HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA

Integrantes:

Aguirre Onofre Juan Carlos Alcántara Pérez José Guadalupe González Álvarez Alexis Antonio Herrera Hernández Laura

0 7 / n o v / 2 0 1 2

LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO 4

PROFESORA: MARÍA DE JESÚS CRUZ ONOFRE

INTRODUCCIÓNEn el presente informe se plantea la importancia que tiene la humidificación adiabática, ya que generalmente, este

proceso se lleva a cabo en algún tipo de torre empacada, a menudo con flujo a contracorriente del gas y del líquido. A continuación se analiza, la operación de humidificación adiabática, así como la relación de esta con el funcionamiento de una torre de enfriamiento, a partir de los cambios de humedad y temperaturas, para lo cual se tiene como objetivo calcular el número de unidades de transferencia, la altura de la unidad de transferencia, los coeficientes de transferencia de masa y calor y la eficiencia de Murphree durante la humidificación del aire.

Y así con esta práctica conocer el funcionamiento de los equipos, en este caso de la torre de enfriamiento en relación de la curva de operación y curva de equilibrio.

GENERALIDADESEn la humidificación o deshumidificación la fase líquida es un líquido puro que sólo contiene un componente, mientras que la gaseosa contiene dos o más, según el sentido de la transferencia; por ejemplo, el contacto entre aire seco y agua líquida da como resultado la evaporación de parte del agua al aire (humidificación del aire) que es lo que se pretende realizar en el equipo con el establecimiento de diversos flujos de agua, recirculando continuamente, y mantenido un flujo de aire constante, se espera alcanzar el estado estacionario donde la temperatura del aire es la misma que la del agua, y el aire de salida está saturado a esta temperatura. Si hacemos un balance global de energía alrededor del proceso (Q = 0), podemos obtener la ecuación para el enfriamiento adiabático del aire.

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío 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, bajo presión con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto.

Existen 2 tipos de torres los cuales son:

Torres en contraflujo: Son aquellas en las cuales el aire circula en dirección contraria al flujo de agua, en la torres el agua siempre circulara de arriba hacia abajo, por comodidad, y el aire debe circular desde la parte de abajo hacia la parte superior de la misma. Estas pueden ser de tipo forzado o inducido. Estas son más térmicamente más eficientes que las de flujo cruzado.

Flujo cruzado. En este otro tipo de torres el flujo de agua fluye de arriba hacia abajo al igual que la de contra flujo pero el aire fluye de manera horizontal, de un lado de la torre hacia otro. De igual forma, pueden ser de tipo forzado o de tiro inducido. El diseño de estas torres reduce la resistencia al paso del flujo de aire reduciendo el gasto de energía de los ventiladores.

OBJETIVOS Aplicar los conocimientos de transferencia de masa para dar solución al problema experimental

PROBLEMA EXPERIMENTALLlevar a cabo la humidificación del aire en la torre de enfriamiento instalada en el LEM a diferentes flujos y determinar los coeficientes de transferencia de masa y calor y la eficiencia de Murphree.

Equipo Torre de enfriamiento de flujo cruzado instalada en LEM de I.Q

Servicios Aire comprimido Energía Eléctrica Agua

Material 1 anemómetro 2 termómetros

Descripción del equipoTorre de enfriamiento de flujo cruzado, con una altura de lecho de empacado de 84cm y 53cm de ancho. Para lo cual se procedió a hacer lo siguiente.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1. Revisar las líneas de servicio.2. Poner a funcionar el ventilador de la torre de enfriamiento.3. Tomar la temperatura de bulbo seco y húmedo en forma radial en el ventilador, además de tomas

las velocidades radiales en el ventilador.4. Hacer circular agua en la torre de enfriamiento a un flujo determinado, he ir tomando la

temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en el ventilador de la torre de enfriamiento cuando las temperaturas de entrada y de salida del agua se estabilicen.

5. Realizar el paso anterior con 3 flujos diferentes.6. Hay que tomar en cuenta la reposición del agua en el sistema para evitar la incrustación de sales,

las cuales reducen el área de transferencia de masa.

RESULTADOSTabla 1. Datos experimentales

Agua Aire entrada Aire salida Tent (°C) Tsal (°C) Tbs (°C) Tbh (°C) Tbs (°C) Tbh (°C)

Aire Seco 24 14 20 155 G.P.M 16 15 24 14 18 167 G.P.M 16 14 24 14 18 15

Tabla 2. Velocidades 5 G.P.M 7 G.P.M

radio (cm) v (m/s) v (m/s)5.5 1.1 1.1

10.5 1 115.6 3.3 2.520.7 5.9 5.325.5 6.5 6.6

ANALISIS DE RESULTADOSTabla 3. . Datos de temperatura y Humedad tomados de la carta psicométrica

Línea de Equilibrio Línea de Operación Saturación Adiabática

T (°C)

Y' (Kg agua/Kg aire) T (°C)

Y' (Kg agua/Kg aire) T (°C)

Y' (Kg agua/Kg aire) Tsa (°C) Y'sa

10 0.01 24 0.01 20 0.018 15 0.014 24 0.01 18 0.016 17 0.01720 0.019 24 0.01 18 0.012 14 0.01325 0.02630 0.036

Con estos datos obtenidos de la carta psicométrica, se pudo representar gráficamente nuestras corridas elaboradas.

5 10 15 20 25 30 350

0.0050.01

0.0150.02

0.0250.03

0.0350.04

Líneas de Operación y Equilibrio

Linea de EquilibrioEmpaque seco5 G.P.M7 G.P.M

T (°C)

Y's (

Kg a

gua/

kg a

ire se

co)

Finalmente se calculo lo presentado en la siguiente tabla.

Tabla 4. Datos calculados v (m/s) G (kg/m3) G´s (Kg/m3) H2Oevap

(Kg/s)Fza. Impulzora

NtG HtG (m)

5 G.P.M

4.74624375 4.35603269 4.31290366 0.01215721 0.006 1.94591015 0.43167461

7 G.P.M

4.44575932 4.0802525 4.03985397 0.00379585 0.002 1.09861229 0.76460095

Kya (kg/m3s)

Cs (kJ/kg a.s.)

hGa (kJ/m3sK)

EMG H'ent (kJ/kgas) H'sal (kJ/kgas)

5 G.P.M

9.99109881 1.02384 10.2292866 0.85714286 26.48016 5.552392

7 G.P.M

5.28361096 1.02384 4.51182002 0.66666667 26.48016 4.415544

Al compara las eficiencias por los dos métodos notamos que la del método gráfico tiene un poco de error debido a las mediciones que se hicieron no son tan precisas y por ende tiene mayor exactitud por la formula.

Podemos observar que a medida que disminuimos el flujo de líquido, el número de unidades de transferencia disminuye, es decir la transferencia de calor se facilita ya que el N toG es un indicador de la resistencia a la transferencia de calor, pero también se observa un incremento en la altura de transferencia conforme se disminuye el flujo.

El KY a representa la resistencia que opone el aire a la transferencia de masa del liquido, basado en la superficie externa de las partículas liquidas y esta relación experimentalmente también disminuye. Además de que el hAg

disminuye en relación a nuestras corridas disminuyo a un mayor flujo, ya que es inversamente proporcional.

Por otra parte al observar las líneas de operación podemos percatarnos de que esta tiende al equilibrio como cualquier sistema, es decir se acerca a la curva de equilibrio, pero si lo que se requiere es que se dé la transferencia es necesario que no llegue al equilibrio, ya que durante este no existe la transferencia de masa.

MEMORIA DE CÁLCULOPara el cálculo de la cantidad de agua evaporada es necesario hacer los cálculos siguientes, antes de su obtención:

Primeramente para el cálculo de la velocidad promedio fue necesario tomar diferentes velocidades en diferentes radios de la superficie de salida del aire, ocupándose la media geométrica, o bien con la siguiente fórmula:

V promedio=V 0 A0+…+V n An

Atotal

Teniendo en cuenta que el cálculo del área es por medio de la ecuación para la circunferencia:

A=π r2

Donde:

Vpromedio=Velocidad promedio [m/s]

V0, Vn=Velocidad en algún punto de la salida del aire [m/s]

A0, An= Area [m2]

Por lo tanto:

Vpromedio=((6.5*(3.1416*((25.5^2)-(20.7^2))))+(5.9*(3.1416*((20.7^2)-(15.6^2))))+ (3.3*(3.1416*((15.6^2) -(10.5^2))))+ (1*(3.1416*((10.5^2)-(5.5^2))))+(1.1*(3.1416*((5.5^2)-(0^2)))))/(3.1416*(25.5^2))= 4.7462 m/s

Para determinar la densidad del aire a las condiciones de trabajo tenemos que:

ρ= PRT

ρ=[( 11.31553.3∗532.2 )( 144 i n

2

1 pie2 )]=0.0574 lbft3

0.0574lbft3 ( 0.4536kg1lb )( 1 ft3

0.02832m3 )=0.9177 kgm3

Donde:

P= a la presión atmosférica en lb/in2

℉= temperatura del aire

Así mismo es requerido el cálculo de la masa velocidad del aire húmedo se calcula con la siguiente fórmula:

G’= ρVpromedioG’= (0.9177Kg/m3)*(4.7462m/s) =4.3560Kg/m2sCon ayuda del grafico se pueden obtener las Y’ de entrada y de salida:

Teniendo que Yentrada= 0.01

Por lo tanto se puede calcular la masa velocidad de aire seco:

G' s=G( 11+Y entrada

)=4.356∗( 11+0.01 )=4.3129kg /m2 s

Para determinar el agua evaporada en el sistema utilizamos la siguiente formula.

E=Gs A (Y sal.−Y ent .)

E=(4.3129 kgm2 s ) (0.4698m2 )(0.018 kgagua

kgaire

−0.01kgagua

kgaire)=0.0012 kg

s

Donde

E= agua evaporada Gs= flujo másico del aire A=área del lecho empacado=(0.54m*0.87m)= 0.4698 m2

Ysal.,Yent.= Entalpias de salida y de entrada del aire respectivamente

La fuerza impulsora en la humidificación del aire es la diferencia de humedades absolutas:

Fza impulsora=Y salida−¿ Yentrada ¿

Fza impulsora=0.016−0.01=0.006

Para determinar el número de unidades de transferencia de masa (NtG):

N tG=lnY as

' −Y 1'

Y as' −Y 2

'

N tG=ln0.017−0.010.017−0.016

=1.9459

La Y’as se refiere a la intersección de la línea de operación con la línea de de equilibrio.

Altura de unidad de transferencia (HG):

Donde z=0.84m

H tG=z

N tG

H tG=0.84m1.9459

=0.4316m

Coeficiente volumétrico de transferencia de masa.

K ya=GsZ

N tG

k ya=4.3129

kg

m2 s∗1.9459

0.84m=9.991kg/m3 s

Coeficiente volumétrico de transferencia de calor.

hGa=G s

' C s (tG 1−tG 2) ln ( tG1−t sa )/ (tG2−t sa )Z ( (tG 1−t sa)−(tG2−t sa ))

Cs a 24 °C= [1005 + 1884 Y’ = 1005 + 1884 (0.01)]/1000 = 1.023 KJ/Kg aire

hGa=4.3129

kg

m2 s∗1.023 kJ

kgK (24−17 ) ln (24−17 ) /(18−17)

0.84m((24−17 )−(18−17 ))=10.2292kJ /m3 sK

La eficiencia de Murphree es la siguiente:

EMG=1−Y as−Y 2

Y as−Y 1

=1−0.017−0.0160.017−0.01

=0.8571

La entalpia de entrada es:

H '=(1005+1884 Y ' )t g+2502300Y '

H '=(1005+1884 (0.01 )) (24 )+2502300 (0.01 )

1000=26.4806

KJkgaire

La entalpia de salida es:

H '=(1005+1884 Y ' )t g+2502300Y '

H '=(1005+1884 (0.016 ) ) (18 )+2502300 (0.016 )

1000=5.5523

KJkgaire

ConclusionesEl proceso de enfriamiento se lleva cabo e una manera más eficiente a medida que trabamos con flujos de agua más pequeños. Se comprobó que la torre funciona de manera eficaz, y se pudo corroborar al comparar las curvas de operación con la curva de equilibrio, ya que observamos en todas las líneas de operación una distancia aceptable.

En este proceso de humidificación el aire se enfría por lo que, además de la transferencia de masa, también se lleva a cabo una transferencia de calor necesaria para que el agua se evapore y pueda humedecer al aire. La fuerza impulsora fue dada por la diferencia de humedades, siendo estas que al variar dieron la capacidad de que se diera la transferencia de masa.

Al incrementar el flujo de agua nos dimos cuenta que la temperatura de bulbo húmedo mayor cedió en el mayor flujo lo que se dice que la temperatura de saturación del aire es igual a la temperatura de bulbo húmedo ya que eso indica que el aire ya no puede aceptar más vapor de agua porque está totalmente saturado.

En conclusión todas las propiedades aumentan con el incremento del flujo del agua y entre mayor sea este flujo mayor es la humidificación del aire.

Bibliografía Treybal R.E. “Operaciones de trasferencia de masa” Mc Graw-Hill 2ª ediciòn Mèxico 1998 Donal Q. Kern “Procesos de transferencia de calor” Mc Graw-Hill 13ª edición Mèxico 1965

ContenidoINTRODUCCIÓN.....................................................................................................................................................................2

GENERALIDADES...................................................................................................................................................................2

OBJETIVOS.............................................................................................................................................................................2

PROBLEMA EXPERIMENTAL...................................................................................................................................................2

Equipo...............................................................................................................................................................................2

Servicios............................................................................................................................................................................3

Material.............................................................................................................................................................................3

Descripción del equipo......................................................................................................................................................3

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.........................................................................................................................................3

RESULTADOS.........................................................................................................................................................................4

ANALISIS DE RESULTADOS.....................................................................................................................................................4

MEMORIA DE CÁLCULO.........................................................................................................................................................5

Conclusiones.........................................................................................................................................................................8

Bibliografía............................................................................................................................................................................8