HUMIDIFICACIÓN 3 (1)

HUMIDIFICACIÓN UNIDAD 2

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Las máquinas y los procesos industriales, así como como aquellos dedicados al confort confort humano, generan enormes cantidades de calor que qu e deben ser s er continuamente disipadas si se quiere que esas máquinas y procesos p rocesos operen eficientemente. Aunque los l os intercambiadores naturales son los ríos, arroyos, lagos e inclusive los océanos, el proceso natural de evaporación los hace muy efectivos aunque sin control, debido a la superficie a veces fija, a veces variable, que los contiene y a su total dependencia de los vientos dominantes. Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, controlada , reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior exterior,, requiriendo para este proceso de absorber calor, calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es E s decir, el enfriamiento se realiza tanto por Calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico). El objeto que se persigue en la torre torre es que la gota este el mayor mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando facilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, hacen que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. En términos generales, podemos decir que la capacidad capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia térmica.

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Las máquinas y los procesos industriales, así como como aquellos dedicados al confort confort humano, generan enormes cantidades de calor que qu e deben ser s er continuamente disipadas si se quiere que esas máquinas y procesos p rocesos operen eficientemente. Aunque los l os intercambiadores naturales son los ríos, arroyos, lagos e inclusive los océanos, el proceso natural de evaporación los hace muy efectivos aunque sin control, debido a la superficie a veces fija, a veces variable, que los contiene y a su total dependencia de los vientos dominantes. Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, controlada , reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior exterior,, requiriendo para este proceso de absorber calor, calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es E s decir, el enfriamiento se realiza tanto por Calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico). El objeto que se persigue en la torre torre es que la gota este el mayor mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando facilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, hacen que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. En términos generales, podemos decir que la capacidad capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia térmica.

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar aumentar pasando el gas a través de un líquido que se evapora en el gas. Esta transferencia transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase hay, hay, simultáneamente, transferencia transferencia de calor y de materia. Los procesos que tiene lugar en la operación de humidificación son: 1.- Una corriente de agua caliente se pone en contacto contacto con una de aire seco seco (o con bajo contenido en humedad). 2.- Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase. interfase. 3.- El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría. 4.- A su vez, el agua evaporada evaporada en la interfase se transfiere transfiere al aire, por lo que se humidifica.

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Humidificación Implica la transferencia de masa y energía de una fase líquida a una mezcla gaseosa de aire y vapor. Cuando un líquido relativamente caliente se pone en contacto directo con un gas que no esté saturado, parte del líquido se vaporiza. La temperatura del líquido disminuye debido principalmente al calor latente de evaporación.

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Deshumidificación Implica la transferencia de masa y energía de un vapor que se transfiere desde la fase gaseosa a la fase líquida. Transferencia inversa de la humidificación.

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Particularmente el aire húmedo tiene importancia tecnológica en refrigeración, acondicionamiento de aire y secado. Desde el punto de vista industrial podemos encontrar las siguientes necesidades: - enfriar un gas caliente

- humidificar un gas

- deshumidificar un gas

- enfriar un líquido

Para qué: Secado de alimentos Humidificación y Deshumidificación Almacenamiento Refrigeración Fermentación de alimentos Climatización de plantas industriales y laboratorios •

•

•

•

•

•

Sin embargo el tema no se limita al sistema aire  – vapor de agua. El estudio es válido para cualquier sistema de gas permanente y vapor condensable. Como el gas en la mezcla permanece inalterable (se lo suelo llamar gas fijo), resulta conveniente referir todos los valores a 1 kg de gas permanente en nuestro caso particular 1 kg de aire seco

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Las mezcla vapor – agua bajo un comportamiento de la Ley de los gases ideales, se deduce que:

P = presión total pv = presión parcial del vapor (agua). pg = presión del gas. nv = # moles del vapor. nt = # moles totales. y = fracción molar.

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN

Humedad molar, molar, saturación molar o humedad molar a saturación (Ym). Se define como la relación entre el numero de moles de vapor y de gas contenidos en una masa gaseosa determinada. mol vapor agua mol aire seco Humedad absoluta o a saturación absoluta o humedad específica (Y, (Y, HA). Es la relación entre el peso del vapor y el peso del gas contenidos en una determinada masa gaseosa. Kg vapor agua Kg aire seco

Humedad relativa o saturación relativa. ( o HR) Es la relación entre la l a presión parcial del vapor y la presión de vapor saturado a la misma temperatura. También También se le representa con las siglas “HR”, y normalmente norma lmente se expresa como porcentaje. p orcentaje.

* 100

Kg vapor agua Kg aire seco

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN Humedad porcentual o saturación porcentual. p orcentual. (

o HP)

Es la relación entre la l a humedad existente en la masa gaseosa y la humedad h umedad de saturación o saturada.

Volumen especifico del gas húmedo Es el volumen ocupado por la masa de gas húmedo.

m3 kg aire seco Calor específico del aire húmedo. También llamado “calor húmedo”, húmedo”, es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en 1°C a 1 kg de

aire seco y su vapor asociado a una presión constante. KJ ó Kcal Kcal

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Entalpía específica o total. Es la suma del calor sensible de 1 kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene, a la temperatura de referencia de las entalpías.

Aire Saturado Es considerado como el punto donde el aire ya no puede contener más humedad. Cualquier humedad agregada al aire saturado se condensará. Para el aire Saturado la Presión de Vapor es igual a la Presión de Saturación del agua: Ejemplo: Aire a 25ºC y 100Kpa Psat,H2O a 25ºC=3.169KPa Si pv=0 Aire Seco pv < 3.169KPa Aire no saturado

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

Temperatura de saturación adiabática. Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas. Se determina por medio de la siguiente formula:

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN •

Temperatura de Saturación Adiabática

 H    H S  T 

T 



c S 

 



1,005  1,88H   

HUMIDIFICACIÓN Ejercicios

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN Ejercicios

Conceptos Generales

HUMIDIFICACIÓN

Conceptos Generales

PSICROMETRÍA •

•

“ … es la Ciencia que estudia las Propiedades Termodinámicas del Aire húmedo y el efecto que tiene la humedad sobre los materiales y el confort humano; también estudiamos los Métodos para controlar las  propiedades termodinámicas del aire húmedo para sus diferentes aplicaciones…” 

Propiedades del aire •

•

Mezcla de Gases Incolora, Inodora e Insípida Masa que cubre a la tierra: Atmósfera..645km •

•

•

•

•

Tropósfera: 15 km desde el nivel del mar. Estratósfera: de 15 a 50 km. Mesósfera: de 50 a 95 km Ionósfera: 95 a 400 km

Tiene peso: 101.325 kPa (1.033 kg/cm²) al nivel del mar

HUMIDIFICACIÓN

Psicrómetros

Psicrometría

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Los parámetros que definen las propiedades psicométricas son:

•

Gramos ó Kg Agua.

•

Calor específico.

•

Temperatura de bulbo seco o termómetro seco.

•

Temperatura de bulbo húmedo o termómetro húmedo.

•

Tensión de vapor o presión de vapor saturado.

•

Humedad absoluta

•

Humedad relativa

•

Calor latente.

•

Volumen específico.

•

Temperatura de punto de rocío.

•

Humedad específica.

•

Calor sensible.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Temperatura de bulbo seco. La temperatura de una substancia tal como se lee de un termómetro común. La temperatura de bulbo seco es una indicación del calor sensible contenido en una substancia. Las temperaturas de bulbo seco se muestran en líneas verticales con origen en el eje horizontal al fondo de la carta.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo es usada como una medición del contenido de agua en la humedad del aire. Se obtiene por pasar aire sobre un termómetro que tiene un trapo húmedo sobre su bulbo sensor. Cuanto más seco es el aire, mas agua se evaporará del trapo lo que reduce la lectura del termómetro. Si el aire es saturado (100% de humedad relativa), no se evaporará agua del trapo y la temperatura de bulbo húmedo se igualará a la temperatura de bulbo seco. Las líneas de bulbo húmedo se originan donde las líneas de bulbo seco intersectan la línea de saturación y se inclina hacia abajo y a la derecha. Las líneas de bulbo húmedo son casi pero no exactamente paralelas a las líneas de entalpía.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Humedad relativa. •

•

La relación de la cantidad de vapor de agua en una muestra dada de aire a la máxima cantidad de vapor de agua que el mismo aire puede mantener. El 100% de humedad relativa indica aire saturado (el aire no puede mantener mas vapor de agua), y 0% de humedad relativa indica aire seco. (Nota: La definición de arriba es exacta para todos los procesos prácticos. La correcta definición de humedad relativa es la relación actual de presión de vapor de agua en una muestra de aire, para la presión de vapor de agua en aire saturado a la misma temperatura).

HUMIDIFICACIÓN Humedad absoluta o a saturación absoluta o humedad específica (Y, HA). Es la relación entre el peso del vapor y el peso del gas contenidos en una determinada masa gaseosa.

Psicrometría / Carta Psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Temperatura de Punto de rocío (Dew Point) •

•

•

•

•

La temperatura a la cual el aire tiene que ser enfriado antes de que comience la condensación de su humedad. Ya que una muestra de aire es enfriado, su HR sube hasta que alcanza 100% HR (aire saturado). Esta es la temperatura de punto de rocío. En la saturación, la temperatura de punto de rocío, la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de bulbo seco se igualan, y la HR es 100%. Si el aire es pasado a través de una superficie que está debajo del punto de rocío, la humedad del aire se condensara en esa superficie. Es el punto de rocío del aire yendo a través de las aletas del serpentín enfriador, la que determina si las aletas serán húmedas o secas. El punto de rocío se muestra en la línea de saturación.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

Entalpía específica o total. Es la suma del calor sensible de 1 kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene, a la temperatura de referencia de las entalpías.

HUMIDIFICACIÓN Volumen especifico del gas húmedo Es el volumen ocupado por la masa de gas húmedo.

Psicrometría / Carta Psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica %

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Ejercicios Carta Psicométrica

Ejemplo: Una masa de aire a 32 °C tiene una temperatura húmeda (bulbo húmedo) de 20°C. Utilice la Carta Psicométrica para encontrar: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Humedad absoluta. Humedad relativa. Temperatura de rocío. Humedad de saturación por enfriamiento adiabático. Humedad de saturación a la temperatura que se encuentra. Entalpia de saturación. Volumen específico.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

TAREA PARA 4-May-17  Si con un psicrómetro se toman las lecturas de temperaturas

de bulbo húmedo y seco, siendo éstas de 17°C y 24°C, respectivamente. ¿Cuál será la humedad relativa?  A una muestra de aire se le midió con un higrómetro la humedad relativa y ésta es de 60%. Si la temperatura de bulbo seco es de 27°C, ¿cuál será el punto de rocío?  Encontrar la humedad relativa cuando la temperatura seca es de 32°C y el contenido de humedad es de 14 gr/kg aire seco.  Si a un aire se le toman las temperaturas de bulbo seco (35°C) y bulbo húmedo (22°C), ¿cuáles serán las demás propiedades? (Humedad relativa, Humedad absoluta o específica, Temperatura de rocío, entalpía de saturación, volumen epsecífico).

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE Y EVOLUCIÓN EN LA CARTA PSICOMÉTRICA

HUMIDIFICACIÓN •

Psicrometría / Carta Psicométrica

En el diagrama psicométrico o carta de humedad se pueden representar procesos simples como calentamiento o enfriamiento a humedad y presión constante. También se pueden representar procesos de humidificación adiabática y mezcla de gases.

HUMIDIFICACIÓN

Psicrometría / Carta Psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Calentamiento o Enfriamiento sensible

(a humedad absoluta constante= presion de vapor de agua constante)

Que calor es necesario entregar a 5 m3 de aire (húmedo) a 20 °C y 70% de humedad relativa para calentarlo hasta 45°C?

HUMIDIFICACIÓN

Calentamiento con humidificación

HUMIDIFICACIÓN

Deshumidificación con enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

Enfriamiento evaporativo o humidificación adiabática

HUMIDIFICACIÓN

Mezcla adiabática de dos corrientes de aire

HUMIDIFICACIÓN

Procesos en la carta psicométrica

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplos

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases húmedos • •

•

Implica: Balance de materia y entalpia a toda la masa. Balance de materia al vapor.

Ejercicio: Se cuenta con 1000 m3 de aire a 50°C con tw = 30 °C (temperatura de bulbo húmedo, también identificada como BH, t bh, twb), se requiere que una vez mezclado con el aire ambiente la mezcla resultante esté a 25°C. Aire ambiente: 15 °C con j  50% (también identificada como HR, RH). Calcular: a) humedad absoluta del aire resultante b) El volumen de aire a adicionar. c) El volumen de aire resultante. •

HUMIDIFICACIÓN •

a)

Ejemplo

MÉTODOS DE DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases gases húmedos Hume Humeda dad d del del air airee res resul ulttante. nte.

De la carta psicométrica ubicar los puntos de la información que tenemos: Aire que disponemos: Y1 = 0.0184 kg H2O/ kg aire seco (abrev. (abrev. AS) i 1 = 23.4 kcal/kg AS

Aire ambiente: Y2 = 0.0053 kg H2O/ kg aire seco (abrev. (abrev. AS) i 2 = 6.79 kcal/kg AS

1 KJ = 0.239006 Kcal

HUMIDIFICACIÓN •

Ejemplo

MÉTODOS DE DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases gases húmedos

Utilizando la ecuaciones:

1 KJ = 0.239006 Kcal

Y – 0.0184 = Y – 0.0053 (0.24 + 0.46Y)*25 + 597.2*Y – 23.4 (0.24 + 0.46Y)*25 + 597.2*Y – 6.79 Gráfico = 0.0187 8.64 Y = 0.0775

Y = 0.0090 kg H 2O/ Kg AS Gráfico = 0.0092

Gráfico = 23.66 99 KJ Gráfico = 0.0052 Gráfico = 6.69 28 KJ

HUMIDIFICACIÓN •

Ejemplo

MÉTODOS DE DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases gases húmedos

b ) El volumen volumen de airea a adicion adicionar ar (G2): Volumen específico del Aire que disponemos: Y  –  Y1 = G2 Y2  –  Y G1 La masa de aire seco inicial será : G1 = 1000 m3/ 0.94 m3/kg AS = 1064 kg AS

Se necesita pasar de masa a volumen.

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN •

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases húmedos

c ) El volumen de aire resultante 25°C = 298 °K Gráfico = 0.8578

Pasar la masa de aire resultante a volumen con el volumen específico A las condiciones reultantes, 25°C.

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN •

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases húmedos

Gráficamente se realizó:

i1

tw

i2

tbs

tbs

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplos

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Adición de un líquido que se evapora totalmente en la fase gaseosa. •

•

•

Implica: Balance de materia y energía. Ejercicio: 5000 m3 de aire a 40°C con una humedad relativa del 10% a la presión atmosférica normal, se humidifican y enfrían añadiéndole 40 L de agua a 20°C. Si el proceso se realiza adiabáticamente, determinar:

a) Humedad resultante. b) Temperatura final.

Ejemplos

HUMIDIFICACIÓN

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Adición de un líquido que se evapora totalmente en la fase gaseosa. a) Humedad Resultante

Gráficamente: 0.0045 i = c*t + 0*Y

c = 0.24 + 0.46Y Gráficamente: 0.8904 Masa de aire seco: G = 5000 m3/0.895 m3/kg = 5586.6 kg Se considera que se evapora toda el agua, 40 L, Por los que Mv (masa de vapor) = 40 kg

Y = 0.0042 + 40 = 0.0113 kg H2O/kg AS 5586.6

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplos

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Adición de un líquido que se evapora totalmente en la fase gaseosa. b) Temperatura final Entalpía inicial del aire i 1 =(0.24 + 0.46*0.0042)*40 + 597.2*0.0042 = 12.18 Kcal/kg

Entalpía del agua a 20°C (Tabla A-7 Ocon y Tojo) i L = 20 Kcal/Kg

i = c*t + 0*Y

c = 0.24 + 0.46Y

i = 12.18 + 20*(0.0113 – 0.0042) = 12.32 Kcal/kg

De la formula de Entalpía despejamos t: i = c*t + 0*Y

t = 12.32 – 597.2*0.0113 = 22.7 °C

Y = 0.0042 + 40 = 0.0113 kg H2O/kg AS 5610

HUMIDIFICACIÓN •

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN / Mezcla de 2 gases húmedos

Gráficamente se realizó: Enfriamiento evaporativo o Humidificación adiabática.

Nota: El punto final no alcanzó la línea de saturación, por lo Que el punto final quedo en la línea de desplazamiento De humidificación adiabática. Esto indica que se requeriría de mayor cantidad de agua Para saturalo.

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN TIPOS DE TORRES

Ejemplo

TORRES DE ENFRIAMIENTO

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

Las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor que enfrían agua por medio de la evaporación. Este tipo de enfriadores se utiliza principalmente en los condensadores industriales. Las torres de enfriamiento son usadas cuando los rangos de enfriamiento son bajos, generalmente entre 5 y 25ºC.

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

El acercamiento, aproximación o approach es la diferencia de temperatura entre el agua que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. Mientras menor sea el acercamiento mayor será el tamaño de la torre. Un acercamiento típico está por el orden de los 7ºC, llegando hasta 3 ó 4ºC. En la figura a se muestra una gráfica sencilla donde se distingue el acercamiento.

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

Es la diferencia de temperatura entre el agua fría que sale de la torre y el agua caliente que entra. El salto térmico determina la carga térmica de la torre y es un parámetro de selección importante.

HUMIDIFICACIÓN

•

Sistema de distribución de agua

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Relleno o empaques

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Eliminadores de gotas

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Ventiladores

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

•

Atmosféricas Tiro natural

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Atmosféricas

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Tiro natural

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•



Torres de Enfriamiento

Tiro natural Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el húmedo caliente y el atmosférico.

 Óptimo para grandes caudales de agua.  Bajos

costes de mantenimiento.

 Formación

de nieblas (contaminante térmico).

 Aplicación

fundamental: centrales térmicas.

HUMIDIFICACIÓN

•

•

Tiro inducido Tiro forzado

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Tiro inducido

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Tiro forzado

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Tiro inducido flujo cruzado

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Tiro forzado flujo cruzado

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

Donde:

 ∗  ∗ 1  2 =  ∗ (2  1)

L: Flujo másico de agua en kg/h T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en °C G: Flujo másico de aire en kg/h H1 y H2: Entalpía de entrada y salida del aire en Kcal/kg°C Cp: Calor específico del agua, puede tomarse como Cp=1 kCal/kg°C

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

Es posible evaluar el anterior balance de energía en forma diferencial entre dos puntos internos de la torre de tal manera que

 ∗  =  ∗  Al interior de la torre existe un volumen efectivo de transferencia, compuesto tanto por los rellenos como por los espacios vacíos por los que fluye el agua y el aire y define un área total de transferencia conocida como a. Con base en ésta área puede calcularse la transferencia de energía de la siguiente forma:

HUMIDIFICACIÓN

Donde:

Torres de Enfriamiento

 ∗  =  ∗ dV ∗    = G ∗ dH

K: Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el fabricante. Ha: Entalpía del aire en cada punto calculada con base en la temperatura de bulbo húmedo. Hw: Entalpía del aire saturado a la temperatura del agua en cada punto de la torre.

De la ecuación anterior se obtiene por integración dos expresiones independientes:

 = න        න 

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

Mediante un balance de masa es posible obtener una expresión para el agua de reposición, valor importante cuando se desean evaluar los costos de operación de la torre, la reposición se calcula como:

 ሶ ó = ሶ   ∗ (2  1) donde w2 y w1 son las humedades específicas del aire a la salida y la entrada de la torre respectivamente.

HUMIDIFICACIÓN

•

Torres de Enfriamiento

Altura de la torre

Donde:

    ∗     =  ∗ ∗ න ∗   

L: Flujo másico de agua en kg/h T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en ºC H*G: Entalpia del aire en equilibrio Kcal/kg°C HG: Entalpía del aire Kcal/kg°C CpL: Calor específico del agua, puede tomarse como C p=1 kCal/kg°C : Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el fabricante. A: Área de transferencia



HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN

•

Torres de Enfriamiento

Rendimiento y eficiencia

  −  ɳ =    ℎ   Una eficiencia superior al 60% refleja un buen desempeño de la torre, valores inferiores a este indican posibles problemas en los rellenos, flujos inadecuados de aire debido a fallas de los ventiladores o flujos inadecuados de agua debidos a fallas de operación en las bombas.

HUMIDIFICACIÓN •

•

•

• •

Ejemplo

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el n parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frí o que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. Con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera. Es común la impregnación de la manera con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino o poliéster reforzado con vidrio.

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN

i 1

i 3

L

AIRE

Gs

Sección de la torre (S)

Altura de la torre (z)

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN

No. de elementos de transmisión

Altura del elemento de transmisión

Altura de la torre

Ejemplo

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN •

•

•

Torres de Enfriamiento

Se enfrían 800 L/h de agua desde 40°C hasta 20°C, empleando 1000 kg/h aire, que entra por la base de la columna a 20°C con una entalpía de 8.25 Kcal/kg. La sección de la torre tiene 1 m2 y de Kya = 400 Kg/m 3 – h. Determine la altura de la torre.

Pág 375, Ocon y tojo

HUMIDIFICACI N

orres e n r am ento Línea de operación

1) Trazar curva de saturación. 2) Trazar las condiciones del aire de entrada. 3) Calcular la pendiente de la línea de operación. 4) Trazar la línea desde el punto A con pendiente L/G hasta la temperatura del agua de entrada. L/G = ? 5) Alternativa. Calcular con la pendiente el punto B.

Línea de saturación L/G

m = y2 – y1 / x2 – x1 6) B =? Rango

Temp.

Temp.

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN •

Cálcular el # de elementos de transmisión.

tbs

i

Entalpía Temperatura bs aire entrada 20

N0i  = 2.072 40

i *

i *

- i 

Integración

1/ i * - i 

Entalpía aire saturado

Valor medio

Intervalo Integral

8.25

13.65

5.4

0.185

10

15.75

5.75

0.174

0.180

1.75

0.314

12

17.8

5.8

0.172

0.173

2

0.346

14

20.6

6.6

0.152

0.162

2

0.324

16

23.4

7.4

0.135

0.143

2

0.287

18

26.6

8.6

0.116

0.126

2

0.251

20

30.3

10.3

0.097

0.107

2

0.213

22

34.8

12.8

0.078

0.088

2

0.175

24

39.1

15.1

0.066

0.072

2

0.144

24.25

39.6

15.35

0 .065

0.066

0.25

0.016

2.072

HUMIDIFICACIÓN •

Torres de Enfriamiento

Cálcular la altura de los elementos de transmisión.

H0i  = 1000/ 400 = 2.5 Z = 2.072*2.5 = 5.19 m

HUMIDIFICACIÓN •

Torres de Enfriamiento

El agua empleada en un proceso de refrigeración sale del refrigerante a 45°C y ha de enfriarse hasta 30°C en una torre de enfriamiento de agua, con cuerpos de relleno, para poder emplearla nuevamente en el proceso de refrigeración. Para su enfriamiento se introduce en la parte superior de la torre a razón de 5 m3/h, su velocidad másica a lo largo de la misma es de 6000 kg/h-m 2 (referida el área a la sección transversal de la torre), entrando el aire por el fondo con un caudal de 2.45 veces superior al caudal mínimo, a 25°C y con tw (temp. bulbo húmedo) = 15°C. Para el tipo de relleno empleado en las condiciones de operación el valor del coeficiente Kya es 2600 kg/m 3-h. Determinar: 1. 2. 3. 4.

No. elementos de transmisión. Sección de la torre. Altura de la unidad de transmisión. Altura de la torre.

HUMIDIFICACIÓN •

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Torres de Enfriamiento

Trazar la curva de operación (A  – B). A = tw = 15 °C, i = 9.98 B. Donde se une la curva de saturación a la temperatura del agua caliente. Trazar la L/G mínima. Obtener la pendiente de la L/G mínima.

m = 50.8 – 9.98 = 2.72 45 - 30

Gmín = 5000/ 2.72 = 1838 kg/h

HUMIDIFICACIÓN •

El flujo másico del aire es: •

Torres de Enfriamiento Nueva L/G con el flujo real

G = 2.45* 1838 = 4500 kg/h

L/G = 5000/4500 = 1.11 Nueva pendiente Para ubicar el punto B real

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Cálculo del punto B real Con la fórmula de la pendiente se encuentra la entalpía del aire de salida m = y2 – y1 x2 – x1 y2 = (1.11)* (45 – 30) + 9.98 y2 = 26.63 kcal/kg Entalpía en punto inicial A: 9.98 kcal/kg Entalpía en punto final B = 26.63 kcal/kg

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN i 

B’

Kcal/kg

Con la L/G real trazar línea recta Con pendiente 1.11 hasta el punto 26.63 Kcal/kg Ubicado sobre la línea de la teperatura del agua de Entrada.

B

L/G real

A L/G mín °C

93

HUMIDIFICACIÓN

Torres de Enfriamiento

HUMIDIFICACIÓN •

Torres de Enfriamiento

Pérdidas por evaporación = 0.00085*L*(Temp agua caliente – Tem agua fría) [ (Y abs salida torre – Y abs entrada torre) – 1/(L/G)]*100

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Purga de agua: Pérdidas por evaporación / (Ciclos de concentración  – 1).

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Pérdidas por arrastre: 0.1 – 0 .2 % del flujo de agua alimentada.

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OBSERVACIÓN

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Un cambio en la temperatura de bulbo húmedo (condiciones atmosféricas) no cambiara la KaV/L de la torre. Solo un cambio en la relación L/G cambiará la KaV/L de la Torre de enfriamiento.