Balances de materia y energía

Balances de materia y energía

Permiten

. Evaluar la cantidad de calor por unidad de tiempo a transferir en el
intercambiador, Q (Carga térmica, heat duty, heat load).

. Especificar las condiciones de operación (entrada y salida) y la
escala del proceso.

Con estos datos se puede cotizar, dimensionar o diseñar el intercambiador

Diseñar implica determinar coeficientes detransferencia para, mediante
ecuaciones de transferencia, obtener las dimensiones esenciales.

Los balances se escriben a partir de los flujos de masa y energía por
unidad de tiempo a través de un volumen de control

Formas:
. Régimen permanente sin generación de calor: E = S

. Régimen dependiente del tiempo (transiente) sin generación de calor: E
= S + A

. Régimen transiente con generación decalor: E + G = S + A

Cada una de estas cantidades son flujos de masa o energía por unidad de
tiempo.

E = entra, G = generado, S = sale, A: acumulado en el Vc (este término
aparece en los casos transientes)

En el caso de masa, se pueden escribir para la masa total, o bien para la
masa de una de las especies constituyentes de una mezcla, y G es la
generación (positiva o negativa) de esaespecie por reacción química.

En el caso de energía, G es a la energía liberada o absorbida por reacción,
o bien una fuente de calor impuesta.

Los términos de entrada y salida se expresan como flujos de entalpía.

En la tarea 1 vimos los balances más elementales:
. Flujos permanentes
. Sin generación de calor
. Intercambio de calor sensible y de calor latente
. Fluidos en contactoindirecto (pared intermedia)
. Con dos modo de intercambio (Transferencia de calor sensible por
convección, por un lado, y por condensación por el otro).

En los casos de calor sensible:

Q = W C (Te -Ts)=w c ( ts-te)

Primer ejemplo:

Sistema aire húmedo

En un apunte anterior vimos las ecuaciones del aire húmedo.

Enfriamiento del agua de servicio en instalaciones industriales.

Enplantas de proceso o de generación de energía se dispone de un servicio
de agua de enfriamiento, para ser usado en diferentes lugares de la planta.

Esta agua enfría fluidos de proceso en diferentes intercambiadores o
condensadores de la planta,

Sale de ellos con una temperatura que debe ser disminuida para que el agua
se pueda reintegrar al servicio de agua de enfriamiento.

Si latemperatura de salida de esta agua es alta, se puede aprovechar su
calor residual.

Pero si es baja (no mayor de 40ºC) no se puede recuperar calor de ella, y
se descarta.

El enfriamiento para volver a usar el agua se realiza en una torre de
enfriamiento.

La torre de enfriamiento es generalmente un cilindro vertical en el cual se
ponen en contacto el agua a enfriar y aire atmosférico, encontracorriente,
con el agua descendente.

El contacto entre ambos fluidos será más efectivo si se aprovecha todo el
volumen de la torre.

La torre puede ser de bafles o de relleno, siendo esta última la que mejor
aprovecha el volumen.

En el proceso el aire se humidifica. El agua pierde una pequeña fracción de
su caudal por evaporación hacia el aire. El calor necesario para evaporar
estaagua se extrae del agua no evaporada, que como resultado, se enfría al
nivel requerido.

Veamos los balances de masa y energía

1: Condiciones en el fondo (ingreso de aire atmosférico y salida de agua
enfriada)
2: Condiciones en el tope (salida aire humidificado y entrada del agua a
enfriar).

L = Caudal de agua, kg/s
Tl = temperatura del agua.
Gs = Caudal de aire seco, kg/s
A= áreade sección transversal de la torre, m2
HL = entalpías específicas de líquido.
H' = entalpías específicas de aire húmedo.

Balance de masa: Agua que entrega el líquido = agua adquirida por el aire:
L2 - L1 = Gs (Y2 -Y1) (1)

Se puede escribir este balance también en función de los caudales totales:

Balance de energía: L2 HL2 + Gs H1 = L1 HL1 + Gs H2 (2)

Por el alto calor latente del...