Universidad del Atlántico Ingeniería Química

Universidad del Atlántico Ingeniería Química TORRE DE ENFRIAMIENTO Laura Badran, Luisa Julio, Beatriz Paba, Emanuel Pacheco, Miguel Roa

El agua se utiliza como fluido refrigerante en múltiples procesos industriales ha obligado al desarrollo de equipos como las torres de enfriamiento que permiten enfriar al agua al utilizar aire como agente refrigerante y de esa manera reutilizar el agua dentro de los procesos. Este informe muestra los principios aplicados a este proceso de trasferencia de calor entre el agua y el aire así como los resultados de la experiencia de laboratorio sobre torre de enfriamiento desarrollada en las instalaciones del laboratorio de procesos en la Universidad del Atlántico. Marco Teórico Psicrometría La psicrometría es la ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el efecto de estas propiedades en los materiales y el ambiente. De manera más amplia la psicrometría estudia la forma de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo a través de la temperatura, el nivel de vapor de agua (humedad). Propiedades del aire El aire es una mezcla de gases incolora, sin olor y sin sabor, la tabla 1 ilustra la composición del aire, pero para usos técnicos se estima la composición del aire como 79 % nitrógeno y 21 % oxigeno. Cada uno de los componentes del aire sigue el comportamiento estimado en la ley de Dalton que dice que una mezcla de dos o más gases, pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo, y que cada uno actúa independientemente de los otros, como si los otros no estuvieran allí. Es decir las propiedades de cada uno de los componentes del aire se mantienen sin cambios, aunque para efectos termodinámicos se estima al aire con la composición antes citada como un gas único que obedece la ley de los gases ideales. La densidad del aire, varía con la presión atmosférica y la humedad. Un kilogramo de aire seco en condiciones normales (298 K y 101.3 kPa), ocupa 0.8329 . El calor específico del aire, es la cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura de un kilogramo de aire en un grado centígrado. El valor del calor específico del aire seco, a nivel del mar, es 0.244 kcal/kgC. Se denomina aire saturado a la mezcla de aire seco con vapor de agua o humedad este es el término utilizado para llamar a la presencia de vapor de agua en el aire, el vapor de agua en el aire proviene de la evaporación de agua de algún deposito que contenga esta sustancia, el nivel de humedad en el aire depende de la temperatura en condiciones ambientales en las cuales la presión no varía considerablemente.

Humedad Relativa La humedad relativa (hr), es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porciento, tal como 50 %, 75 %, 30 %, etc. De acuerdo a la ASHRAE, una definición más técnica de la hr, sería la relación de la fracción mol del vapor de agua presente en el aire, con la fracción mol del vapor de agua presente en el aire saturado, a la misma temperatura y presión. Humedad Absoluta El término "humedad absoluta"(ha), se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen. Esta unidad de volumen, generalmente es un espacio de un metro cúbico (o un pie cúbico). En este espacio, normalmente hay aire también, aunque no necesariamente. La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo las condiciones establecidas; es decir, la humedad relativa es una comparación con la humedad absoluta a la misma temperatura, si el vapor de agua está saturado. Tanto la humedad absoluta, como la relativa, están basadas en el peso del vapor de agua en un volumen dado. Humedad Específica La humedad específica, o también llamada contenido de humedad, es el peso de vapor de agua en gramos por kilogramo de aire seco (o bien, granos por libra). La humedad específica, se refiere a la cantidad de humedad en peso, que se requiere para saturar un kilogramo de aire seco, a una temperatura de saturación (punto de rocío) determinada. La humedad específica es muy similar a la humedad absoluta, excepto que esta última, está basada en gramos por metro cúbico, y la humedad específica, está basada en gramos de humedad por kilogramo de aire seco. Punto de Rocío El punto de rocío se define como: la temperatura abajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a condensarse. También es el punto de 100 % de humedad. La humedad relativa de una muestra de aire, puede determinarse por su punto de rocío. Existen varios métodos para determinar la temperatura del punto de rocío. Termómetro de Bulbo Seco El confort humano y la salud, dependen grandemente de la temperatura del aire. En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada es normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la temperatura medida por termómetros ordinarios en casa. Termómetro de Bulbo Húmedo Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no es diferente de un termómetro ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo. Si esta mecha se humedece con agua limpia, la evaporación de esta agua disminuirá la lectura (temperatura) del termómetro. Esta temperatura se conoce como de «bulbo húmedo» (bh). Si el aire estuviese saturado con humedad (100 % hr), la lectura de la temperatura en el termómetro de bulbo húmedo, sería la misma que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr normalmente es menor de 100 % y el aire está parcialmente seco, por lo que algo de la humedad de la mecha se evapora hacia el aire. Esta evaporación de la humedad de la mecha, provoca que la mecha y el bulbo del termómetro se enfríen, provocando una

temperatura más baja que la del bulbo seco. Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de la humedad de la mecha. Así que, la lectura de la temperatura del bulbo húmedo, varía de acuerdo a qué tan seco esté el aire. La precisión de la lectura del bulbo húmedo, depende de qué tan rápido pase el aire sobre el bulbo. Las velocidades hasta de 1,500 min, son mejores pero peligrosas, si el termómetro se mueve a esta velocidad. También, el bulbo húmedo deberá protegerse de superficies que radien calor (sol, radiadores, calentadores eléctricos, calderas, etc.). Se pueden tener errores hasta del 15 % si el movimiento de aire es muy lento, o si hay mucha radiación presente. Cuando la hr es de 100 % (saturación), las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y del punto de rocío son todas la misma. Abajo de 100 % de hr, la temperatura del bulbo húmedo es siempre algo menor que la del bulbo seco y mayor que el punto de rocío. Figura 1. Temperaturas de bulbo humedo y seco

Carta psicométrica Una carta psicométrica, es una gráfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, volumen, presión, etc. Las cartas psicométricas se utilizan para determinar, cómo varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire. Las propiedades psicométricas del aire que se describen se encuentran también tabuladas en tablas y estas han sido recopiladas a través de experimentos de laboratorio y de cálculos matemáticos, y son la base para lo que conocemos como la Carta Psicométrica. Aunque las tablas psicométricas son más precisas, el uso de la carta psicométrica puede ahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos donde no se requiere una extremada precisión. La carta psicométrica es una gráfica que es trazada con los valores de las tablas psicométricas; por lo tanto, la carta psicométrica puede basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal al nivel del mar, o puede estar basada en presiones menores que la atmosférica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del mar. En el anexo se incluye la carta psicométrica usada en el desarrollo de esta experiencia y muestra una carta psicométrica basada en la presión atmosférica normal, también llamada presión barométrica, de 101.3 kPa ó 760 mmHg. Esta carta cubre un rango de temperaturas de bulbo seco (bs) de −10 ◦ C hasta 55 ◦ C, y un rango de temperaturas de bulbo húmedo (bh) desde −10 ◦ C hasta 35 ◦ C.

Torre de enfriamiento Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua y otros medios a temperaturas próximas a las ambientales; en grandes volúmenes (extraen calor del agua mediante evaporación o conducción). Su uso se da en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales. En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de enfriamiento mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 % es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire. La diferencia de temperaturas del agua A la salida y la temperatura húmeda del aire se llama “acercamiento” o “aproximación”, ya que representa el límite termodinámico de enfriamiento al que puede llegar el agua. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción.

Figura 2. Imágenes de la torre de enfriamiento ubicada en el CELTI Universidad del Atlántico Metodología Para el cumplimiento de los objetivos trazados en el presente informe, se operó la torre de enfriamiento ubicada en el CELTI perteneciente a la facultad de ingeniería de la Universidad del Atlántico. La operación de esta torre, requirió el uso de algunos materiales como termómetros de bulbo húmedo y bulbo seco; además de agua de alimentación caliente y aire de entrada a las condiciones ambientales; una vez encendida la torre de enfriamiento y al tiempo de haberse percatado que la misma estuviera trabajando en estado estacionario, se prosiguió a la recolección de datos durante ocho corridas. Resultados Tabla 1. Mediciones realizadas en la práctica de laboratorio Aire entrada

Ttbs

29

28

28

28

28

27

Aire entrada

Tbh

26

27

26

25

26

26

Aire salida Tbs

34

36

40

36

40

41

Aire salida Tbh

28

28

28

27

28

28

Agua entrada

T

27

28

27

29

27

27

Agua salida

T

28

31

31

28

29

30

Flujo agua

de L/min

50

55

25

38

45

30

G=masa de aire seco H=entalpia por masa de aire seco e incluye el calor de vapor asociado con el aire seco

Reemplazando

Reemplazando

Corrida 1

Tabla 2. Resultados obtenidos usando MATLab Agua (kg/min)

evaporada Agua (kg/min)

Aire (kg/min)

Eficiencia

0.6977

49.3023

279.0667

75.0000

0.3453

54.6547

230.2300

55.5556

0.3767

24.6233

188.3700

64.2857

0.4242

37.5758

141.3938

72.7273

0.8288

44.1712

414.4140

78.5714

0.4144

29.5856

276.2760

73.3333

Los cálculos mostrados en la tabla 2 fueron realizados utilizando el software de análisis numérico MATLab Discusión de resultados Considerando al aire alimentado como seco y a temperatura constante se satura con agua a la misma temperatura en un equipo que permite el contacto directo, como en este caso la torre de enfriamiento de tiro forzado. El vapor de agua que sale con el aire lleva consigo calor latente de vaporización, de esta manera ocurre la transferencia de calor durante la saturación de un gas con un líquido. Este proceso puede hacerse sin diferencia de temperatura, situación que parece contradecir un requisito básico para toda transferencia de calor, que es la diferencia de temperatura en dos zonas o cuerpos para que se establezca un flujo de energía térmica; sin embargo en esta situación la transferencia de energía térmica ocurre debido a otro evento físico originado por la diferencia de presiones de vapor dentro del seno del líquido y el aire con cierto contenido de humedad, cuando la presión de vapor en el aire es menor que en el líquido, situación que ocurre en nuestro caso durante la experiencia, se produce evaporación del líquido es decir se establece una migración de masa por parte del agua al aire, la evaporación ocurre a través de la superficie libre de un líquido y a diversas temperaturas donde estas moléculas de líquido en la superficie ganan la energía suficiente, para vencer la energía intermolecular que las mantiene unidas dentro del líquido, este fenómeno de transferencia de masa entre las dos sustancias se conoce como difusión, involucrando en este caso la transferencia de energía térmica, que va asociada con la cantidad de vapor de agua que hace parte del aire. Conclusiones • Los fluidos utilizados en este proceso se hallan en contacto directo lo que asociado con el trabajo realizado por el aspersor sobre la corriente del líquido al reducirlo a gotas, de esta manera aumenta la superficie de contacto y así la transferencia de calor. • Las propiedades fisicoquímicas de las sustancias involucradas permiten el contacto directo ya que no hay una difusión significativa del aire hacia el agua que es la sustancia de interés. • Existe transferencia de calor con la difusión en la saturación de un gas con un líquido a la misma temperatura, originada por una diferencia de presiones de vapor de ambos medios.

Referencias • Handbook of Cooling, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, chapter 13, 2010. • Kern D, Proceso de Transferencia de Calor, Capitulo 17, Editorial Mc-Graw Hill, 1965