2023
Estudiantes:MENDOZA CHACÓN MANUELA
MORÁN GUILLERMO ALEX RISCO AZABACHE CLAUDIA
Docente:Mg. WALTER MORENO EUSTAQUIO
Asignatura:LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
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PRÁCTICA N°1:
HUMIDIFICACIÓN
Contenido
OBJETIVOS ...........................................................................................................................................3
FUNDAMENTO TEÓRICO......................................................................................................................3
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL........................................................................................................9
RESULTADOS...................................................................................................................................... 12
CONCLUSIONES.................................................................................................................................. 17
RECOMENDACIONES..........................................................................................................................18
BIBLIOGRAFIA.....................................................................................................................................18
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3
1. OBJETIVOS
Determinación del coeficiente de transferencia de masa Kg.
Determinación del flujo del líquido.
Determinar el flujo del gas.
Evaluar la performance de la Torre de enfriamiento
Elaborar un programa que permita hacer los cálculos de los objetivos anteriores
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2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Introducción
La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa. De hecho siempre que existe una transferencia de materia se transfiere también calor. Pero para operaciones como extracción, adsorción, absorción o lixiviación, la transferencia de calor es de menor importancia como mecanismo controlante de velocidad frente a la transferencia de materia. Por otro lado, en operaciones como ebullición, condensación, evaporación o cristalización, las transferencias simultáneas de materia y calor pueden determinarse considerando únicamente la transferencia de calor procedente de una fuente externa. La transferencia simultánea de materia y calor en la operación de humidificación tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además de la humidificación del gas, como son su deshumidificación, el enfriamiento del gas (acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido, además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas. Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacamos las torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad. En ellas, el agua suele introducirse por la parte superior en forma de lluvia provocada, y el aire fluye en forma ascendente, de forma natural o forzada. En el interior de la torre se utilizan rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre las dos fases.
Antecedentes
Los procesos de enfriamiento del agua se encuentran entre los más antiguos que haya desarrollado el hombre. Por lo común el agua se enfría exponiendo su superficie al aire. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque, otros son comparativamente rápidos, por ejemplo, el rociado de agua hacia el aire. Todos estos procesos implican la exposición del agua al aire en diferentes grados.
El enfriamiento de agua en una torre por contacto en contracorriente con aire se realiza gradualmente y, por tanto es preciso considerar la transferencia simultánea de calor y materia en un elemento diferencial de altura, dz, de área transversal la unidad.
Aplicando un balance de materia y calor simplificado se obtiene:
Balance de materia:
dL=GdY [1]
L= Flujo de agua.G=Flujo de aire.dY=Diferencial de la concentración de la humedad.
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Balance de calor:
GcgdT+GdY λm=LcLd tL[2]
Cg= Calor especifico húmedo medio de aire.λm= Calor latente de vaporización medio de agua en la torre.CL= Calor especifico del líquido.dT= Diferencial de temperatura en el gas.dtL= Diferencial de temperatura del líquido.
Transferencia de calor:
Gcg (T 1−T2 )=hgaV ¿
Transferencia de masa:
G (Y 1−Y 2 )=KgaV ¿
hga = Coeficiente de transferencia de calor.Kga = Coeficiente de transferencia de masa.V= Volumen de la torre.Y*= Humedad de equilibrio.Y= Humedad de aire medio.Y1, Y2 = Humedades de entrada y salida del aire.
Si consideramos el área transversal como la unidad, entonces la ecuaciones 3 y 4 quedarían:
Gcg (T 1−T2 )=hga .dz ¿
G (Y 1−Y 2 )=Kga . dz¿
dz = diferencial de altura de la torre.
Aplicando un balance entalpico para un enfriamiento adiabático.
Gcg (T 1−T2 )=G (Y 2−Y 1 ) [ λg+cL (t L2−t L 1 ) ]=LcL ( t L2−t L 1 )=G (i2−i1 )[7]
i1, i2 = Entalpia de aire de entrada y salida.tL1, tL2 = Temperaturas de líquido.T1, T2 = Temperaturas de aire.
Para sistemas aire-agua el número de Lewis es igual a uno por lo que la expresión anterior quedaría:
LcLdt=Gdi=Kga (i¿−i )dz [8]
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Esta ecuación se puede integrar entre los límites de entalpia y temperatura, obteniéndose la siguiente ecuación de diseño:
∫i1
i2 dii¿−i
= KgazG
[9]
∫tL 1
tL 2 dii¿−i
= KgazLcL
[10]
Se puede calcular la altura necesaria de la torre, resultando
z= GKga∫i1
i2 dii¿−i
[11]
El valor de la integral (Ni) se denomina número de elementos de transmisión.
Noi=∫i1
i2 dii¿−i
[12]
Y el término Hi, recibe el nombre de altura del elemento de transmisión
Hoi= GKga
[13 ]
z=N oiHoi [14 ]
Performance de una torre de enfriamiento
La evaluación experimental de las performances térmicas de una torre de enfriamiento de agua es el único procedimiento válido para determinar las condiciones de funcionamiento de las mismas. Se recomienda su uso para la recepción de nuevas instalaciones, el diagnóstico de equipos en uso y la certificación de nuevos productos.
Para evaluar la Performance de una torre de enfriamiento se debe tener en cuenta lo siguiente:
CAPACIDAD DE LA TORRE: Flujo en GPM del líquido.
FACTOR DE ENFRIAMIENTO: L/G
CARGA DE CALOR: Es la relación del peso del agua/minuto por el rango a enfriar,
BTU/minuto.
CARACTERISTICA DE OPERACIÓN:
K aVL
= dT(i¿−i)
[15]
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Torre de Humidificación
En el siguiente esquema se puede apreciar en forma resumida el proceso de enfriamiento, tanto en laboratorio así como a nivel industrial.
Esquema de la Torre de Humidificación
Diagrama de la torre de enfriamiento
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3. EQUIPOS Y MATERIALES
Materiales:
Torre de enfriamiento de 80 x 30 cm.
Equipo de Intercambiador de calor tubular (calentador eléctrico y rotámetros).
Manómetros.
Balde.
Termómetros.
Material de estudio:
Aire extraído del medio ambiente y agua potable.
Descripción del módulo de Equipo.-
Es una torre de enfriamiento de 7 pisos con un área de 0.95*0.4 m y una altura de 2.4 m; acoplado un ventilador y 3 duchas de dispersión, la cual opera adiabáticamente a régimen estacionario.
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Se prendió el calentador
eléctrico 3 horas antes de iniciar la
práctica.
Primero
Se fijó el flujo de agua caliente vía rotámetro del intercambiador de calor.
Luego
Se leyó a 40, luego se prendió el compresor para fijar el
caudal del aire, se tomaron los datos de la temperatura
inicial.
Lectura
Después de haber realizado este experimento.
Datos experimentales
Se procedió hacer lo mismo
para las diferentes lecturas del rotámetro.
Luego
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La presente práctica se desarrolló con un caudal de gas constante, y variamos los caudales del agua.
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5. RESULTADOS
TABLA N°1 – Datos Experimentales
LRTemperatura del aire °C Temperatura del agua °C
T1 T2 tL1 tL2
60 32.8 23 53 32
80 34 23 55 34
100 36 23 57 37
120 37.5 23 59 40
140 37 23 57 37
a) LECTURA DEL ROTÁMETRO LR= 60
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TABLA N°2 – DATOS ADICIONALES
LR = 60 RH = 0.83tLe = 53 ye = 0.015tLs = 32 ys = 0.0255tge = 23 var y = 0.0105tgs = 32.8
TABLA N°3 – CALCULO DE DATOS PARA LR=60
tL yi H H* H*-H 1/(H*-H) 1/(H*-H)avg delta H integral32 0.031 15.924 26.5565
210.6325
20.0940510
833.5 0.034 16.405 28.7667
412.3617
40.0808947
60.087472921 0.481 0.0420744
735 0.037 16.886 30.9811 14.0951 0.0709466
40.075920701 0.481 0.0365178
636.5 0.04 17.367 33.1996 15.8326 0.0631608
20.067053731 0.481 0.0322528
438 0.044 17.848 36.0339
218.1859
20.0549875
90.059074207 0.481 0.0284146
939.5 0.049 18.339 39.4861
321.1471
30.0472877
40.051137668 0.481 0.0245972
241 0.052 18.81 41.7191
222.9091
20.0436507
40.045469239 0.481 0.0218707
42.5 0.057 19.291 45.18375
25.89275
0.03862085
0.041135794 0.481 0.01978632
44 0.062 19.772 48.65528
28.88328
0.03462211
0.036621478 0.481 0.01761493
45.5 0.067 20.253 52.13371
31.88071
0.03136693
0.032994518 0.481 0.01587036
47 0.071 20.734 55.00322
34.26922
0.02918071
0.030273818 0.481 0.01456171
48.5 0.077 21.215 59.11127
37.89627
0.02638782
0.027784263 0.481 0.01336423
50 0.085 21.696 64.462 42.766 0.02338306
0.024885441 0.481 0.0119699
51.5 0.093 22.177 69.82377
47.64677
0.02098778
0.022185421 0.481 0.01067119
53 0.099 22.658 73.95942
51.30142
0.01949264
0.02024021 0.481 0.00973554
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Nio = 0.29930197
TABLA N°4 – RESULTADOS OBTENIDOS PARA LR=60
Nio 0.29930197Kya 156.846188Le 207
hge 14.5917hgs 23.408844
var hg 8.817144Ls 204.516187m 0.419864G 493.016786
b) LECTURA DEL ROTÁMETRO LR= 80
TABLA N°5 – DATOS ADICIONALES
LR = 80 RH = 0.83tLe = 55 ye = 0.015tLs = 34 ys = 0.027tge = 23 var y = 0.012tgs = 34
TABLA N°6 – CALCULO DE DATOS PARA LR=80
tL yi H H* H*-H 1/(H*-H) 1/(H*-H)avgdelta
Hintegral
340.0352
515.427 29.65686 14.22986
0.0702747
6
37 0.042 16.822 34.55124 17.72924 0.056404 0.063339379 1.395 0.08835843
40 0.0493 18.217 39.80118 21.584180.0463302
30.051367113 1.395 0.07165712
43 0.0587 19.61246.36062
6
26.74862
60.0373851 0.041857663 1.395 0.05839144
46 0.068 21.007 52.88448 31.877480.0313701
10.034377603 1.395 0.04795676
49 0.079 22.402 60.48246 38.08046 0.0262601 0.028815148 1.395 0.04019713
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13
9
52 0.0943 23.79770.76871
6
46.97171
6
0.0212894
10.023774797 1.395 0.03316584
55 0.1 25.192 75.15 49.9580.0200168
10.020653111 1.395 0.02881109
Nio = 0.36853782
TABLA N°7 – RESULTADOS OBTENIDOS PARA LR=80
Nio 0.38538Kya 223.8172Le 273
hge 14.5917hgs 24.62568
var hg 10.03398Ls 269.307023m 0.47780857G 571.358524
c) LECTURA DEL ROTÁMETRO LR= 100
TABLA N°8 – DATOS ADICIONALES
LR = 100 RH = 0.83
tLe = 57 ye = 0.015tLs = 37 ys = 0.029tge = 23 var y = 0.014tgs = 36
TABLA N°9 – CALCULO DE DATOS PARA LR=100
tL yi H H* H*-H 1/(H*-H) 1/(H*-H)avg delta H integral37 0.042 16.822 34.55124 17.72924 0.05640439 0.047 14.962 38.13058 23.16858 0.0431619 0.04978295 0.481 0.02394559941 0.052 18.682 41.71912 23.03712 0.0434082 0.043285053 0.481 0.02082011143 0.059 19.612 46.54482 26.93282 0.0371294
20.040268812 0.481 0.019369299
45 0.065 20.542 50.7685 30.2265 0.0330835 0.035106487 0.481 0.01688622
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14
547 0.071 20.734 55.00322 34.26922 0.0291807
10.031132129 0.481 0.014974554
49 0.079 22.402 60.48246 38.08046 0.02626019
0.027720446 0.481 0.013333535
51 0.088 24.37 66.59408 42.22408 0.02368317
0.024971678 0.481 0.012011377
53 0.099 24.262 73.95942 49.69742 0.02012177
0.021902469 0.481 0.010535087
55 0.0995 23.62 74.84025 51.22025 0.01952353
0.019822649 0.481 0.009534694
57 0.1 26.122 75.722 49.6 0.02016129
0.019842409 0.481 0.009544199
Nio = 0.150954674
TABLA N°10 – RESULTADOS OBTENIDOS PARA LR=100
Nio 0.150954674
Kya 92.5036932Le 339
hge 14.5917hgs 26.35204
var hg 11.76034Ls 333.606035m 0.588017G 576.513944
d) LECTURA DEL ROTÁMETRO LR= 120
TABLA N°11 – DATOS ADICIONALES
LR = 120 RH = 0.83
tLe = 59 ye = 0.015tLs = 40 ys = 0.0315tge = 23 var y = 0.0165tgs = 37.5
TABLA N°12 – CALCULO DE DATOS PARA LR=120
-Valor Creativo-
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15
tL yi H H* H*-H 1/(H*-H) 1/(H*-H)avg delta H integral
40 0.0493 18.217 39.80118 21.58418
0.0463302
3
43 0.0587 19.612
46.36062
6
26.74862
6 0.0373851 0.041857663 1.395 0.05839144
46 0.068 21.007 52.88448 31.87748
0.0313701
1 0.034377603 1.395 0.04795676
49 0.079 22.402 60.48246 38.08046
0.0262601
9 0.028815148 1.395 0.04019713
52 0.0943 23.797
70.76871
6
46.97171
6
0.0212894
1 0.023774797 1.395 0.03316584
55 0.1 25.192 75.15 49.958
0.0200168
1 0.020653111 1.395 0.02881109
59 0.1 27.052 76.294 49.242
0.0203078
7 0.020162341 1.86 0.03750195
Nio = 0.24602421
TABLA N°13 – RESULTADOS OBTENIDOS PARA LR=120
Nio0.2460242
1
Kya 147.215391
Le 405
hge 14.5917
hgs 28.260675
var hg 13.668975
Ls 397.708798
m 0.71941974
G 562.953696
e) LECTURA DEL ROTÁMETRO LR= 140
TABLA N°14 – DATOS ADICIONALES
-Valor Creativo-
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16
LR = 140 RH = 0.83tLe = 57 ye = 0.015tLs = 37 ys = 0.033tge = 23 var y = 0.018tgs = 37
TABLA N°15 – CALCULO DE DATOS PARA LR=140
tL yi H H* H*-H 1/(H*-H) 1/(H*-H)avg delta H integral
37 0.042 16.822 34.55124 17.72924 0.056404
39 0.047 14.962 38.13058 23.16858 0.0431619 0.04978295 0.481 0.023945599
41 0.052 18.682 41.71912 23.03712 0.0434082 0.043285053 0.481 0.020820111
43 0.059 19.612 46.54482 26.93282 0.03712942 0.040268812 0.481 0.019369299
45 0.065 20.542 50.7685 30.2265 0.03308355 0.035106487 0.481 0.01688622
47 0.071 20.734 55.00322 34.26922 0.02918071 0.031132129 0.481 0.014974554
49 0.079 22.402 60.48246 38.08046 0.02626019 0.027720446 0.481 0.013333535
51 0.088 24.37 66.59408 42.22408 0.02368317 0.024971678 0.481 0.012011377
53 0.099 24.262 73.95942 49.69742 0.02012177 0.021902469 0.481 0.010535087
55 0.0995 23.62 74.84025 51.22025 0.01952353 0.019822649 0.481 0.009534694
57 0.1 26.122 75.722 49.6 0.02016129 0.019842409 0.481 0.009544199
Nio = 0.150954674
TABLA N°16 – RESULTADOS OBTENIDOS PARA LR=140
Nio 0.150954674Kya 104.53822Le 471
hge 14.5917hgs 29.05026
var hg 14.45856Ls 462.548899m 0.722928G 651.517164
TABLA N°17 RESULTADOS DE EXPERIENCIA
LR Ls (Kg/s) Le (Kg/s) G (Kg.aire/h) Kya(Kg/ m(Kg)
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17
m3.h)
60 204.516187 207 493.016786 156.846188 0.419864
80 269.307023 273 571.358524 571.358524 0.47780857
100 333.606035 339 576.513944 92.5036932 0.588017
120 397.708798 405 562.953696 147.215391 0.71941974
140 462.548899 471 651.517164 104.538224 0.722928
6. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
-Valor Creativo-
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18
Según los objetivos de la práctica, se logró determinar el coeficiente de masa, el flujo
del líquido y del gas. Y de acuerdo los valores obtenidos, es posible la evaluación de
la performance de la torre de enfriamiento.
Los datos calculados, muestran una ligera desviación, esto debido a que algunos
fueron tomados de tablas termodinámicas como también de diagrama o
cartas psicométricas; es por ello que ciertos resultados experimentales tienden a tener una ligera
desviación.
Además se debe tener en cuenta que el aire que entra por medio de la compresora
se aproxima el valor de la presión, es por ello que debe familiarizarse con la
operación para evitar desviación o tomar malos datos.
En los cálculos se debe de tener en cuenta que la torre de enfriamiento tiene una doble función, la
primera es de enfriar el agua y la segunda es humidificar el aire, esta humidificación se da
porque el agua al enfriarse libera una cantidad de vapor de agua, la cual es
arrastrada por el aire, humidificándose de esta manera el aire.
Los resultados muestran que efectivamente ocurre una transferencia de masa y
energía simultáneamente, donde la transferencia de masa se ve en el aumento de
humedad absoluta, mientras que la transferencia de energía se ve en la temperatura que gana el
aire luego de la operación e humidificación.
Se comprobó por balance de materia y energía los resultados cualitativo que se
perciben, plasmando así la existencia de cuanta masa y energía (calor) se transfiere.
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7. RECOMENDACIONES
Manipular la compresora con total precaución, para así evitar algún tipo de lesión
Verificar que la electrobomba este cebada o purgada, para evitar malfuncionamiento
o deterioro de la electrobomba.
Tratar de revisar si existen fugas en el sistema para poder evitar la pérdida de
presión del aire en el sistema de enfriamiento.
Evitar tener contacto con el agua caliente para evitar lesiones
8. ANEXO
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9. BIBLIOGRAFÍA
TREYBAL, Robert; Operaciones de Trasferencia de Masa; Ed. Mc Graw Hills; México 1982.2.
PERRY, Robert y CHILTON, Cecil; Manual del Ingeniero Químico; Ed. Mc Graw Hills; 6º edición; México 1987.3.
OCON, Joaquin y TOJO, Gabriel; Problemas de Ingeniería Química; Editorial Aguilar; Madrid 1972.4.
FOUST, Alan y otros; Principios de las Operaciones Unitarias; 3º edición editorial CECSA, Mexico.5.
C. J. GEANKOPLIS, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias Editorial CONTINENTAL, México 199.
McCabe; Smith. Harriott. 2002. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.
"Torres de enfriamiento de agua - Evaluación de performances térmicas"; Ferrara, N.H.; Revista Mediterránea - Ingeniería & Tecnología. Nro. 20, Marzo de 1996. Córdoba.