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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA. Vol. 32 NÚM. 69. PP. 120-125 DIC. 2017 ISSN 0185-6294 PERFILES DE TEMPERATURA DE LÍQUIDO Y GAS EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA Peraza González 1 , Enrique Eduardo; Montañez Jure 1 , Pedro José, Reyes Sosa 1 , Carlos Francisco; Rodríguez Gil 1 , Luis Alfonso; Pacheco Medina 1 , Carlos Enrique; Canto Córdova 2 , Yanelli; Tamayo Guzmán 2 , Zoemy; Sosa Domínguez 2 , Libni y Barbudo Euán 2 , Braulio Tecnológico Nacional de México. Instituto Tecnológico de Mérida. Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica. Av. Tecnológico km. 4.5. S/N. Mérida, Yucatán. México. C.P 97118. 1 Catedráticos. 2 Alumnos Autor de contacto: dzilamtemax57@hotmail.com Recibido: 10/diciembre/2017 Aceptado:28/diciembre/2017 Publicado: 31/diciembre/2017 RESUMEN Se presenta un software para calcular las condiciones de temperatura, humedad, entalpía y otras propiedades, de los flujos de agua y aire a contracorriente dentro de una columna de enfriamiento de agua. Estas propiedades son función de variables tales como: el tipo de empaque y de las características de los flujos de aire y agua. El conocimiento de las propiedades de las corrientes de aire y agua, las cuales están íntimamente en contacto, es fundamental para optimizar las condiciones de operación, de la torre de enfriamiento que se diseña, o de una torre que ya esté en operación. El procedimiento numérico, que se ha implementado en forma de software, fue desarrollado en una época en que no se tenían las facilidades de cómputo de que ahora disponemos. La laboriosidad del cálculo manual justifica ampliamente la elaboración del software que aquí se presenta. Palabras clave: Torres enfriamiento, software didáctico, perfiles temperatura de líquido y gas. ABSTRACT A software is presented to calculate the conditions of temperature, humidity, enthalpy and other proprieties, of the flows of water and countercurrent air inside a water cooling column. These properties are a function of variables such as: the type of packaging and the characteristics of the air and water flows. Knowledge of the properties of air and water currents, which are intimately in contact, is essential to optimize the operating conditions, the cooling tower that is designed, or a tower that is already in operation. The numerical procedure, which has been implemented in the form of software, was developed at a time when the computing facilities we now have were not available. The laboriousness of the manual calculation justifies the elaboration of the software presented here. Key words: Cooling towers, didactic software, liquid and gas temperature profiles. INTRODUCCIÓN El proceso de enseñanza aprendizaje de las operaciones unitarias abarca dos aspectos fundamentales: el diseño y la simulación. Se diseña algo inexistente (un equipo o proceso) en base a una necesidad, y en base a ciertas especificaciones que debe cumplir el producto. Si el equipo o proceso ya existe y opera a satisfacción, es común que surja la necesidad de cumplir nuevas especificaciones con el mismo equipo, y es el ingeniero el que debe dictaminar si un equipo o proceso, tal como está, será capaz de realizar el trabajo o, en su caso, qué adecuaciones se deben hacer para conseguir el objetivo deseado. La manera más obvia de hacer esto sería operando el equipo o proceso, con las nuevas condiciones de operación y evaluar los resultados. Esto, evidentemente, sería costoso y tardado. Se presenta un software didáctico que combina las metodologías tradicionales de enseñanza con las tecnologías computacionales de las que ahora disponemos para optimizar la enseñanza-aprendizaje de la operación unitaria: enfriamiento de agua, en todos sus aspectos, haciendo énfasis en el razonamiento y análisis. El uso de métodos de trazo geométrico, en dos dimensiones, sobre papel milimétrico en la enseñanza de las operaciones unitarias, ha sido por mucho tiempo el método de enseñanza por excelencia. Tiene la ventaja que se pueden “visualizar” la interacción de las variables del proceso en el diseño final e inclusive como un simulador en un equipo ya construido. Pero es un proceso muy tedioso, tardado, que termina por reducir el proceso enseñanza-aprendizaje a un elemental T E C N O L Ó G I C O N A C I O N A L D E M É X I C O . I . T . M É R I D A
PERFILES DE TEMPERATURA DE LÍQUIDO Y GAS EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA proceso mecánico. Esto resulta al final en pérdida de enfoque del objetivo medular del aprendizaje. Combinando las nuevas tecnologías (TIC’S) y la accesibilidad de equipo de cómputo es sencillo desarrollar un software, como el que aquí se presenta, para hacer más dinámico, interesante y aprovechable el tiempo dedicado al proceso de enseñanza aprendizaje. Un software para diseño, simulación y cálculo de coeficientes en base a medidas experimentales, que complemente de forma efectiva la comprensión y las habilidades del alumno presentando las posibles situaciones que se presentarían en la operación en condiciones reales de un equipo de proceso. Justificación El agua es el insumo por excelencia para cualquier actividad humana. Toda industria necesita utilizar agua, ya sea como materia prima o para operaciones de intercambio de calor y recuperación de energía. Pero siendo el agua un recurso cada vez más valioso se tiene que optimizar su uso, reduciendo la cantidad utilizada y reutilizándola, en la medida de lo posible. a) Los balances de masa y energía se realizan en base a flujo de componente inerte. b) El inerte en la fase gaseosa es el aire seco. En la fase líquida es el flujo de agua (en base a la consideración aproximada de flujo de agua constante, lo cual no es estrictamente cierto). c) Existe equilibrio entre la fase gas y la líquida en la capa límite. Es decir, en la superficie de contacto existe una capa real, de espesor infinitesimal, indeterminado, en la cual existen condiciones de saturación (de bulbo húmedo). d) El enfriamiento del agua se realiza por dos mecanismos: flujo de calor por vaporización de agua por difusión, de la capa límite a la fase global de gas, y por transmisión de calor por convección entre las fases por diferencia de temperatura e) Se considera despreciable, para los balances de materia y energía, la variación del flujo de agua. El agua que se emplea para enfriamiento de equipos de proceso o en procesos de generación de vapor, puede enfriarse por medio de contacto con una corriente de aire en equipos especiales llamados: torres o columnas de enfriamiento. El contacto entre agua caliente y aire atmosférico no saturado se realiza de forma continua en columnas verticales provistas de rociadores o regaderas en su parte superior y un empaque formado por capas de láminas planas inclinadas que propician un mejor contacto entre la fase gaseosa y líquida. ¿Qué puede realizar este software? − Cálculo de perfiles de temperatura, humedad, entalpías, entre otras, de una columna de enfriamiento de agua en diseño o de una columna ya existente en operación. − Cálculo de coeficientes de una torre de enfriamiento: En el caso de diseño de una torre de enfriamiento de agua es preciso conocer los coeficientes de transferencia de calor y masa en función de los flujos de gas y líquido y del tipo particular de empaque. Estos coeficientes se obtienen a partir de pruebas experimentales con un equipo piloto y el software que aquí se presenta. Figura 1. Condiciones en la parte superior de la columna MATERIAL Y MÉTODOS Diseño de torres de enfriamiento de agua. El Modelo Matemático. Desarrollo del Modelo Matemático (Ref. 1). Puntos que considerar: Figura 2. Condiciones en el fondo de la columna REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO MÉRIDA Vol. 32 NÚM. 69 121
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