Práctica 4: Balance de materia y energía en
una torre
de enfriamiento de agua. Integrantes
Cruz Plaza Daiana Mireya
García Gómez Emilio Said
Ramírez Suárez Diego
Problema Encontrar el flujo de aire (m 3/h) necesario para enfriar 4.35 L/min de agua de una temperatura cercana a 48°C hasta 28°C en una torre de enfriamiento. Explorar por lo menos tres flujos de aire en el intervalo de 90 a 310 m3 /h. Resolver los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento para cada flujo de aire que se probó y contestar las siguientes preguntas: ¿Qué cantidad de agua se evapora y se transfiere al aire en kg/h? ¿Cuáles son la temperatura y la humedad del aire a la salida de la torre? ¿Qué cantidad de agua se pierde por arrastre en kg/h? ¿Cuál es la influencia del flujo de aire en el enfriamiento del agua y en la cantidad de agua evaporada?
Resultados y cálculos Ver tabla de resultados y hoja de cálculo anexa.
Análisis de los resultados En primer lugar, para poder notar que la torre alcanzó el régimen permanente se debe tener un registro de las propiedades a medir durante ciertos intervalos de tiempo. Una vez que estas propiedades no cambian con respecto al tiempo, entonces se puede decir que el sistema ha alcanzado el estado estacionario. En la siguiente tabla se puede apreciar cuánto descendió la temperatura del agua, con respecto a la variación del flujo de entrada de aire: Flujo de aire (kg/h) 115 230 345
T de entrada (ºC)
42 42 42
T de salida (ºC) 31 26 24
ΔT (ºC)
9 16 18
Se puede observar que a mayor flujo de la corriente de aire, el descenso de la temperatura en el agua es mayor. Debería ser lineal, aunque quizá haya desviaciones por las mediciones.
En relación con la humedad del aire, se puede observar en la siguiente tabla la variación de la humedad absoluta y relativa: YE
YS
YRE
YRS
0,02547 0,068758
86,2%
100,0%
0,02505 0,055949
84,8%
100,0%
0,023292 0,046822
83,9%
100,0%
La diferencia que existe en la humedad en la entrada y en la salida de la corriente de aire se debe a que se evapora una pequeña cantidad de agua en el intercambio de calor; dicha cantidad de agua pasa a formar parte de la corriente del aire, aumentando su humedad y en este saturando completamente el aire. Para demostrar esto, en la siguiente tabla se muestran los flujos de entrada y de salida de la corriente de agua: Flujo de entrada (kg/h) 235,854 235,854 235,854
Flujo de salida (kg/h) 225,525 219,879 216,556
ΔFlujo (kg/h) 10,328 15,975 19,297
La diferencia que existe entre el flujo de entrada y el de salida (pérdida) se debe a lo antes mencionado, además de que existe otra fracción de agua que es arrastrada por la corriente de aire y en adición con la cantidad evaporada existe una pérdida en el flujo de salida. En la siguiente tabla se puede observar, una vez realizado el balance de materia, la cantidad de agua que se evaporó y la cantidad de agua que fue arrastrada por la corriente de aire: Warrastre (kg/h)
Wevap (kg/h)
5,3502
4,9781
8,8681
7,1067
11,1795
8,1180
Con respecto al balance de energía, en la siguiente tabla se puede observar el cálculo para cada etapa en el intercambio de calor: (kJ/h)
Corrida 1
Corrida 2
Corrida 3
∆H1
0
0
0
∆H2
0
0
0
∆H3
1618,05
2427,075
2947,163
∆H4
77,420
114,216
128,955
∆H5
11962,917
17031,037
19408,618
∆H6
0
0
0
∆H7
-22,422
-167,247
-351,398
∆H8
-10396,9411
-14744,1951
-16336,5615
∆HTOTAL
3239,02
4660,89
5796,78
Como se observa, las mayores contribuciones de ganancia y pérdida de calor corresponden al enfriamiento del agua (∆H5) y al necesario para evaporar el agua (∆H8). La descripción general del proceso es la siguiente. Suponiendo que la torre es completamente adiabática, el enfriamiento del agua ocurre debido a que al entrar en contacto el agua con la corriente de agua, siendo la primera de una menor temperatura, existe un intercambio de calor en donde el agua pierde energía y la gana la corriente de aire. Además, ocurre la evaporación del agua debido a que posee un calor latente y en el proceso una pequeña parte pasa a formar parte de la corriente de aire. La suma de todas las contribuciones es igual al calor que se transfiere del exterior a la torre de enfriamiento. Con respecto al problema original, que es encontrar la corriente de aire necesaria para enfriar el agua hasta 28 ºC, podemos guiarnos en la siguiente gráfica: 35
) C º ( a 30 u g a 25 e d a d i 20 l a s e d 15 a r u t 10 a r e p 5 m e T
y = -0.035x + 34 R² = 0.9423
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Flujo de aire (m 3/h)
De acuerdo a la regresión lineal obtenida de la gráfica, el flujo de aire necesario para enfriar la corriente de agua a 28 ºC es de 171,43 m3/h. En la siguiente gráfica, se puede observar la cantidad de agua que se evapora en el proceso en función de la corriente de aire que entra en la torre de enfriamiento.
9.0000 8.0000 ) 7.0000 h / g k ( 6.0000 a d 5.0000 a r o p 4.0000 a v e a 3.0000 u g A2.0000
y = 0.0137x + 3.5944 R² = 0.9595
1.0000 0.0000 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Flujo de aire (kg/h)
Como se puede observar en la tendencia, a mayor flujo de aire es mayor la cantidad de agua que se evapora en el proceso y que pasa a formar parte de la humedad de la corriente de aire.
Conclusiones Logramos realizar el balance de materia y de energía en una torre de enfriamiento de agua. En él determinamos la cantidad de agua que se evaporaba y también la cantidad de agua que era arrastrada por la corriente de aire. Observamos que a mayor flujo de aire entrante, es mayor el descenso en la temperatura del agua que entra, y además es mayor la cantidad que es arrastrada y evaporada en el proceso. En nuestra experimentación hubo errores, ya que como se observa las regresiones no tienen tan buen coeficiente de correlación, y principalmente pudo deberse a que se supuso que la temperatura del bulbo húmedo en la corriente de salida del aire era igual a la del bulbo seco (una saturación completa). Esto se hizo así debido a que la temperatura de saturación nos daba mayor a la temperatura de la corriente de aire, y claramente es un error de experimentación.
