PRÀCTIQUES DE QUIMICA-FÍSICA

APLICACIONS DE L'ANÀLISI EXERGÈTICA

Resum :

L'objectiu d'aquesta pràctica és estudiar el funcionament de la torre de refredament d'aigua . El seu funcionament es basa en disminuir la temperatura de l'aigua inserida. Que pot ser molt útil en empreses en que és vol refredar una aigua que surt d'un circuit a una certa temperatura , i és vol introduir en aquest una altra vegada però a menor temperatura.

El següent circuit augmenta la l'eficiència de plantes de potència amb el vapor

El funcionament de la torre de refredament comença entrant aigua líquida a una certa temperatura elevada (calenta) , aquesta entra amb contacte amb un enreixat o una superfície de contacte porosa i per aquesta si fa passar un cert corrent d'aire , per aquesta raó la superfície de contacte ha de ser el més gran possible per refrigerar millor. I el que es produeix és un intercanvi de calor de l'aigua que entra, el qual disminueix la temperatura , i l'aire que entra , el qual està a temperatura ambient ,augmenta la seva temperatura . Tot aquest procés comporta una pèrdua d'aigua a través de l'aire per evaporació i això fa que s'hagi d'introduir més aigua en la fase final.

Introducció :

La nostre pràctica la hem pogut anar seguint a través de l'ordinador que ens ha anat informant de les dades (entrada i sortida de líquid , entrada i sortida de vapor ) , també em obtingut informació a traves de la taula de comptadors de les sondes que ens informava de la temperatura i humitat relativa ambient , i la temperatura i humitat relativa de la sortida de la torre també.

I em obtingut les següents dades :

• Temperatura d'entrada de l'aire : 7.5 ºC (temperatura ambient)

• Temperatura de sortida de l'aire : 23.6 ºC

• Temperatura d'entrada de l'aigua : 34.2 ºC

• Temperatura de sortida de l'aigua : 18.2 ºC

• Humitat relativa de l'aire de sortida : 100%

• Humitat relativa de l'ambient : 65.2%

• Cabal d'aire de sortida : 2300 m³/h ( ens ha sigut facilitat )

El cicle estudiat es podria resumir en dos cicles el cicle fred i el cicle calent.

El cicle calent ( es pot veure a la figura 1 ) està composat de la caldera que treu vapor escalfat que passa pel vas de condensat que es comporta com una vàlvula de tres vies , si el vapor presenta líquid aquest s'acumula a la part inferior i es torna entrar a la caldera després i trobem unes sondes , fins que entra en el bescanviador de calor on si desprèn calor el vapor i per tant el vapor es liqua i torna a entrar a la caldera .

Aquest esquema ha sigut facilitat per l'ordinador.

En el circuit fred ( es pot veure a la figura 2 ) està composat per la torre de refredament on surt aigua a temperatura ambient , la qual es diposita en un dipòsit d'aquest dipòsit es posa una bomba per transportar-la fins el bescanviador de calor on aquesta aigua líquida absorbeix el calor despresa per l'anterior cicle i per això surt a una temperatura elevada , després aquesta entra a l'interior de la torre de refredament i disminueix la seva temperatura.

Pràctica :

L'objectiu principal és calcular el cabal màssic d'aigua , i per aquesta raó haurem de fer un balanç màssic i un balanç energètic.

En el balanç màssic es considera que en el sistema no hi ha pèrdues de massa i per aquesta raó el cabal màssic d'entrada és igual al de sortida.

Maire (entrada) = Maire (sortida)

S'ha de tenir en compte que en l'aire que surt també hi ha part d'aigua evaporat i per això calcularem el volum humit que es calcula amb la següent formula :

Vh = (0.082 x T / P ) x ( 1/Mb + Y/Ma )

On :

• T : Temperatura de sortida del gas : 296.6 k

• P : Pressió atmosfèrica : 1 atm

• Mb : Massa molecular de l'aire : 28.97 g/mol

• Ma : Massa molecular de l'aigua : 18.015 g/mol

• Y : Humitat absoluta = humitat d'aigua per massa d'aire sec

La Y la podem trobar a partir de la taula adjunta en la pràctica , agafant el següents punts de referència : a 23.6 ºC i la humitat de l'aire de sortida 100% , es considera que l'aire està totalment saturat.

Y = 0.0103 Kg aigua / Kg aire

I ara trobem el valor del vapor humit que ens dona:

Vh : 0.8544 m³/Kg

Tenint el “cabal màssic d'entrada d'aire” en m³/h el canviem per Kg/h a través de del volum humit ( inversa de la densitat )

M (aire de sortida) : 2300 m³/h x 1Kg / 0.8544 m³ = 2691.95 Kg/h

Si M(aire de sortida ) = M(aire d'entrada )

Ara ja podrem realitzar el balanç màssic per així poder determinar el cabal màssic de vapor que surt . Per tant calcularem l'aigua que surt de la torre.

Per tant M(aire d'entrada ) = M(aire de sortida ) + M(vapor H2O de sortida )

M(vapor H2O de sortida ) = YxMaire - Yambient x Maire

La Yambient la podem trobar com la anterior a través de la temperatura 7.5 ºC i que la humitat relativa ambiental és de 65.2% . Aquesta dona :

Yambient = 0.0071Kg aigua / Kg aire

Doncs :

M(vapor H2O de sortida ) = 0.0103x2691.95 - 0.0071x2691.95 = 8.614 Kg/h

Aquests resultats estaran reflectits en les següent equacions :

M(aigua d'entrada ) = M(aigua de sortida ) + 8.6142

M(aigua de sortida ) = M(aigua d'entrada ) - 8.6142

Un cop realitzats tots els balanços màsics farem el balanç energètic que serà :

M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =

= M(aigua de sortida )xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) + M(aire de sortida) )xh(aire humit de sortida )

Si ja partim de la base que coneixem :

M(aigua de sortida ) = M(aigua d'entrada ) - 8.6142

L'introduïm dins l'equació anterior :

M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =

= (M(aigua d'entrada ) - 8.6142)xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) +

+ M(aire de sortida) )xh(aire humit de sortida )

Ara ens falta el valor de les entalpies d'entrada i sortida de l'aigua que les podem trobar a les taules a través de la temperatura i en un estat líquid saturat:

h(aigua d'entrada ) = 143.6 KJ/Kg

h(aigua de sortida ) = 76.6 KJ/Kg

Per calcular l'entalpia de l'aire d'entrada i el de sortida s'haurà de tenir en compte que està humit i per tant haurem d'aplicar la següent formula :

hy = Cpb x (T-T.) + Y x hfg0 + Cpa x Y x (T-T.)

On :

• Cpb és la capacitat calorífica de l'aire = 1.005 KJ/(KgxK)

• Cpa és la capacitat calorífica del vapor d'aigua = 1.86 KJ/(KgxK)

• T és la temperatura

• T. és la temperatura de referència que em agafat 0 K

• Y és la humitat absoluta de l'aire = 0.0103 Kg aigua / Kg aire

• hfg0 és el calor latent de vaporització a la temperatura de referència

Si tenim una temperatura de l'aire d'entrada de 7.5 ºC = 280.5 K i hfg0 = 2456.5KJ/Kg

Podem trobar que :

hy = 1.005 x (280.5 - 0) + 0.01 x 2456.5 + 1.86 x 0.01 x (280.5 - 0)

hy = h(aire d'entrada ) = 311.68 KJ/Kg

S'ha de repetir el mateix procediment per l'aire de sortida que es troba a

23.6 ºC = 296.6 K i té una hfg0 = 2456.5 KJ/Kg , per tant :

hy = 1.005 x (296.6 - 0) + 0.01 x 2456.5 + 1.86 x 0.01 x (296.6 - 0)

hy = h(aire de sortida) = 328.16 KJ/Kg

I un cop trobades totes les variables ja podem calcular M(aigua d'entrada ) substituint les

M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =

= (M(aigua d'entrada ) - 8.6142)xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) +

+ M(aire de sortida) )xh(aire humit de sortida )

M(aigua d'entrada ) x 143.6 + 2691.95 x 311.68 = (M(aigua d'entrada ) - 8.6142) x 76.6 + (8.6142 + 2691.95) x 328.16

I obtenim el següent resultat :

M(aigua d'entrada ) : 694.48 Kg/h

El resultat que ens ha donat s'aproxima força al donat per l'ordinador que ens indicava uns 719/712 Kg/h .Tot i que presenta diferents punts conflictius com pot ser la temperatura ambiental de 7.5 ºC però tot això es fruit de la situació de les sondes ja que estan molt properes a les fonts de calor i la seva inexactitud i per aquesta raó ens dona un resultat una mica desplaçat.