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4.2. Cálculo de una cámara de enfriamiento adiabático.
Para entender los cálculos de una cámara de enfriamiento adiabático, debemos de fijarnos en el porcentaje de agua que contiene el aire, ya que este proceso se produce cuando incorporamos agua pulverizada para favorecer su evaporación en un aire con una humedad relativa baja, aumentando así su humedad relativa (aumenta su calor latente). Al no entrar energía nueva, el aire pierde temperatura (disminuye su calor sensible). Para los cálculos de una cámara de enfriamiento, pueden realizarse mediante transferencias de masa entre el agua y el aire, o también por una transferencia de energía entre el aire y el agua. Basándonos en el transporte de masa: Número de elementos de transmisión: N (^) y=∫ Y (^1) Y (^2) dY Y (^) w −Y =ln ( Y (^) w −Y (^1) Y (^) w −Y (^2)
Donde: YW= Humedad del aire si saliera saturado del humidificador. Y 1 = Humedad del aire de entrada del humidificador. Y 2 = Humedad del aire de salida del humidificador. Altura del elemento de transmisión: HY =
G
K (^) y∗a Dónde: G= Velocidad másica del aire. KY=Coeficiente de transporte de materia. a= Área de contacto por unidad de volumen. Altura de torre: z=NY (
G
kY∗a
Donde: NY= Número de elementos de transmisión.
KY=Coeficiente de transporte de materia. a= Área de contacto por unidad de volumen. G= Velocidad másica del aire. Volumen de torre V =N (^) Y (
W G
k (^) y∗a
Donde: WG=Flujo de masa de aire NY= Número de elementos de transmisión. KY=Coeficiente de transporte de materia. a= Área de contacto por unidad de volumen. Basándonos en el transporte de calor: Nt =∫ t (^1) t (^2) dt t−tw =ln ( t 1 −tw t 2 −tw
Donde: tW= temperatura húmeda del aire a la salida. t 1 = Humedad del aire de entrada del aire. t 2 = Humedad del aire de salida del aire. Ht = G∗c hC∗a Dónde: G= Velocidad másica del aire. hc=Coeficiente de convección aire-agua. a= Área de contacto por unidad de volumen. c= Calor especifico del aire en las condiciones medias entre las de entradas y salida del humidificador. z=Nt ( G∗c hc∗a
Donde: Nt= Número de elementos de transmisión. hc=Coeficiente de convección aire-agua.
tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frio y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida. Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire. Se puede aplicar en la industria: Refinerías, plantas químicas, fábricas de papel y otras instalaciones industriales donde se requiere una gran cantidad de enfriamiento Tiro Inducido: A diferencia de las de tiro forzado estas torres, el extractor está situado en la parte superior de la torre, y el aire es forzado a contra corriente con el flujo del agua. Hay dos tipos: o Contra corriente: El aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto. La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco. o Flujo cruzado: Las torres de flujo cruzado tienen una configuración de llenado a través de la cual el aire fluye de forma horizontal, atravesando el flujo descendente de agua. El agua que debe ser
enfriada es suministrada a los tanques de entrada de agua caliente situados en la parte superior de las áreas de llenado, y es distribuida por gravedad a través de orificios de medición en la parte inferior de dichos tanques. Los de flujo cruzado se pueden dividir en dos grupos:
- Doble flujo: En este tipo de torres el ventilador induce aire a través de dos entradas y a lo largo de dos lechos de relleno.
- Flujo sencillo: Este tipo de torre solo tiene una entrada de aire y un lecho de relleno, quedando los otros tres lados de la torre cubiertos. Las torres de flujo sencillo se utilizan principalmente en ubicaciones en las cuales las corrientes de aire están disponibles únicamente en una dirección.
conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor, donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. Algunos parámetros a emplear pueden ser los siguientes: Temperatura de agua: La temperatura del agua de entrada y salida es crucial para el diseño de la torre. 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. Humedad relativa del aire: La humedad relativa del aire ambiente afecta la tasa de evaporación en la torre de enfriamiento. Una humedad relativa más baja permite una mayor evaporación y, por lo tanto, una mayor eficiencia de enfriamiento. Este parámetro influye en la selección del tipo de relleno y la velocidad del aire. Caudal de agua a enfriar: es la cantidad de agua que fluye a través de la torre en un período de tiempo determinado, generalmente expresado en galones por minuto, afecta directamente la capacidad de enfriamiento y el rendimiento del sistema. 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 torr Energía térmica: Capacidad de la bomba: Las bombas se encargan de la recepción del agua del proceso que alimentará a la torre, consumen una fracción importante de la potencia en todo el sistema, es fundamental que en grandes
instalaciones la bomba debe estar en reposo para que pueda realizar la función correspondiente
Calcular: A. Altura que deberá de tener la columna, en metros, para cubrir los requerimientos establecidos. Expresando en su momento los criterios elegidos para realiza su cálculo. B. Por ciento de agua alimentada que se va a vaporizar en la columna, suponiendo nula la resistencia a la transferencia de masa y calor de la fase liquida C. Capacidad que deberá de tener el ventilador de aire, en pies^3 /(min)(m^2 ), a 70°F y 1 atm considerando que la alimentación del aire a la torre fuera de tiro inducido. Solución: Establecer la ecuación de balance: Q s
LAM∗CPALM
s )
( tL 2 −tL 1 )=^
Gs s
( HG 2 −HG 1 ) =
Gs s
(HG 2 MAX −HG 1 )
Tabla 1 .- VAPOR Calculo de Ys1(Humedad de saturación) Con una temperatura de 60°C podemos obtener la presión de saturación en la tabla1.-vapor, el cual nos dice que la presión es de 149.606mmHg, Obtener la presión parcial: PA 1 =( 0.105) (149.606 )=15.7086 mmHG Posteriormente obteniendo la presión parcial, podemos obtener Ys1 con la siguiente formula.
Y (^) s 1 =
PA 1
PT −PA 1
Y (^) s 1 =
=0.01738 kga/ kgv Con esta información podemos calcular directamente el valor de entalpia en uno.
HG 1 =(0.24+ 0.45 ( Y s 1 ) tG 1 +597.33 ( Y s 1 ) )
HG 1 =( 0.24+0.45 ( 0.01738 ) 60 +597.33 ( 0.01738) ) =25.249 kcal/kg
Sabiendo que tw no indica una medida indirecta de la cantidad de agua de humedad que contiene una corriente gaseosa, y como conocemos el valor de humedad de esa corriente que es Ys, y si tw1=tL1^ HG1 , se va interpolar con tabla 1.-VAPOR con el valor de la entalpia uno, obteniendo que tw1=tL1= 27.37°C podemos calcular TL1. T (^) L 1 =T (^) w 1 + 4 ° C T (^) L 1 =27.3+ 4 ° C= 38 °C Calculo de HG2, de la ecuación de balance Parte liquida Q s
LAM∗CPALM
s )
( tL 2 −tL 1 )
Q
s =( 3900 ) ( 1 ) ( 60 − 38 )=85,800 kcal /h∗m 2 Parte gaseosa HG 2 =
Q
s Gs s
+ HG 1
HG 2 =
+25.249=69.249 kcal/kgv Calculo del coeficiente global:
Dividir la longitud entre G, para obtener lalongitud de cada segmento. Trazar los puntos Cn separados por la longitud del segmento obtenido. Realizando el método de Mickley obtener que tG2=49.6°C Calcular Ys2 con la ecuación de entalpia en dos:
HG 2 =(0.24+ 0.45 ( Y s 2 ) tG 2 +597.33 ( Y s ))
Sustituyendo nos queda: Y (^) s 2 = HG 2 −0.24 tG 2 0.45 tG 2 + 597. Y (^) s 2 =
Calculo de Ta/S T (^) A s =( 1950 ) ( 0.09254−0.01738)=146. 56 kgh 2 o/h m 2
En este tipo de operaciones se puede considerar que: LAM=LA Tenemos que: 100 ∗T (^) a LA 2
Resolución del cálculo de capacidad del ventilador, podemos aplicar calculo de gases ideales para un gas. G 2 s
Gs s
PM (^) a. s
Y A 2
PM A
G 2
s = (^1950) (
18 .02 ) =77.325 kmol /h m 2 Calculo de Gv2/s a 70°F y 1 atm Gv 2 s
Gs 2 s
) RT
PT
Gv 2 s
= 1867 m 3 /hm 2
