TORRES DE ENFRIAMIENTO simulacion.docx

“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ” “FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA”

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

TORRES DE ENFRIAMIENTO Presentado al: ING GUEVARA YANQUI, Pascual 

Facilitador del Curso: 092B “ ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS ” Realizado por: CUYOTUPA NÚÑEZ, Clous Lysen HURTADO VALERIO Jimmy Alan

Alumno del IX Semestre de la Facultad de Ingeniería Química Ambiental HUANCAYO – PERÚ 2014 – II

TORRES DE ENFRIAMIENTO I. INTRODUCCIÓN

Muy pocos esfuerzos se han dedicado al estudio sobre las torres de enfriamiento cuando los flujos viajan en un mismo sentido, debido a la baja capacidad de intercambio de calor y masa que presentan con respecto a las torres de enfriamiento que trabajan con los flujos a contracorriente. Por lo planteado anteriormente, estas últimas reinan sobre las primeras. En las torres a contracorriente, el grado de enfriamiento es proporcional a su altura, pero claro está, un incremento de esta hace necesario el uso de ventiladores más potentes para lograr que el aire venza las resistencias que se oponen a su movimiento, apareciendo además de inconvenientes hidrodinámicos, problemas constructivos que obligan a establecer valores límites de altura según sea el tipo de torre que se diseñe. En estos casos el flujo de aire es provocado por ventiladores, si el tiro es forzado y extractores si el tiro es inducido, usando empaquetaduras para lograr una mayor contacto aire-agua. En la figura la figura 1 se representa la forma de la curva de operación en estos tipos de torres donde su pendiente (L/G) op es la relación entre los flujos de operación del agua y el aire respectivamente. (Fig.1) (Fig.1)

Las TEA son torres en la cual los fluidos viajan en el mismo sentido y por tanto, la extensión de la línea de operación está restringida por su pendiente (L/G) y la temperatura de bulbo húmedo (tbh) del aire a las condiciones de salida. (Fig.2). (Fig.2).

El flujo de aire (G) en estos tipos de torres se logra pasando agua a determinada presión a través de los atomizadores, provocando una diferencia de presión entre el lugar donde el cono de agua se desarrolla y la parte exterior de la torre, haciendo que esta se auto ventile. El flujo de aire depende de la presión, número y disposición de los atomizadores. A diferencia de las TEC no utilizan ventiladores ni empaquetaduras para su funcionamiento. A pesar de las posibilidades evidentes de las torres a contracorrientes, las TEA por sus características, en algunas situaciones suelen ser más económicas, lo cual hace necesario el desarrollo de una metodología para su evaluación y diseño, situación que se resuelve en este trabajo, el cual para su mayor comprensión se divide en las siguientes partes: 1. Criterios generales para el diseño de TEA. 2. Obtención a partir de los balances de masa y energía de: • Ecuación de la línea de operación. • Ecuación de la línea de fuerza-impulsora. • Ecuación de diseño.

3. Estrategia a seguir para el diseño y evaluación de las TEA.

II. OBJETIVOS 2.1. 

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un modelo matemático que explique el proceso de enfriamiento de agua en una torre de

enfriamiento.

2.2. 

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Realizar un Balance de Materia y Energía

en una Torre de enfriamiento, determinado su

performance. 

Hacer uso y leer correctamente los Diagramas Psicométricos



Reconocer las partes de una Torre de Enfriamiento

III. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Los sistemas de enfriamiento son de gran importancia para todo tipo de procesos, sobre todo en el sector industrial, tal es así que se utilizan las torres de enfriamiento. Una torre de enfriamiento, es un dispositivo cuya finalidad es extraer calor del agua a través del contacto directo con el aire, teniendo múltiples aplicaciones. El proceso de termo transferencia que se produce en una torre de enfriamiento de agua, cualquiera que fuese su tipo, es el resultado de la interacción entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a enfriar (agua). En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que la enfría y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por intercambio de calor sensible entre la fase líquida y la fase gaseosa, pero en mayor medida por la formación de vapor de agua en la interface líquido-gas y su posterior difusión en el aire que la circunda. El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire, está íntimamente relacionado con el de transferencia de calor. En efecto, con el cambio de fase desde líquido a vapor se absorbe calor lo cual da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la superficie líquida. En muchos casos prácticos, las condiciones en que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que la difusividad térmica y el coeficiente de difusión másico son iguales, es decir el número de Lewis es igual a la unidad. 3.2. CLASIFICACION DE TORRES DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de muchas maneras. Una de ellas hace referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de goteo). Otro tipo se da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio entre el agua y el aire. La clasificación que estudiaremos será la de tipo Natural y Mecánica entre otras. 3.2.1. Circulación Natural 3.2.1.1. Tiro natural (Contracorriente)    

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.

Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica (Ver figura 1). 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 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, se emplean para manejar grandes capacidades de enfriamiento y requiere bajas temperaturas de aire a la entrada, son comúnmente utilizadas en centrales eléctricas o industrias de gran tamaño.

Figura 1

Es posible también encontrar una modificación sobre este tipo de torres que se conoce como tiro natural asistido, consiste en mejorar el flujo de aire por medio de ventiladores de tiro forzado que se instalan en la parte inferior de la misma.

3.2.1.2. Torres Atmosféricas (Flujo Cruzado): En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire (Ver figura 2). Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos. Las Torres atmosféricas tienen en mismo principio que las torres de tiro natural pero estas son de Flujo Cruzado y presentan otro tipo de estructura y no del tipo chimenea hiperbólica.

Figura 2

3.2.2. Circulación Mecánica El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersores compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios. El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las dos formas siguientes:

3.2.2.1. Tiro Inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas. (Ver figura 3). Figura 3: Tiro Inducido flujo contracorriente

3.2.2.2. Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre. El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y además permite una distribución interna más uniforme del aire. (Ver figura 4)

Figura 4: Tiro Forzado flujo contracorriente

3.2.3. Otros tipos

3.2.3.1. Torres de flujo cruzado: El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope. Las torres

de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente. (Ver figura 5y 6)

Figura 5.- Tiro Forzado flujo cruzado

Figuar6.- Tiro Inducido flujo cruzado

3.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento utilizan calor latente de los líquidos para enfriarlos. El proceso es fácilmente explicable de la siguiente manera: Cuando un líquido a cierta temperatura TL, entra en contacto con un gas inerte a temperatura TG, más baja que TL, la película de líquido que está en contacto directo con el líquido se evapora. Para que este líquido pueda cambiar de fase, necesita obtener energía de algún lugar disponible; la fuente más cercana es el seno del líquido, así que, al tomar esa energía se produce una disminución de la temperatura de este fluido. Este es el principal proceso de los enfriadores por evaporación tal como se muestra en la figura Nº 4. La característica más importante para lograr un enfriamiento efectivo es el área de contacto entre el gas y el líquido, siendo la forma más eficiente de hacerlo al fraccionar el agua en la mayor cantidad de gotas

posibles. Sin embargo se debe tener en cuenta de no reducir exageradamente el tamaño porque entonces estas gotas pueden ser acarreadas por la corriente de aire que atraviesa la torre con la siguiente pérdida de agua del sistema. El agua que se pierde por evaporación dentro de una torre de enfriamiento generalmente no llega al 3% del total.

Fig. 7. Esquema de enfriamiento por evaporación 3.4. CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE TEA Resulta antieconómico diseñar torres basándose en la temperatura de bulbo húmedo del aire que interacciona con la corriente de agua a la salida o sea para el caso de TEC corresponde con la tbh del aire entrante y para las TEA con la tbh de la corriente de aire saliente, debiendo llegarse a un compromiso entre las condiciones máximas y medias. Uno de los métodos sugeridos es el uso de la llamada temperatura húmeda de "5 por 100", que se define como la temperatura húmeda que no es sobrepasada por más del 5 % del número total de horas durante los meses de Junio a Septiembre, y que se calcula del estudio de los datos meteorológicos locales. El procedimiento de diseño consiste en un número de etapas que son: a) Selección de la aproximación de temperatura La aproximación de la temperatura se define como la diferencia entre la temperatura del agua de salida y la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada es decir, la aproximación de la temperatura del agua de salida a su valor mínimo posible.

Debe observarse que el agua en estos casos no puede enfriarse por debajo de la temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida, la cual coincide con el punto de intersección entre la línea de operación y la curva de equilibrio, y donde la fuerza impulsora se anula. Los autores proponen un método para la selección de la aproximación de temperatura llamado "Método del 60% de Eficacia" y consiste en considerar que la eficiencia de enfriamiento de las TEA es de un 60% con respecto a las máximas diferencias de temperatura que puede alcanzarse teóricamente (la temperatura de bulbo húmedo). La expresión es la siguiente:



     

Luego:

       b) Cálculo de la sección transversal de la Torre: La sección transversal de la torre depende de la presión, tipo, número y disposición de los atomizadores. c) Evaluación de la condiciones de operación: En el cálculo de las torres de enfriamiento las condiciones de equilibrio y operación se expresa en función de la Entalpía del aire y de la temperatura del agua. La temperatura húmeda del aire y la "aproximación de temperatura" se especifican o se suponen y la temperatura del agua a la entrada resulta conocida en las condiciones del proceso. Por tanto, la única condición de operación a determinar es la entalpía del aire a la salida. d) Cálculo de la altura de la torre Conociendo la línea de equilibrio y de operación, ambas dibujadas como entalpía del aire frente a la temperatura del agua, se calcula el número de unidades de transferencia y se multiplica por la altura de una unidad de transferencia para obtener la altura de la torre. e) Cálculo de la razón optima aire-agua Con el incremento de la presión de atomización para el caso de las TEA, disminuye la relación (L/G) hasta cierto valor a partir del cual el agua comienza a elevar su temperatura de salida debido al reducido tiempo que permanecen las gotas dentro de la torre, provocado por las altas velocidades que desarrollan al incrementarse el flujo de aire. Con el incremento de la presión de atomización se incrementa también el flujo de aire (G), haciendo que la relación (L/G) disminuya y por tanto se logre un mayor enfriamiento, que

varía desde cero cuando la pendiente (L/G) = hasta el D t correspondiente a la razón (L/G) = 0. Lo anterior es cierto solo si el tiempo de residencia de las gotas de agua es suficiente para que se produzca el intercambio aire - agua, a partir de cierto valor de tiempo de residencia, la temperatura de salida del agua comienza a incrementarse. El punto en el cual se observa este cambio de tendencia corresponde a la razón (L/G) de operación óptima. BALANCE DE MASA Y ENERGÍA INGRESO DE AGUA CALIENTE

SALIDA DE AIRE

Gx,a: flujo másico de líquido

Gy,a: flujo másico de aire

Tx,a: temperatura de líquido

Ty,a: temperatura de aire

Hx,a: entalpia de líquido

a

Hy,a: entalpia de aire TBS,a: Temp. de bulbo seco TBH,a: Temp. de bulbo húmedo H a:

humedad

dZ A: área de la torre P: presión (mmHg)

Z : Altura de torre

b INGRESO DE AIRE

SALIDA DE AGUA FRÍA Gx,b: flujo másico de líquido

Gy,b: flujo másico de aire

Tx,b: temperatura de líquido

Ty,b: temperatura de aire

Hx,b: entalpia de líquido

Hy,b: entalpia de aire TBS,b: Temp. de bulbo seco TBH,b: Temp. de bulbo húmedo H b:

humedad

Balance de masa en un diferencial dZ de la torre

          

      Considerando que el flujo másico del líquido en la torre varía entre 1% y 2%.

       Realizando el balance de entalpia en toda la torre

            ……….1 La entalpia del aire para el sistema agua – aire es:

        

       

Ecuación de diseño para determinar la altura de la torre 

∫

   

  

 …….3 

                           Ecuación para construir la curva de entalpia de saturación o equilibrio

             …4  



   …..5      

        …..6 

3.5. REPRESENTACIÓN GRÁFICA

T

Psat

Hsat

Hy

0

4.3993

0.0053

13.3

10

8.9499

0.0109

37.5

20

17.1893

0.0212

74.1

30

31.3785

0.0399

132.2

40

54.7542

0.0731

228.7

50

91.7777

0.1332

396.0

CURVA DE OPERACION 400.0 380.0 360.0 340.0 320.0 300.0 280.0 260.0 240.0 220.0

   A    I 200.0    P    L    A 180.0    T    N    E160.0

140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0

5

10

15

20

25

30

TEMPERATURA

35

40

45

50

IV.

PARTE EXPERIMENTAL

Se tiene una torre de enfriamiento de tiro inducido a contracorriente opera con las temperaturas de entrada y salida de agua de 40 °C y 30°C respectivamente .El aire ingresa a 32°C de temperatura de bulbo seco y 24°C de temperatura de bulbo húmedo .La torre tiene un relleno de plástico capilado de 4 ft de altura y los flujos del aire y agua son 2000lb/h      y 2200 lb/h      respectivamente, determine el numero de unidades de temperatura a la presión atmosférica de Huancayo. 4.1.

EQUIPO UTILIZADO

INGRESO DE AGUA

SALIDA DE AIRE

Gx,a: flujo másico de líquido Tx,a: 40°C

dZ P: 520 (mmHg)

Z : 4 ft

b SALIDA DE AGUA

INGRESO DE AIRE

Gx,b: 2200 lb/h.ft 2

Gy,b: 2000 lb/h.ft 2

Tx,b: 30 °C

Hy,b: ¿ TBS,b: 32 °C TBH,b: 24 °C H b:

¿

4.2.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

La torre tiene las siguientes características constructivas:        

Número de unidades de transferencia: ? Altura: 4 ft Temperatura de entrada del agua (Tx,a): 40°C Temperatura de salida del agua (Tx,b): 30°C Temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada (TBH,b): 24°C Temperatura de bulbo seco del aire a la entrada (TBS,b):32°C Flujo de agua de enfriamiento (Gx): 2200 lb /h   Flujo del aire a la entrada (Gy): 2000 lb /h  

Condición de operación: Presión: 520 mmHg 4.3.

 ANÁLISIS MATEMÁTICO CALCULO DE HUMEDAD CON TBS Y TBH

Según la carta sicrometrica a 520 mmHg se tiene una humedad de 0.024 K g vapor/Kg AS

CONSTRUCCIÓN DE LA LÍNEA DE OPERACIÓN Hy,b = (1005 + 1884*H)*T + 25022300*H Hy,b= (1005 + 1884*0.024)*32+25022300*0.024 Hy,b= 93.7

Gy (Ha – Hb) = Gx*Cp(Tx,a – Tx,b) Despejando: Ha = 164.5

T

H*

H

(H*-H)

30 32 34 36 38 40

131.6 147.9 164.8 183.4 204.4 228.9

93.7 107.8 122.0 136.2 150.3 164.5

37.9 40.1 42.8 47.2 54.1 64.4

(H*-H)PROM

∆N

39.01 41.44 45.03 50.67 59.25 ∑ 

0.36 0.34 0.31 0.28 0.24 1.54

Hoy= 4/1.54 = 2.6 ft Noy = 1.54

4.4. -

V. 



 



RESULTADOS OBTENIDOS

La entalpia de salida del aire es 164.5 kJ/Kg AS La entalpia de ingreso de aire es 93.7 kJ/Kg AS La altura de una unidad por transferencia es 2.6 ft El número de unidades de transferencia es 1.54

CONCLUSIONES Se logró obtener un modelo matemático que nos permita entender el proceso de enfriamiento de agua lo cual se contrasta con las ecuaciones 6 y 9. Se hizo un balance de materia y energía para luego determinar la línea de operación de la torre de enfriamiento. Se reconoció las partes fundamentales de una torre de enfriamiento con total satisfacción. Se hizo el uso correcto de la carta psicométrica para la determinación de las variables que se requería para hacer una representación gráfica del modelo matemático Según la relación entre el flujo de agua y el flujo de aire (L/G) que participa en el proceso y la temperatura de entrada del agua, así será el grado de enfriamiento que puede lograrse.

NOMENCLATURA

VI.

A.- Área de la superficie interfacial por unidad de volumen (m 2 / m3). CG, CL.- Capacidad calorífica del aire y el agua respectivamente. Kcal / kg aire seco ºC. CsE CSS.- Calor húmedo del aire a la entrada y salida de la torre respectivamente. Kcal / h.m2 ºC GS.- Velocidad másica del aire lb /h   . H.- Entalpía. Kcal / kg aire seco. KG.- Coeficiente de transferencia de masa en la fase gaseosa. kmol / h.m2 atm. M.- Peso molecular del aire. kg / kmol. P.- Presión total. atm S.- Sección transversal de la torre. m 2 t G.- Temperatura del aire. ºC ti.- Temperatura de la interface agua-aire. ºC t L.- Temperatura del agua. ºC Y.- Humedad absoluta. kg agua / kg mezcla Z.- Altura de la torre. ft - Coeficiente de transferencia de calor en la fase gaseosa. Kcal / h.m2 ºC

G.

- Coeficiente de transferencia de calor en la fase líquida. Kcal / h.m 2 ºC

L.

o

.- Calor latente de vaporización. Kcal / kg

VII. BIBLIOGRAFÍA  

 





[1] KERN, D. Q. Procesos de Transferencia de Calor. Edición Revolucionaria. La Habana, 1969. GUILLEN, R. Estudio Termotécnico de Torres de Enfriamiento Autoventiladas  Tesis de Maestrado. Universidad de Oriente. Cuba. 1995 BADGER, W. L. Introducción a la Ingeniería Química . Ediciones del Castillo. Santo Domingo, 1967. SAWISTOWWSKI, H. Método de Cálculo en los Procesos de Transferencia de Masa. Editorial Alhambra. Madrid, 1967. KASATKIN, A. G. Operaciones Básicas y Aparatos en la Tecnología Química Tomo II. Editorial Pueblo y Educación, La Habana, 1985. TREYBAL, R. E. Operaciones con Transferencia de Masa. Edición Revolucionaria. La Habana, 1986.

 ANEXO GRAFICA 1: CARTA SICOMÉTRICA A 520 mmHg

PASOS PARA SIMULAR EN HYSYS 1. Para acceder pulse el botón inicio y HYSYS

Esta es la pantalla que vera al comenzar

2. Para saber que el juego de unidades este correcto se pulsa Tools, luego selecciones Preferences y pulse la etiqueta variables.

Seleccione las unidades que desee y luego cierre el cuadro de dialogo. 3. Para crear una nueva simulación, has clic en menú File, New,Cas o presiona las teclas ( ctrl + N) o clic en el icono

. Esta es la pantalla que vera al hacer clic en File/New/Cas

4. En la etiqueta componentes seleccionamos los componentes que deseamos haciendo clic sobre ellos. Una vez elegidos los componentes cierre el cuadro de dialogo.

5. Seleccionamos la etiqueta Fluid Pkgs, luego clik en el botón  Add. Se abrirá una ventana donde seleccionamos el paquete de propiedades. De la lista Package Selection seleccionamos Peng Robinson, luego cerramos la ventana e ingresamos a la ventana Simulation Basis Manager

6. En el Current Fluid Pakcages, hay un paquete Basis – 1, clic en Peng – Robinson y luego en Enter Simulation Environment 

7. Como todo trabajo debe ser guardado vamos a File/Save as/nombre del archivo

8. Para comenzar el flowsheet arrastre una flecha color azul llamada material stream, la cual se encuentra en el menú flotante.