BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA

Transcripción

1 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA. PROBLEMA Encntrar el fluj de aire (m 3 /h) necesari para enfriar 4.35 L/min de de una temperatura cercana a 48 C hasta 8 C en una trre de enfriamient. Explre pr l mens tres flujs de aire en el interval de 90 a 30 m 3 /h. Resuelva ls balances de materia y energía en la trre de enfriamient para cada fluj de aire que prbó y cnteste las siguientes preguntas: Qué cantidad de se evapra y se transfiere al aire en kg/h? Cuáles sn la temperatura y la humedad del aire a la salida de la trre? Qué cantidad de se pierde pr arrastre en kg/h? Cuál es la influencia del fluj de aire en el enfriamient del y en la cantidad de evaprada?. PARTE EXPERIMENTAL. Medidas de higiene y seguridad Evitar derramar Secar el área de trabaj en cas de derrame de.. Materiales 4 fusibles Psicrómetr Termómetr de bulb sec Piceta cn Crnómetr.3 Sustancias Agua Aire ambiente.4 Servicis auxiliares Crriente eléctrica de 0 vlts.

2 .5 Descripción del equip Clave Equip Características Trre de enfriamient Trre de enfriamient de marca Hiltn, tip: tir frzad, dimensines: larg 30 cm anch 30 cm altura del empaque:.7 m,cnstruid en alumini andizad cn un ttal de 57 rejillas. entiladr de aire entiladr de aire centrífug de una sla etapa y de 3 Hp, cn persiana para cntrl de aire en la entrada, cn capacidad de 430 m 3 / h a 8 0 C 3 Calentadr de Cuatr calentadres de tip resistencia cn una capacidad de calentamient de.5 Kj / s 4 Placa de rifici Prvca la caída de presión del aire entrante 5 Cnvertidr de la placa de rifici Manómetr diferencial cn capacidad de medida de m 3 / h a 8 0 C y.5 Kg / m 3 6 Tanque de alimentación Alimentación de pr gravedad cn una capacidad de suministr de 5.8 LPM de. 7 Rtámetr para fluj de Rtámetr para fluj de cn indicadr de altura del fltadr, interval de 0 8 y capacidad de 5.9 LPM. 8 Termómetr para medir la Termómetr bimetálic de carátula cn interval de C temperatura del de entrada. 9 Termómetr para medir la Termómetr bimetálic de carátula cn interval de C temperatura de de salida 0 Tanque receptr de Tanque receptr de cn indicadr de nivel cn capacidad de 4.3 Kg masa de. Caja distribuidra de aire Caja distribuidra de aire de entrada cn ds termpzs para clcar un termómetr de bulb sec y tr de bulb húmed

3 .6 Diagrama de la Trre de enfriamient Hiltn.7 Desarrll experimental Preparación del equip:. erifique que esté abierta la válvula de suministr de de la red general del labratri al equip.. Clque ls 4 fusibles del calentadr eléctric. 3. Clque en la psición de encendid (ON), ls interruptres del calentadr y del mtr del ventiladr. 4. Instale el termómetr de bulb sec en la entrada de aire a la trre, en su respectiv term pz. 5. Abra las válvulas y de suministr de al tanque de alimentación. La descarga de hacia el drenaje pr la línea de purga le indicará tanque llen. Cntrle una descarga mderada de hacia el drenaje, para mantener una presión cnstante en la alimentación. erifique que n haya burbujas de aire en la línea de.

4 6. Abra la válvula del cntrl de fluj de 3 hasta btener el fluj de que se especifica en el prblema (Psición en el rtámetr) 7. Cntrle en el medidr de nivel del tanque receptr de, una altura intermedia de cn la válvula 4. Este nivel prduce un sell, que evita el escape de aire y cubre el sensr del termómetr bimetálic de salida. Operación del equip: 8. Arranque el ventiladr. y elija el fluj de aire (entre 90 y 30 m 3 /h) abriend cerrand la persiana del ventiladr. 9. Active tres cuatr resistencias de calentamient del para alcanzar una temperatura cercana a la especificada en el prblema. Precaución: cuide que la temperatura n pase de 50 0 C 0. Humedezca la mecha del termómetr de bulb húmed del psicrómetr y mida las temperaturas de bulb sec y bulb húmed del aire ambiente.. Registre en la tabla de dats experimentales, cada diez minuts, las cndicines de peración.. Permita que la trre alcance el régimen permanente. 3. Mida el fluj de a la salida de la trre después de cmpletar el registr de dats cn el siguiente prcedimient. a. Abra la válvula 4 de descarga del tanque receptr de hasta que se vacíe. b. Cierre rápid y cmpletamente la misma válvula. Observe la elevación del nivel de en el medidr de nivel. Arranque el crnómetr, cuand el nivel del cincida cn la marca inferir de calibración del tanque. c. Detenga el crnómetr cuand el nivel del cincida cn la marca superir de calibración. Registre el tiemp d. Abra la válvula 4 y permita que el tanque se vacíe nuevamente. e. Repita la medición hasta que btenga tres a cuatrs lecturas de tiemp 4. Seleccina tr fluj de aire diferente para realizar tra crrida. Par del equip: 5. Apague ls calentadres de y el ventiladr. 6. Quite tds ls termómetrs y ls fusibles. 7. Pnga en la psición de apagad (OFF), ls interruptres del calentadr y mtr del ventiladr. 8. Espere a que el termómetr de entrada de marque temperatura ambiente y cierre las válvulas de suministr y cntrl de a la trre (, y 3).

5 .8 Infrmación experimental ( Ir a Tabla ). 3. CUESTIONARIO. Cóm se da cuenta que se alcanza el régimen permanente en la peración de la trre?. Represente mediante un diagrama de fluj de prces simplificad la trre de enfriamient de y señale las crrientes de entrada y salida y las variables invlucradas. Use la ntación declarada en el anex de este guión. 3. Revise el anex y cerciórese de que entiende cm realizar ls balances de materia y energía en la trre de enfriamient. En estas ecuacines se ha cnsiderad que las crrientes de aire tienen ds cmpnentes: Aire sec y (vapr). El aire sec está frmad pr tds ls gases presentes cm sn el O, N, CO, etc. También se ha cnsiderad que el aire disuelt en la crriente de es despreciable. 4. Cn las ecuacines que se prprcinan en el anex para el sistema aire-, plantee cm calcular la humedad absluta de una crriente de aire si se cncen las temperaturas de bulb húmed y bulb sec y la presión absluta. Para cada una de las crridas efectúa ls cálculs de balance de materia y energía (cnsulta el anex) y cntesta las siguientes preguntas: 5. Cuánts grads centígrads se enfrió el? Cóm influye el fluj de aire en el enfriamient del? 6. Cmpare el fluj másic de a la entrada y a la salida de la trre, a que cree que se deba la diferencia? 7. Utilice la carta de humedad y un métd analític (ver anex) para determinar para el aire ambiente y el de salida de la trre: El punt de rcí, La humedad relativa, y La humedad absluta. 8. Cmpare la humedad absluta del aire a la entrada y a la salida de la trre, a que cree que se deba la diferencia? 9. Calcule el fluj másic de aire que se alimentó a la trre de enfriamient.

6 TABLA INFORMACIÓN EXPERIMENTAL CORRIDA N ( ) TIEMPO (min) FLUJO DE H O (L/min) FLUJO DE AIR (m 3 /h) T H O ENTRADA T H O SALIDA Tbs AIRE ENTRADA TbH AIRE ENTRADA TbS AIRE SALIDA TbH AIRE SALIDA TbS AIRE AMBIENTE TbH AIRE AMBIENTE PROMEDIO PROMEDIO PROMEDIO TIEMPO DE ACUMULACIÓN DE AGUA EN EL TANQUE RECEPTOR TIEMPO (seg) CORRIDA CORRIDA CORRIDA PROMEDIO INFORMACIÓN EXTRA:. Calibración del tanque receptr 3.86 L (entre las marcas establecidas en el medidr de nivel ).. Ecuación de calibración para el fluj en el rtámetr de : L= LR LR, dnde LR es la lectura en el rtámetr y L es el fluj de en L / min. 3. Fluj de aire en kg/h. (Lectura en el medidr de fluj de aire) *.5 kg / m 3 FECHA: PROFESOR:

7 0. Resuelva ls balances de materia y determine cuanta se evapró y cuanta salió cm arrastre ( líquida) cn el aire de salida. El arrastre debe ser un númer pequeñ, en cas de que sea grande negativ es indicación de que algunas de sus medicines tienen errr.. Resuelva el balance de energía y calcule las diferentes cntribucines (ver prcedimient en el anex). Fíjese principalmente en las cntribucines para enfriar el y para evaprar el que termina cn el 5 8). También bserve la suma de tdas las cntribucines. Qué representa este númer? Este últim númer debe ser cercan a cer, en cas de que tenga un valr grande es indicación del errr que tienen algunas de sus medicines.. Cmpare ls resultads para las crridas cn ls flujs de aire que escgió y btenga cnclusines. Muestre sus resultads en gráficas que le ayuden a entender que fenómens curren en la trre de enfriamient al pner en cntact el caliente cn el aire. 3. De las medicines que realizó Cuáles esperas que tengan el mayr errr experimental? 4. Resuelva nuevamente ls balances de materia y energía tmand ahra sl las medicines que estén mens sujetas a errr experimental. Debe escger suficientes dats para que ls grads de libertad sean cer. Tme cm valr del arrastre el 0.% del de alimentación a la trre. Cnsidere que el aire que sale de la trre está urad y que la peración de la trre de enfriamient es adiabática (SUMA=0). 5. Cmpare ls valres de evaprada y arrastre que calculó en el punt 4 cn ls calculads en el punt 0. Qué prcentaje de alimentada se evapró? Cóm influye el fluj de aire en la cantidad de evaprada? 6. Cmpare ls valres calculads para las variables que n tmó en cuenta en ls cálculs del punt 4 cn ls valres que medió experimentalmente. Qué cnclusines btiene? 7. Analice ls cálculs del balance de energía y cnteste a la pregunta cóm curre el enfriamient de? 8. Analice ls cálculs para las crridas cn ls diferentes flujs de aire y determine la influencia que tiene sbre el enfriamient del. 9. Cn ls resultads de las diferentes crridas prepare las gráficas: Temperatura de de salida vs. fluj de aire Cantidad de evaprada vs. fluj de aire. Muestra ls resultads de ls punts 7 y. 0. Presente ls resultads de tdas las crridas que realizó en una tabla.. Para una de las crridas entregue la memria de cálcul.. Realice un análisis de ls resultads btenids y presente sus cnclusines. 3. Cuál es el fluj de aire encntrad para enfriar la crriente de a la temperatura del prblema?

8 4. NOMENCLATURA A = Fluj másic de AIRE SECO en la entrada a la trre ( kg aire sec / h ) B = Fluj másic de AIRE SECO a la salida de la trre ( kg aire sec / h ) C = Fluj másic de alimentación de AGUA caliente ( kg / h ) D = Fluj másic a la salida de AGUA fria ( kg / h ) Y A = Humedad absluta del AIRE en la entrada a la trre (kg H O vapr / kg Aire Sec ) Y B = Humedad del AIRE a la salida de la trre (kg H O vapr / kg Aire Sec ) B = Fluj másic de arrastre (Agua Liquida) cn Aire de salida ( kg liquida / h ) H = Diferencia de entalpía entre el estad final mens el inicial (cnsulte el diagrama de cajitas al final del anex). 5. BIBLIOGRAFÍA Fust A.S.,. Wenzel L. A, Maus L., Clump C.W., Andersen. Principis de Operacines Unitarias, Editrial CECSA, 995 Warren L. Mc. Cabe / Julian C. Smith. Operacines Básicas de Ingeniería Química, Editrial Reverté, 998. aliente Antni, Rudi Prim Stivalet. Prblemas de Balance de Energía, Editrial Alambra Mexicana, ANEXO BALANCE DE MATERIA: Aire Sec: A = B Agua: C + A Y A = D + B Y B + B Agua evaprada: A (Y B - Y A ) BALANCE DE ENERGIA: En el diagrama de cajitas al final del anex se presenta el balance de energía para la trre de enfriamient. Las cajitas del lad izquierd representan a las crrientes de entrada a la trre y las cajitas del lad derech a las crrientes de salida. Cada flecha indica un pas para llegar del estad inicial (crrientes de expresines que se dan a cntinuación. La suma de tdas las cntribucines es igual al calr transferid del exterir a la trre. En cas de ser negativ indicará que la trre de enfriamient cede calr al exterir.

9 H = 0.0 (Prque se separan ls cmpnentes de una crriente gasesa y el calr de mezclad para gases es cer) H = 0.0 (Prque ls estads inicial y final sn pura a la misma temperatura) H 3 = A Cp aire ( T B - T A ) H 4 = A Y A Cp ( T B - T A ) H 5 = A (Y B - Y A ) { Cp L ( T - T C ) + T + Cp (T B - T ) } H 6 = 0.0 (Prque se mezclan crrientes gasesas a la misma temperatura y el calr de mezclad para gases es cer) H 7 = (B ) Cp L ( T B - T C ) H 8 = D Cp L ( T D - T C ) SUMA = H + H + H 3 + H 4 + H 5 + H 6 + H 7 + H 8 SUMA = Transferencia de calr del exterir a la trre de enfriamient PROPIEDADES Aire: Cp aire =.005 kj/kg C Agua: Cp =.888 kj/kg C L Cp = 4.9 kj/kg C = 50.7 kj/kg T T = 0 C Presión de vapr ln P B A T C ; P en bar, T en K CONSTANTES DE ANTOINE (Ecuación de presión de vapr del ) 73 K < T < 353 K 353 K < T < 43 K A B C ECUACIONES PARA EL SISTEMA AIRE-AGUA

10 y = Fracción ml del vapr de en el aire (y ) = Fracción ml del vapr de en el aire a cndicines de uración Y = Humedad (absluta) = kg de vapr de en el aire / kg de aire sec Y P = Humedad (absluta) a cndicines de uración = Presión ttal absluta (presión atmsférica) P = Presión de vapr del PM = Masa mlar (pes mlecular) del aire = 9 PM = Masa mlar (pes mlecular) del = 8 HUMEDAD ABSOLUTA: Y ; ) y ) y y ) Y ) Y ) AIRE SATURADO: y Y R = Humedad relativa en %: Y R 00 P ; P y y P y P P 0 P Y ) ) P P P PM Y PM PM Y LÍNEA DE HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA O LÍNEA DE BULBO HÚMEDO (T, Y) sn las cndicines iniciales del aire (Sn las cndicines de bulb sec del aire). (T, Y ) sn las cndicines del aire cuand se sigue una humidificación adiabática hasta uración y deben cumplir la ecuación de uración siguiente (Sn las cndicines de bulb húmed del aire): T es igual a la temperatura de bulb húmed para el cas del sistema AIRE-AGUA L Cp Y Cp T T [ Cp Cp ][ T T ] Y Y aire Despejand la humedad Y de la ecuación anterir se btiene: Y Y L [ Cp Cp ] [ T T ] Cp T T aire L [ Cp Cp ] [ T T ] Cp T T

11 Humedad absluta, Y (kg /kg aire sec) Despejand la temperatura se btiene: T T L Y Y [ Cp Cp ] [ T T ] Cp aire Y Cp Línea de aire urad Y Línea de humidificación adiabática Y T b húmed T b sec Temperatura del aire ( C)

12 DIAGRAMA DE CAJITAS PARA REALIZAR EL BALANCE DE ENERGÍA EN LA TORRE DE ENFRIAMIENTO Aire entrada T A ( C) Y A (kg H O/kg AS) A (kg AS / h) A Y A (kgh O/h) H Aire Sec Entrada T A ( C) A (kg AS/h) apr de Agua T A ( C) A Y A (kg H O/h) H 3 H 4 Aire Sec T B ( C) B=A (kg AS/h) apr de Agua T B ( C) A YA (kg H O/h H6 =0 Aire salida T B ( C) Y B (kg H O/kg AS) B=A (kg AS/h) B Y B (kgh O/h) Agua entrada (Líquida) T C ( C) C (kg/h) H Agua líquida que se evapra T C ( C) A (Y B -Y A ) (kg/h) Arrastre (Agua Liq) T C ( C) B (kg/h) Agua líquida que termina en la Salida T C ( C) D (kg/h) H 5 apr de Agua T B ( C) A (Y B -Y A ) (kg/h) H 8 H 7 Arrastre (Agua Líquida) T B ( C) B (kg / h) Agua salida (Líquida) T D ( C) D (kg / h)