Objetivos

General
Determinar los parámetros de diseño de la torre de enfriamiento inducida a
contracorriente, bajo las condiciones de operación empleada experimentalmente.
Específicos
1. Determinar la cantidad de energía que gana/pierde el agua.
2. Determinar la cantidad de energía que gana/pierde el aire.
Introducción
Las torres de enfriamiento se utilizan con el fin de enfriar agua en grandes
volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante un mecanismo de transferencia
de calor conocido como evaporación, el cual es un proceso físico en donde una
pequeña parte del agua pasa del estado físico hacía un estado gaseoso y de esta
forma el vapor y el aire adquieren la energía en forma de calor contenida en el
agua. El enfriamiento de agua ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre,
se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o
a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas
condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando
que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua
descienda, este proceso se logra con el relleno consiguiendo un contacto
adecuado entre el agua y el aire atmosférico. Parte del agua que se evapora,
causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima
de las torres de enfriamiento. Cuando se pone en contacto un líquido caliente con
un gas insaturado, parte del líquido se evapora y la temperatura del mismo
desciende. La aplicación más importante de este principio se encuentra en el uso
de las torres de enfriamiento para disminuir la temperatura de agua recirculada
que usan los condensadores e intercambiadores de calor en plantas químicas,
plantas de energía y unidades de aire acondicionado.
En una torre típica de enfriamiento de agua, el agua caliente fluye a
contracorriente del aire, por lo general, el agua caliente entra por la parte superior
de una torre empacada y cae en cascada a través del material del empaque, y
sale por el fondo. El aire entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba, a
través del agua que desciende. El empaque de la torre casi siempre es de tablillas
de madera y el agua se distribuye por medio de acanaladuras y rebosaderos para
que caiga en cascada por el enrejado de tablillas, lo cual suministra un área
extensa interfacial de contacto entre el agua y el aire en forma de gotas y película
de agua. El flujo de aire ascendente a través de la torre se puede inducir por
medio de la tendencia natural del aire caliente a subir o bien por la acción de un
ventilador.
Materiales y equipo de laboratorio
EQUIPO DE LABORATORIO IMAGEN

Torre de enfriamiento

Termómetro

REACTIVO IMAGEN

Agua

Procedimiento experimental
Se encendió el equipo y se esperó a que el agua del tanque alcanzara una
temperatura de entre 40°C y 50°C, para ello, fue necesario estar constantemente
monitoreando el equipo para que una vez alcanzada la temperatura deseada, se
regulara el flujo y se registraran los datos.
Se realizó el procedimiento a 0.5 y 1 GPM y se registraron los datos tanto del agua
como del aire, tal como se puede observar en las tablas 1 y 2.

Tabla 1. Datos registrados para el agua a los diferentes flujos

 Tabla 2. Datos registrados para el aire a los diferentes flujos

Una vez obtenidos los datos, se procedió a realizar los cálculos correspondientes
para obtener la energía ganada o pérdida de cada uno de ellos.
Cálculo de Q para el agua a 0.5 GPM y humedad del 89%
ṁ=0.5
min 1 gal( )( )(
gal 3.785 L 1 kg 1min
1 L 60 s
=0.0315 kg /s )
T 1=42.56 ° C +273.15=315.71 K
T 2=25.75° C+ 273.15=298.9 K
De tablas se obtuvieron los valores del Cp a 42.56 °C Y 25.75°C:
J
Cp 45.56 ° C =4179.56
kg ∙ K
J
Cp25.75 ° C =4179.64
kg ∙ K
Una vez obtenidos los datos, calculamos la energía con la formula Q=mCp(T2-T1)

( )
J J
4179.56 +4179.64
kg ∙ K kg ∙ K
Q= ṁCp ∆ T =(0.0315 kg/s ) ( 298.8 K −315.71 K )
2

Q= ṁCp ∆ T =−2216.0884 J

Cálculo de Q para el aire a 0.5 GPM y humedad del 65%

Experimentalmente obtuvimos la velocidad del aire y el diámetro, valores que
están registrados en la Tabla 2. Con el dato del diámetro, y dado que el ventilador
es circular, calculamos el área para posteriormente, poder calcular el caudal.
2 2
π D π ( 0 .153 m ) 2
A= = =0 . 0183 m
4 4
 V̇ =VA = ( 1.482s m ) (0.0183 m )=0.0272 m / s
2 3

Convertimos de flujo volumétrico a flujo másico con ayuda de la densidad

ṁ=0.0272
m3
s ( kg
)
1.29 3 =0.0351
m
kg
s

De la carta psicrométrica obtuvieron los valores de las entalpías a 22.12 °C Y

38.12°C y una humedad de 65%
H 1=49730 J / kg
H 2=109900 J / kg
Una vez obtenidos los datos, calculamos la energía con la formula Q=m (H2-H1)

(
Q= ṁ∆ H = 0.0351
ks
s )( J
109900 −49730
kg
J
kg )
Q= ṁ∆ H =2114.9090 J
Cálculo de Q para el agua a 1 GPM y humedad del 84%
ṁ=1 (
gal 3.785 L 1 kg 1 min
min 1 gal 1L 60 s)( )(
=0.0 630 kg/ s )
T 1=45.13 ° C +273.15=318.28 K
T 2=34.3° C+ 273.15=307.45 K
De tablas se obtuvieron los valores del Cp a 42.56 °C Y 25.75°C:
J
Cp 45.13 ° C =4180.026
kg ∙ K
J
Cp 34.3 ° C =4178
kg ∙ K
Una vez obtenidos los datos, calculamos la energía con la formula Q=mCp(T2-T1)

( )
J J
4178 +4180.026
kg ∙ K kg ∙ K
Q= ṁCp ∆ T =(0.0630 kg/s ) ( 307.45 K−318.28 K )
2

Q= ṁCp ∆ T =−2 855.0703 J

Cálculo de Q para el aire a 1 GPM y humedad del 65%
Experimentalmente obtuvimos la velocidad del aire y el diámetro, valores que
están registrados en la Tabla 2. Con el dato del diámetro, y dado que el ventilador
es circular, calculamos el área para posteriormente, poder calcular el caudal.
2 2
π D π ( 0 .153 m )
A= = =0 . 0183 m2
4 4
 (
V̇ =VA = 1.32
m
s )
( 0.0183 m2 ) =0.0 242 m3 / s

Convertimos de flujo volumétrico a flujo másico con ayuda de la densidad

( )
3
m kg kg
ṁ=0.0242 1.29 3 =0.0313
s m s

De la carta psicrométrica obtuvieron los valores de las entalpías a 22.62 °C Y

43.88°C y una humedad de 65%
H 1=51100 J /kg
H 2=1 43085.8 J /kg
Una vez obtenidos los datos, calculamos la energía con la formula Q=m (H2-H1)

(
Q= ṁ∆ H = 0.0313
kg
s )
( 143085.8 J /kg−51100 J /kg )

Q= ṁ∆ H =2879.7726 J
Resultados y análisis
Tabla 3. Resultados para el agua Tabla 4. Resultados para el aire

Para el caso 1: Agua y Aire a 0.5 GPM, se obtuvieron valores de energía (Q) de:
-2216.0884J y 2214.9090 J, respectivamente.
Para el caso 2: Agua y Aire a 1 GPM, se obtuvieron valores de energía (Q) de:
-2879.7726J y 2879.7726J, respectivamente.
Conclusiones
1. Tras analizar los resultados obtenidos, podemos concluir que es el agua
quien pierde energía.
2. Tras analizar los resultados obtenidos, podemos concluir que es el aire
quien gana energía.
Bibliografía
Warren L. McCabe (1975). OPERACIONES UNITARIS EN INGENIERIA
QUIMICA. Ciudad de México, México. Mc.Graw Hill.
Glaciar Ingeniería. (2022). ¿Cómo funciona una torre de enfriamiento? Glaciar
Ingeniería S.A.S. https://glaciaringenieria.com.co/funciona-una-torre-enfriamiento/