con un mezclador. Es necesario ser precavidos con el caudal ya que, si se aumenta mucho, se puede averiar la resistencia que calienta el agua En caso de emergencia

5

RESULTADOS Para evaluar la eficiencia de la torre de enfriamiento se trabajó con dos temperaturas de entrada del agua (35°C y 40°C) con caudales de 200l/h y 300l/h cada uno, con una duración de 10 minutos, tabulando las temperaturas de entrada y salida del agua cada minuto. Para una temperatura inicial de 35°C obtuvimos lo siguiente:

Tiempo (min)

T entrada (°C)

T salida (°C)

0

35

32,5

1

35,2

32,5

2

35,2

32,1

3

35,1

32

4

35

31,5

5

35

31,3

6

34,9

31,2

7

34,8

31,2

8

34,7

31,1

9

34,6

31

10

34,7

31

Tabla 1: Registro de datos con un caudal de 200l/h

Tiempo (min) 0

T entrada (°C)

T salida (°C)

34,6

31

1

34,8

30,5

2

35,3

30

3

35,4

29,7

4

35,5

29,5

5

35

29,5

6

35,8

29,4

7

35,5

29,3

8

35,6

29,2

9

35,4

29,1

10

35

29

Tabla 2: Registro de datos con un caudal de 300l/

Para un caudal de 300l/h: 6

Tiempo (min)

T entrada (°C)

T salida (°C)

0

40,4

35,5

1

40,1

35

2

39,7

34,5

3

39,3

34

4

39,2

33

5

38,9

32,5

6

39,2

30

7

41

32,3

8

40,8

32,2

9

40,7

32

10

40,5

31,9

Tabla 3: Registro de datos con una temperatura inicial de 200l/h

Tiempo (min)

T entrada (°C)

T salida (°C)

0

40

36

1

40

35,5

2

40,1

36

3

39

35

4

40,3

34,2

5

40,7

34,1

6

40,8

32

7

40,7

31

8

40,2

30

9

40

30,1

10

40

30

Tabla 4: Registro de datos con una temperatura inicial de 300l/h

Con el objetivo de ver el comportamiento del proceso con respecto al tiempo procedemos a graficar los datos obtenidos en la práctica de laboratorio. 7

T de salida Vs Tiempo (Ti=35°C) 33

Temperatura(°C)

32 31 300L/h 200L/h

30 29 28 27

0

2

4

6

8

10

12

Tiempo (min) Gráfico 1: Tsalida Vs Tiempo

De la gráfica 1 podemos observar que, durante el transcurso de los 10 minutos de prueba, las temperaturas de salida con un caudal de 200l/h tuvieron una variación de aproximadamente 0,4°C llegando a una temperatura de 31°C, mientras que con el caudal de 300l/h se presentó una diferencia de temperatura de 0,5°C durante los 3 primeros minutos y el resto del tiempo se mantuvo casi que constante en una temperatura de aproximadamente 29 °C.

T de salida Vs Tiempo (Ti=40°C) 37 36

Temperatuea(°C)

35 34 33 300l/h 200l/h

32 31 30 29 28 27

0

2

4

6

8

10

12

Tiempo (min) Gráfico 2: Tsalida Vs Tiempo

En la gráfica 2 vemos que la variación de las temperaturas de salida del agua durante los 10 minutos de prueba con el caudal de 200 l/h disminuyo 0,5°C de manera casi que constante durante los 6 primeros minutos, luego hubo un 8

aumento en la temperatura, esto pudo ser causado por los daños que presenta el equipo. Por otro lado, para le caudal de 300l/h la temperatura disminuyo 1°C hasta el minuto 8 luego se mantuvo constante con una temperatura de 31°C. Para el calculo de la eficiencia de la torre de enfriamiento tenemos que:

n=

T entrada agua−T T entrada agua−¿T

Salidaagua

bh aire entrada

Tiempo (min) 0

¿ Eficiencia Q=200l/h 35°C 40°C 0,25 0,318181818

1

0,264705882

0,337748344

2

0,303921569

0,353741497

3

0,306930693

0,370629371

4

0,35

0,436619718

5

0,37

0,460431655

6

0,373737374

0,647887324

7

0,367346939

0,54375

8

0,371134021

0,544303797

9

0,375

0,554140127

0,381443299

0,55483871

10

Eficiencia Q=300l/h 35°C 40°C 0,375 0,266666667 0,4387755 0,3 1 0,5145631 0,271523179 1 0,5480769 0,285714286 2 0,5714285 0,39869281 7 0,55 0,420382166 0,5925925 0,556962025 9 0,5904761 0,617834395 9 0,6037735 0,671052632 8 0,6057692 0,66 3 0,6 0,666666667

Tabla 5: Calculo de eficiencia de la torre de enfriamiento. Calculando un promedio tenemos:

Eficiencia Q=200l/h 35°C 40°C 0,3714219 0,51222724 8

Eficiencia Q=300l/h 35°C 40°C 0,51154948 0,59904557 3

Tabla 6: promedio eficiencia de la torre de enfriamiento.

De acuerdo a los resultados mostrados en la tabla 6 vemos que la torre fue mas eficiente cuando se trabajó con una temperatura de 40°C, y con un caudal de 300l/h teniendo una eficiencia de 0,599% .

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Tabla 8. Eficiencia de una torre de enfriamiento, simulación y experimentación. ANALISIS DE RESULTADOS

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos a través de los datos y cálculos correspondientes podemos comparar la información obtenida junto con otras experimentaciones en las torres de enfriamiento. En el artículo titulado : “Análisis del desempeño de una torre de enfriamiento a escala de laboratorio para diversos materiales de empaque, temperatura de entrada de agua y relación másica de flujo agua-aire” se realizaron diferentes experimentaciones en una torre de enfriamento con diferentes arreglos de empaque, como por ejemplo: acrílico, aluminio, hierro, entre otras. A continuación los resultados de la eficiencia de la experimentación con los diferentes empaques, cabe resaltar que manejaron temperaturas similares de entrada a la torre, es decir, 30 °C – 40°C.

Tabla 7. Promedio de eficiencias para diferentes empaques.“Análisis del desempeño de una torre de enfriamiento a escala de laboratorio para diversos materiales de empaque, temperatura de entrada de agua y relación másica de flujo agua-aire”

Claramente podemos confirmar de la tabla 7 que el acrilico resulto ser el mejor empaque debido a su alta eficiencia, de acuerdo a esta investigación podemos confirmar que la eficiencia de la torre de enfriamiento es ligada al empaque, por lo tanto, podemos asimilar que la torre de enfriamiento trabajada en el laboratorio tiene un empaque con propiedades similares al de la película de acrilico debido a que los valores de la eficiencia son parecidos, valores apreciados en la tabla 6. Ademas a través de este estudio con diferentes tipos de empaque se puede establecer una relación entre el coeficiente de tranferencia de masa (kya) y la eficiencia, por ende, los valores de kya para la tabla 6 pueden ser considerablemente altos. 10

Se registraron resultados similares de eficiencia en otra investigación de torre de enfriamiento realizada por estudiantes de ingeniería, también se trabajaron con temperaturas similares, sin embargo realizaron simulación y experimentación para compara los datos y el margen de error, los resultados son plasmados a través de la siguiente tabla:

Tabla 8. Eficiencia de una torre de enfriamiento, simulación y experimentación.

El valor de la eficiencia obtenido a través de la experimentación (Tabla 8) comparado con nuestros resultados de laboratorio son aproximados (Tabla 6), en el caso de que durante la experimentación se hubiese tomado en cuenta una simulación de la torre, a traves de cualquier software, se esperaría un resultado de la eficiencia considerablemente mayor que la experimental. Esto se debe a las diferentes alteraciones o perturbaciones que se puedan generar que disminuya el ky y por ende la eficiencia. Las simulaciones de torres de enfriamiento son muy importantes, estas nos ayudan a entender el posible comportamiento de los procesos en general y los posibles resultados. Por ende otra investigación soporta lo dicho anteriormente a traves de un estudio llamado “Simulación de una Torre de Enfriamiento Mecánica Comparada con Curvas Experimentales”. Gráficamente se demostró la temperatura del agua respecto al tiempo durante la experimentación y a traves de la simulación.

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Grafica 3. Datos obtenidos experimentalmente vs datos simulados, “Simulación de una Torre de Enfriamiento Mecánica Comparada con Curvas Experimentales”

En la Gráfica 3 se puede observar que para una temperatura de entrada de 40 °C a la torre, el comportamiento de la disminución de la temperatura es muy parecido debido a que existen algunas discrepancias durante el enfriamiento experimental. La disminución del porcentaje de eficiencia de una torre de enfriamiento se debe a diferentes causas, entre las mas comunes, las incrustaciones de material no deseado en el equipo, esto se puede corroborar a traves del artículo titulado como “Modeling and characteristic analysis of fouling in a wet cooling tower based on wavelet neural networks”. Aquí establecen una relación bastante significativa entre las incrustaciones que existan en el equipo y la temperatura de salida final del agua. Este análisis se realizo por medio de redes neuronales lineales walvelets, obteniendo como resultado la disminución de la efectividad del enfriamiento de la torre debido a las incrustaciones.

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Grafica 4. Efectividad y reducción de la efectividad con el tiempo para diferentes valores de temperatura del agua de entrada. Según el articulo los resultados son debido a que la temperatura tiene poco efecto sobre la formación de incrustaciones granulares, pero tiene una gran influencia en la formación de incrustaciones de cristalización y incrustaciones de reacción química. Con esto podemos atribuir a que el resultado de la eficiencia experimental de nuestro equipo es reducido debido al material no deseado que se encuentre dentro del equipo.

CONCLUSIONES La torre de enfriamiento tiene como función objetiva disminuir la temperatura del agua que provenga de cualquier proceso, esto ha sido demostrado experimentalmente logrando eficiencias hasta de un 56% para una temperatura de entrada de agua de 40 °C con diferentes caudales. Se obtuvo una eficiencia mayor para la temperatura de entrada de 40°C debido a que la velocidad de transferencia de calor es mayor por la diferencia de la temperatura. Se puede atribuir una causa de una eficiencia aceptable debido al material de empaque de la torre porque tiene propiedades, como la conductividad, que ayudan a que la transferencia de masa sea mas efectiva y por ende obtener un mejor rendimiento en la torre. La eficiencia disminuye al poner en contacto el líquido con empaques con conductividad térmica alta como los metales tal como el hierro debido al efecto de la transmisión de calor al empaque por conducción. Se sugiere realizar simulaciones de la torre de enfriamiento para corroborar la veracidad de los datos y sacar conclusiones mas precisas, de igual forma se sugiere realizar mantenimientos periódicos al equipo para disminuir incrustaciones y elevar su rendimiento.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (1993). Unit operations of chemical engineering (Vol. 1130). New York: McGraw-hill. Qianjian J, Zheng W, Peng S, y otros. (2019) Modeling and characteristic analysis of fouling in a wet cooling tower based on wavelet neural networks. El sevier, Applied Thermal Engineering, Volumen 152, Abril 2019, Pages 907-916. L. G. Obregon, J. C. Pertuz, R. A. Dominguez, “Performance analysis of a laboratory scale cooling tower for different packing materials, water inlet 13

temperature and mass flow ratio water-air”, Prospectiva, Vol 15, N° 1, 42-52, 2017. Alean J, Gutierrez G, Chejne F, Batidas M. (2019) Simulación de una Torre de Enfriamiento Mecánica Comparada con Curvas Experimentales. nformación Tecnológica Vol. - 20 Nº 3 – 2009 Camacho S, Chamorro H. (Noviembre de 2015) Torre de enfriamiento. Universidad Catolica Andres Bello. Recuperado de: https://www.academia.edu/18090667/TORRES_DE_ENFRIAMIENTO

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