practica 1 - humidificación
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HUMIDIFCACIÓN (ENFRIAMIENTO DEL AGUA)
I. 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.
Todos estos problemas del aire son un problema de ingeniería aplicado en la
ventilación de locales. A nosotros nos interesa como una operación de
transferencia de calor previa a la desecación o a los procesos mencionados con
anterioridad al ser expuestos a l aire.
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.
Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal
aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración, que será el objeto
de estudio de la práctica que nos ocupa. A grandes rasgos, el proceso que tiene
lugar en la operación de humidificación es el siguiente:
Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o
con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosférico.
Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.
El seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.
A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se
humidifica.
En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La materia
transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que
dependiendo de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se
condensa (deshumidificación).
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.
II. OBJETIVOS :
Determinar el coeficiente de transferencia de masa. (Kga)
Determinar la variación del flujo del líquido (agua). L
Determinar el flujo de gas (aire). G
Desarrollar un programa que permita simular el proceso de humidificación.
Evaluar la performance de la torre de Humidificación.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO :
Es una operación unitaria de transmisión de calor y materia, se utiliza como
base una unidad de masa de gas de aire de vapor.
En la fase gaseosa el vapor se referirá como componente A y el que
permanece como componente B ,debido a que las propiedades de la mezcla del
gas vapor con la presión total esta debe ser fija siempre que no se especifique
otra cosa.
Se supone que la presión total es 1 atm. La humidificación es el proceso de la
evaporación de un liquido dentro de un gas y consiste en la transferencia a
la masa principal del gas ( por difusión y conversión ) de moléculas de vapor
procedentes de la capa del gas en contacto con el liquido y que tiene una
presión de vapor igual a la de este.
En la humidificación el vapor pasa de liquido al gas por efecto del gradiente de
la presión parcial ,pues el gas puede estar más frió o mas caliente del liquido
de modo que ele calor sensible puede fluir en uno o en otro sentido.
Cuando el gas esta caliente, es decir más caliente que el líquido se transmite calor
sensible al líquido mientras se le quita calor latente la capa limitante en el
proceso de separación es el área de contacto ente el vapor y el agua.
Mezclas de vapor – gas no saturadas
La humedad absoluta, (Y’), es la relación entre la masa de vapor y la masa
de aire contenidos en la mezcla aire-vapor de agua.
Donde: pA : es la presión parcial del vapor de agua en la mezcla
aire-vapor,
P : es la presión total, y
MA y MB : son el peso molecular del agua y del aire,
respectivamente.
La humedad absoluta se expresa en Kg vapor/Kg aire seco, unidades
convenientes para los cálculos ya que la masa de aire seco no cambia durante el
proceso de enfriamiento en la torre.
Cuando la presión parcial del vapor de agua en el aire, pA, es igual a la presión de
vapor de agua, pS, a la misma temperatura, se dice que el aire esta saturado y la
humedad absoluta se designa como humedad de saturación, Y’S. Luego:
La humedad relativa (HR), se define como la relación porcentual entre la
presión parcial del vapor de agua y la presión de vapor del agua a la
temperatura dada. Por lo tanto:
La humedad porcentual (HP), es el cociente entre la humedad absoluta
existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviese saturada. Luego:
Además,
El punto de rocío (PR), es la temperatura que alcanza la masa de aire
húmedo en la saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez
alcanzada esta temperatura, si se continua enfriando la mezcla se ira
condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación.
El volumen húmedo (VH), de una mezcla vapor-gas es el volumen de masa
unitaria de aire seco y de su vapor acompañante a la temperatura y presión
dominantes. Según la ley de los gases ideales:
Donde: P : en Pa
t G : en °C
Y’ : en Kg agua/ Kg aire seco
VH : en m3 / Kg aire seco
El calor húmedo, (Cs), es el calor que se requiere para aumentar la
temperatura de la masa unitaria de aire y su vapor acompañante 1 °C, a
presión constante.
CS = CB + Y’ CA
Donde; CB y CA son los calores específicos del aire y del vapor de agua,
respectivamente.
La entalpía especifica (H’), de una mezcla aire-vapor es la suma de las
entalpías relativas del contenido de aire y de vapor. Esta dado por:
H’ = CB ( t G - t O ) + Y’ [ CA ( t G - t O ) + lO ]
H’ = CS ( t G - t O ) + Y’ lO
La carta psicométrica: sistema aire – agua
Es una representación gráfica de las variables psicrométricas (humedad absoluta,
entalpía específica, volumen húmedo, etc) en función de la temperatura. Si bien es
cierto que pueden prepararse cartas psicrométricas para cualquier mezcla vapor-
gas cuando las circunstancias lo exigen, el sistema aire-agua aparece con tanta
frecuencia que se cuenta con cartas muy completas para esta mezcla. También se
muestran las líneas de saturación adiabática, que para este sistema corresponden a
las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante.
Temperatura de bulbo húmedo
Es un concepto muy importante para el diseño de una torre de enfriamiento ya que
representa la temperatura mas baja a la cual el agua puede enfriarse al pasar por la
torre. En la Fig. 4-2 se muestra un termómetro rodeado por una mecha sumergida
en agua a la misma temperatura que el aire ambiental, de tal manera que la mecha
siempre se mantenga húmeda. Un segundo termómetro se suspende en el aire
ambiente para indicar la temperatura de bulbo seco.
Si aire no saturado (a cualquier temperatura de bulbo seco) circula por la mecha,
se producirá una evaporación de agua de la mecha al aire debido a que la presión
parcial del vapor de agua fuera de la mecha es mayor que la del vapor de agua en el
aire circulante. La evaporación del agua de la mecha requiere el suministro de
calor latente de evaporación, que es dado por la mecha misma, lo cual produce la
disminución de su temperatura. Si la temperatura inicial de la mecha fue la misma
que la de bulbo seco del aire, el descenso en la temperatura de la mecha
establecerá una diferencia de temperatura entre la temperatura de bulbo seco del
aire y la menor temperatura de la mecha. Esto origina un flujo de calor sensible del
aire a la mecha, disminuyendo entonces la temperatura del aire.
A medida que circula el aire se registran depresiones adicionales en la temperatura
de la mecha, hasta que se alcanza un punto en el cual la diferencia de temperatura
entre la mecha y el bulbo seco del aire ocasiona un flujo de calor hacia la mecha
justamente suficiente para contrabalancear la perdida de calor de la mecha por
evaporación del agua al aire.
Se establece entonces un equilibrio, en el cual la rapidez de transferencia de calor
sensible del aire a la mecha será igual a la rapidez de necesidad de calor latente
para la evaporación del agua de la mecha, y la temperatura de la mecha
permanecerá constante en algún valor bajo, la temperatura de bulbo húmedo, tw.
Para formular la ecuación que gobierna la temperatura de bulbo húmedo, nos
ayudaremos con la Fig. 4-3, donde se muestra esquemáticamente una gota de agua
en estado estacionario a la temperatura de bulbo húmedo.
Designando:
tw : temperatura de bulbo húmedo
tG : temperatura de bulbo seco de la mezcla aire-vapor.
pAW : presión parcial de vapor de agua a la temperatura de
bulbo húmedo
p AG : presión parcial de vapor de agua en la mezcla aire-vapor
L: caudal másico de líquido
G: caudal másico de gas
H: humedad del gas
TL: temperatura del líquido
TG: temperatura del gas
q: calor transferido a la columna desde el exterior
z: altura de la columna
A: superficie interfacial
a: área interfacial del volumen de
la columna (m2/m3)
S: sección transversal de la torre
Analizando la torre de enfriamiento y haciendo los balances necesarios:
Balance de materia:
L= Flujo de agua.
G=Flujo de aire.
dY=Diferencial de la concentración de la humedad.
dL=GdY
Balance de calor:
GCsDt + GdYΥm= LCLdTL
CS= Calor especifico medio de aire.
Υm= Calor latente de vaporización medio de H2O en la torre.
CL= Capacidad calorífica de líquido.
Dt= Diferencial de temperatura en el gas.
Dtl= Diferencial de temperatura del líquido.
Transferencia de calor:
Q= m.Ce.∆t…….Capacidad Calorífica
GCS(T1-T2)=H ga V(tL1 –tL2)
Hga= Coeficiente de transferencia de calor.
Transferencia de masa:
G(Y1 – Y2)= Kga V(Y*-Y)
Y*= Humedad de equilibrio.
Y= Humedad de aire medio.
El proceso que ahora nos ocupa se aplica en la desecación de sustancias o en el
acondicionamiento del aire. Al ser limitada la cantidad de aire, la humidificación y
el enfriamiento afectan a toda la masa. Durante el proceso varían continuamente la
humedad y la temperatura del aire. Con la saturación se alcanza una temperatura
constante llamada SATURACIÓN ADIABÁTICA. Ahora bien determinaremos las
condiciones de saturación con ayuda de un balance calorífico aplicado a todo el
sistema. En el balance intervienen el calor latente de vaporización del líquido y el
calor sensible del aire húmedo. Teniendo la siguiente ecuación como resultado de
la transferencia de masa en la humidificación, siendo los términos de calor sensible
despreciable en compañía con el calor latente:
L’Ca,ldt1= G’sCsdtG + G’S λ0Dy’= GsdH….(1)
Integrando con la suposición adicional de que L’ es básicamente constante:
L’CA,L(tl1- tl2)= Gs(H’2-H’1)….(2)
Si la rapidez de transferencia de masa es pequeña, como generalmente lo es, se
puede interpolar por las siguientes ecuaciones:
G’sdY’= Kya(Y’i-Y’)dz…(3)
G’sCsdta=hGaH(ti-tG)dz…(4)
Ignorando el calor sensible del vapor transferido, se tiene que:
L’CA,LdtL= hLaH(tl-ti)dz…(5)
Sustituyendo las ecuaciones (3) y (4) en la ecuación (1).
G’s Dh’ = hGAH(ti-tG)dz + λ0 kyaH(Y’i – Y’)dz….(6)
Si hs Dh’= kyaH [(CS rti+λ0 Yi) – (Cs rtG + λ0Y)]dz …(7)
Para el caso en que r=1 y Ah=a
La ecuación (6) se convierte en:
Gs Dh = kYa(Hi- H)dz …(8)
Se tiene combinando las ecuaciones (1), (5) y (7).
Gs Dh= kYa(Hi-H)dz = hLa(tl-ti)dz …(9)
Entonces, suponiendo que KYA ES CONSTANTE, la ecuación (9) da:
∫H1
H2dH
(Hi−H ) AV=NLG
En donde la parte media de la ecuación es el número de veces que la fuerza motriz
promedio se divide entre el cambio d entalpía. Esta es una medida de la dificultad
de la transferencia de entalpía, llamada “Número de unidades de entalpía del gas
NtG”. En consecuencia:
Z=HtG∗NtG
En donde la altura de una unidad de transferencia de entalpia del gas= HTg = GS/kya.
Ahora utilizando una fuerza motriz global, que represente la diferencia de entalpía
para las dos fases totales:
N=∫H 1
H 2dH
H∗−H= KYAZ
Gs= ZH
Z=Altura de la columna, m.
S= Sección transversal, m2.
G= Flujo másico del gas.
K= Coeficiente de transferencia de masa.
Luego para hallar la entalpía del gas en la entrada y a la salida se tiene:
HG=(0.24 + 0.46Yi)tGe + λ0 Yi …(13)
tGe= Temperatura del gas en la entrada.
λ0= Calor latente del aire a temperatura de referencia.
Para el cálculo de la pendiente:
m=LC L
G
L= Flujo del líquido.
CL= Calor latente del aire a temperatura de referencia.
Para el cálculo de flujo del líquido en la entrada:
Ls1=3 .203∗LR+32 .08…(14) [Kg/h]
Para el cálculo del flujo del líquido en la salida.
Ls2=Ls1−G∗(Y 2−Y 1 )…(15)
Finalmente, el cálculo para el coeficiente de transferencia de masa para el aire
(total).
K ya=G [∫
H 1
H 2dH
H∗−H]
Z .S
…(17)
Torre de enfriamiento
Caliente
Frió Seco
Húmedo
Esquema de una torre de Humidificación
IV. MATERIALES Y EQUIPO :
Material de estudio.
Aire extraído del medio ambiente. Agua potable.
Descripción del módulo de Equipo.
El equipo es una torre de enfriamiento de 7 pisos con un área de 0.95*0.4 y una altura de 2.4; acoplado un ventilador y 3 duchas de dispersión, la cual opera adiabáticamente a régimen estacionario.
V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL :
La presente práctica se desarrolla con un caudal de gas constante, y con variación en los caudales del agua.
Prender el calentador eléctrico antes de iniciar la práctica.Fijar el flujo de agua caliente vía rotámetro del intercambiador de calor; primero se leyó a 40, luego se prender el compresor para fijar el caudal del aire, se tomaron los datos de la temperatura inicial.Después de realizar este experimento, se procede hacer lo mismo para las diferentes lecturas del rotámetro.
VI. CÁLCULOS: Se realizan cálculos para cada longitud de rotámetro.
Experimento
LR T1 (°C) T2 (°C) TL1 (°C) TL2 (°C)
1 100 29.4 36 59 362 120 30.1 37.9 59.5 37.93 140 30.9 39.3 60 39.34 160 31.1 40.15 60.05 40.55 180 31.4 41.2 61 41.2
T1= entrada del aire
T2= salida del aire
TL1= entrada del liquido
TL2= salida del liquido
Altura del equipo = 2.41 m
Ancho equipo = 39.4 cm
Largo equipo = 88.5 cm
T(ºC) H H* (H*-H) (H*-H)-1 (H*-H)v-1 ΔH Noi
36 10.458 17.2 6.742 0.1483 0.1513 3 0.45437.9 13.741 20.2 6.459 0.1548 0.1316 3.6 0.474039.3 15.632 23.8 8.168 0.1222 0.1154 1.2 0.014140.5 15.789 25 9.211 0.1085 0.0996 2.8 0.010841.2 16.784 27.8 11.106 0.090 0.075 7.9 0.0068
LR= 100
L2= (100-10)*60/19.2L2= 281.25 Kg H2O/ hHG1 = (0.24+0.46y1) T1 + 597.2y1
T1= 21 ºCHR = 80 %PEQ= exp (21-(5290/(21+273))PEQ= 20.28PV=20.28*0.8PV=16.22y1= 0.622(16.22)/(760-16.22)y1= 0.013HG1 = (0.24+0.46 (0.013)) (21) + 597.2*0.013HG1 = 12.929HG2 = (0.24+0.46y2) T2 + 597.2y2
T2= 26 ºCHR = 100 %PEQ=27.322PV=27.322Y2= 0.622(27.38)/(760-27.38)Y2= 0.023HG2 = 20.250
Luego graficamos HG vs T, la pendiente será
L2*C1/G = HG2-HG1/(tl2-tl1)
L2*C1/G = 20.250-12.929/45-24
G= 269.38 Kg aire seco/ h
24 29 34 39 44 4915
20
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura VS Entalpía
Temperatura (°C)
Enta
lpía
(kca
loría
s/kg
)
LR = 120
L2=343.75 Kg H2O/hT1= 21 ºCHR = 80 %y1= 0.013HG1 = 12.929Y2= 0.0262HG2 = 22.70 Kcal/ Kg aireLa pendiente será:L2*C1/G = 22.70-12.929/47-27
G= 255.6 Kg aire seco/ h
LR = 140
L2=406.25 Kg H2O/hT1= 21 ºCHR = 80 %y1= 0.013HG1 = 12.929Y2= 0.030HG2 = 25.95 Kcal/ Kg aireLa pendiente será:L2*C1/G = 25.95-12.929/48.5-30G= 221.85 Kg aire seco/ h
24 29 34 39 44 4915
20
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura VS Entalpía
Temperatura (°C)
Enta
lpía
(kca
loría
s/kg
)
24 29 34 39 44 4915
20
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura VS Entalpía
Temperatura (°C)
Enta
lpía
(kca
loría
s/kg
)
LR= 160
L2=468.75 Kg H2O/hT1= 21 ºCHR = 80 %y1= 0.013HG1 = 12.929Y2= 0.0323HG2 = 27.368 Kcal/ Kg aireLa pendiente será:L2*C1/G = 27.368-12.929/50-31G= 246.72 Kg aire seco/ h
LR= 180
L2=531.25 Kg H2O/hT1= 21 ºCHR = 80 %y1= 0.013HG1 = 12.929Y2= 0.0333HG2 = 28.098 Kcal/ Kg aire
La pendiente será: L2*C1/G = 28.098-12.929/51-33.5
G= 252.349Kg aire seco/ h
Cálculo de L1L2-L1= G*(y2-y1)L1= L2- G*(y2-y1)
LR=100
L1=281.25- 269.38*(0.023-0.013)L1= 278.5562 Kg H2O/ hPara LR =120
L1= 341.0562 Kg H2O/ hPara LR =140
L1= 403.5562 Kg H2O/ h
24 29 34 39 44 4915
20
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura VS Entalpía
Temperatura (°C)
Enta
lpía
(kca
loría
s/kg
)
24 29 34 39 44 4915
20
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura VS Entalpía
Temperatura (°C)
Enta
lpía
(kca
loría
s/kg
)
Para LR = 160
L1= 466.0562 Kg H2O/ hPara LR =180
L1= 528.5562 Kg H2O/ h
Hallando Kya =G*Noi/z*S
Kya = 146.05Kya = 144.48Kya = 141.23Kya = 138.36Kya = 136.12Kya = 132.14Kya = 128.56
VII. CONCLUSIONES :
En una torre de humidificación o de enfriamiento de agua, al aumentar el caudal de
gas aumentamos el coeficiente de transferencia de materia, por lo que estamos
favoreciendo la humidificación del gas al aumentar el caudal de líquido, el
coeficiente de transferencia de calor por convección de la fase líquida aumenta.
Entonces el líquido pierde calor con mayor facilidad, luego estamos favoreciendo el
enfriamiento del líquido.
La velocidad de flujo líquido es inversamente proporcional a la velocidad del flujo
gaseoso.
Los resultados más exactos y precisos son los calculados en el lenguaje de
programación, pues los cálculos manuales se prestan a mayor error.
VIII. RECOMENDACIONES
Se debe esperar a que la cabeza del rotámetro se estabilice para la lectura deseada;
de esta manera se obtendrá un flujo constante en la entrada de la torre de
enfriamiento.
Tener mayor precisión en la toma de datos de temperatura, ya que éstas son la
base para los cálculos.
IX. BIBLIOGRAFÍA
Treybal, R.E. (1980) Operaciones de transferencia de masa Ed. Mc. Graw−Hill.
Costa, Cervera, Cunill, Espulgas, Mans, Mata (1999) Curso de ingeniería química
Ed. Reverté.
Weltey, J., Wicks, Ch. Y R. Wilson, “Fundamentos de Transporte de Momento
Calor y Masa”,2da Ed. Edit. Limusa, S.A., México.
Geankoplis, Ch. J.,"Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias", CECSA
2da.Ed., México 1995.