PRACTICA Nº2 - Biblioteca de la UNS

PRACTICA Nº2
TEMA
: ENSAYOS EN TORRES DE ENFRIAMIENTO
I
OBJETIVO :
1.1
OBJETIVOS GENERALES:
Aplicar los fundamentos de la psicrometria en un prototipo experimental de Torre de
Enfriamiento de Tiro Forzado.
1.2
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
 Realizar un Balance de Materia y Energia
en una Torre de enfriamiento,
determinabdo su performance.
 Hacer uso y leer correctamente los Diagramas Psicrometricos
 Reconocer las partes de una Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado.
 Investigar acerca de las aplicaciones industriales de las Torres de Enfriamiento en
nuestra localidad a traves de una visita técnica.
II
TIEMPO : 3 horas
III
FUNDAMENTO TEORICO :
Los sistemas de enfriamiento son de gran importancia para todo tipo de procesos, sobre
todo en el sector industrial, tal es así que se utilizan las torres de enfriamiento.
Una torre de enfriamiento, es un dispositivo cuya finalidad es extraer calor del agua a
través del contacto directo con el aire, teniendo múltiples aplicaciones. El proceso de
termotransferencia que se produce en una torre de enfriamiento de agua, cualquiera que
fuese su tipo, es el resultado de la interacción entre el medio gaseoso refrigerante (aire)
y el fluido a enfriar (agua). En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el
aire que la enfría y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por
intercambio de calor sensible entre la fase líquida y la fase gaseosa, pero en mayor
medida por la formación de vapor de agua en la interfase líquido-gas y su posterior
difusión en el aire que la circunda.
El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire, está íntimamente
relacionado con el de transferencia de calor. En efecto, con el cambio de fase desde
líquido a vapor se absorbe calor lo cual da lugar a gradientes de temperatura en el aire
adyacente a la superficie líquida. En muchos casos prácticos, las condiciones en que se
desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que la difusividad térmica y
el coeficiente de difusión másico son iguales, es decir el número de Lewis es igual a la
unidad.
CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento modernas se clasifican de acuerdo por los medios por los que
se les suministra aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar
gran superficie de contacto entre el aire y el agua.
Si el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte
superior de la torre, a esto se llama tiro inducido. Si el aire se fuerza por un ventilador
en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior, es un tiro forzado. Las torres
de circulación natural son de dos tipos: atmosféricas y de tiro natural.
TORRES DE TIRO MECANICO
Actualmente las torres de esta clase son las más comunes y de éstas la gran mayoría son
las torres de tiro inducido. La preferencia hacia las torres de tiro inducido han sido muy
pronunciada durante estos diez años, pero representa una transición lógica, puesto que
en su uso hay ventajas que exceden a todas las otras, excepto en condiciones muy
especiales.
En las torres de tiro inducido por otra parte, el aire puede entrar a lo largo de una o más
paredes de la torre y como resultado, la altura requerida de la torre para entrada de aire
es muy pequeña. En la torre de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad a través
de una gran abertura en la parte superior de la torre. En estas condiciones el aire posee
una cabeza de velocidad pequeña y tiende a sentarse en la trayectoria de entrada del
ventilador. Esto significa que la succión del aire fresco se contamina con aire
parcialmente saturado que ya ha pasado a través de la torre con anterioridad. Cuando
esto ocurre se conoce como recirculación y reduce la capacidad de trabajo de las torres
de enfriamiento. En las torres de tiro inducido el aire se descarga a través del ventilador
a alta velocidad, de manera que se proyecta hacia arriba (hacia las corrientes naturales
del aire) que evitan su asentamiento posterior. Sin embrago las torres de tiro inducido
presentan caída de presión en la toma del ventilador, lo que aumenta los requerimientos
totales de energía. La alta velocidad de descarga de las torres de tiro inducido causa
también algo más de arrastre o pérdidas de agua por gotas que son arrastradas por la
corriente de aire.
Fig.1. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro inducido
Fig.2. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro forzado
TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL
Son usadas mayormente en Europa y en el oriente. La torre atmosférica aprovecha las
corrientes atmosféricas de aire. El aire penetra a través de los rompevientos en una sola
dirección, cambiando con la estación del año y las condiciones atmosféricas. En lugares
expuestos que tienen vientos con velocidades promedio de 5 ó 6 millas por hora, la torre
atmosférica puede ser la más económica y donde los costos de energía pueden ser altos,
pueden ser preferibles a velocidades de aire tan bajas como 2 ½ a 3 mph. Puesto que las
corrientes atmosféricas penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy
angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad
igual.
Fig.3. Esquema de una torre de enfriamiento de circulación natural
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento utilizan calor latente de los líquidos para enfriarlos. El
proceso es fácilmente explicable de la siguiente manera:
Cuando un líquido a cierta temperatura TL, entra en contacto con un gas inerte a
temperatura TG, más baja que TL, la película de líquido que está en contacto directo con
el líquido se evapora. Para que este líquido pueda cambiar de fase, necesita obtener
energía de algún lugar disponible; la fuente más cercana es el seno del líquido, así que,
al tomar esa energía se produce una disminución de la temperatura de este fluido. Este
es el principal proceso de los enfriadores por evaporación tal como se muestra en la
figura Nº 4. La característica más importante para lograr un enfriamiento efectivo es el
área de contacto entre el gas y el líquido, siendo la forma más eficiente de hacerlo al
fraccionar el agua en la mayor cantidad de gotas posibles. Sin embargo se debe tener en
cuenta de no reducir exageradamente el tamaño porque entonces estas gotas pueden ser
acarreadas por la corriente de aire que atraviesa la torre con la siguiente pérdida de agua
del sistema. El agua que se pierde por evaporación dentro de una torre de enfriamiento
generalmente no llega al 3% del total.
Fig.4. Esquema de enfriamiento por evaporación
IV
DE
ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO BALANCE
CALOR.
El proceso que ocurre en el interior de la torre normalmente se le conoce como proceso
de transferencia de masa, y se basa en la siguiente ecuación:
(q- Lo) * C * T0 = G * (H2-H1)
.........
(1)
Donde :
q
L0
C
T0
G
H1
H2
:
:
:
:
:
:
:
Cantidad total de calor extraída del agua
Calor latente de evaporación del agua
Calor específico del agua
Temperatura de ingreso del agua
Cantidad de aire que circula por el interior de la torre
Entalpía del aire a la entrada de la torre de enfriamiento
Entalpía del aire a la salida de la torre de enfriamiento
La ecuación (1) se podría evaluar fácilmente sino fuera porque el valor de H 2 no se
puede calcular teóricamente. Esto se debe a que no se pueden predecir las condiciones
de salida del aire de la torre, lo que depende de la geometría de la empaquetadura y se
mide como el factor de transferencia de calor total Kxd .
Este factor depende de la superficie de contacto en el interior de la empaquetadura, es
decir, mientras mayor sea el área de contacto efectiva entre el aire y el agua, el K xd de la
torre será mayor.
DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Primero tenemos que conocer la cantidad de caudal total de agua que se desea enfriar,
desde una temperatura de entrada a la torre de enfriamiento T e hasta una temperatura de
salida del sistema Ts donde Ts < Te.
Normalmente de acuerdo a la experiencia de muchos fabricantes, las torres de
enfriamiento trabajan con cargas de aire que oscilan entre los 900 a 1800 lb/hft2, y con
cargas de agua entre 500 y 2000 lb/hft2. Entonces se puede empezar a definir los
parámetros de la torre de la siguiente manera:
-
Primero especificar una carga de agua para el diseño: esto se hace basándose en
factores como la capacidad de los rociadores.
-
Para estimar el área de la torre se divide la carga total de agua de la torre por hora
para la carga de agua de diseño.
-
Se puede definir una carga de aire fija como factor de diseño, recomendándose que
dicha carga sea como mínimo la mitad de la carga de agua para rangos de
enfriamiento de 10 ºC, aunque se pueden utilizar factores entre 0.5 y 1.5 que pueden
aumentar significativamente el costo del equipo.
-
Para la altura de la empaquetadura de la torre depende de su capacidad de
transferencia de calor, y esta solo se puede determinar experimentalmente.
Por otro lado la caída de presión dentro de la empaquetadura se puede medir utilizando
un manómetro diferencial, esta caída de presión determinará la presión estática mínima
que debe producir un ventilador para permitir que el aire pase a través de la
empaquetadura.
Las empaquetaduras pueden ser de diversos materiales y arreglos; generalmente son de
plástico o de madera incorruptible. Su función primordial es crear una película uniforme
para la transferencia de calor y mantener el agua el mayor tiempo posible dentro de la
torre.
Para calcular el factor de transferencia de calor total de la empaquetadura se utilizará la
siguiente expresión:
K = V / L =∫ (d T / ( H´- H )
.........
(2))
Donde :
V : Volumen de la empaquetadura
L : Caudal o gasto de agua a la entrada
H’ : Entalpía de saturación del aire
Cabe mencionar que la entalpía de saturación del aire no es la misma para el aire de
entrada que el de salida. Sin embargo conocemos que la ecuación (2) no se puede
resolver analíticamente por cuanto H’ como H son variables; se deben utilizar métodos
gráficos o numéricos.
Para calcular la altura de la torre una vez conocida el valor de K xd despejamos el valor
de las unidades de difusión nd, de la ecuación:
nd = Kxd * V/L
=∫ (d T / ( H´- H )......... (3)
y la altura Z de la torre será igual a:
Z = (nd * L) / Kxd
......... (4)
Para construir la torre de tamaño real basta solamente utilizar los parámetros de
empaquetadura anteriormente mostrados, es decir, el área de la torre no debe ser menor
que la calculada y la altura de su empaquetadura no debe ser inferior que el valor de Z.
CÁLCULO Y ESCALONAMIENTO DE LOS VENTILADORES
De acuerdo a lo calculado anteriormente el caudal de aire debe ser del orden de G, como
se tiene un área de transferencia A en ft2, entonces el gasto total de aire será:
G total = G * A
......... (5)
El valor de GTotal es una cantidad considerable como para pensar en un solo ventilador,
normalmente se recomienda utilizar más de un ventilador por razones de
mantenimiento; en caso de fallar uno, la torre eventualmente podría seguir operando con
menor capacidad.
DISEÑO Y SELECCIÓN DE VENTILADORES
Para el diseño y selección de ventiladores, se tiene dos opciones:
La primera es diseñarlos “desde cero”, utilizando la teoría de turbomáquinas, y la
segunda es utilizar un ventilador como modelo y luego escalarlo hasta las dimensiones
requeridas.
ESCALONAMIENTO DE VENTILADORES
Las fórmulas que permiten el escalonamiento de ventiladores por similitud dinámica
son las siguientes:
Q1
Q2

3
1 D1  2 D23
......... (6)
H1
H
 2 2 2
2
 D1  2 D2
......... (7)
2
1
P1
1  D
3
1
3
1
Donde:
Q : Caudal de aire

: Velocidad angular
D : Diámetro del rotor

P2
2 23 D23
......... (8)
P
: Potencia

: Densidad del aire
Se pueden utilizar estas fórmulas siempre y cuando el modelo y el prototipo sean
geométricamente (proporcionales), cinemáticamente y dinámicamente similares. Para
escalar los ventiladores del problema propuesto se toma como modelo un ventilador
centrífugo.
Utilizando las fórmulas (6), (7) y (8) se puede construir una torre de enfriamiento para
un determinado caudal de agua que pueda lograr un T del orden de los 10ºC. El
método de diseño es una mezcla entre el análisis teórico y el método práctico, que
muchas veces utiliza la prueba y error para llegar a conclusiones válidas.
V.
EQUIPOS Y MATERIALES:
01 Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado
01 Ventilador con motor electrico de 12V.
01 Transformador de 220 v/12v cc/ca.
02 Termistores, uno para TBH y otra para TBS. Para el aire.
02 Termistores para temperatura de agua caliente y agua fria.
01 Diagrama Psicrométrico.
01 Linea de agua caliente (incluye generación y ductos de agua caliente a enfriar)
01 Bandeja o Sistema de Recepciomn de agua enfriada.
VII
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y DATOS POR CONSIGNAR :
1. Preparar la generación de agua caliente a enfriar para esto hacer uso de una fuente de
calor de generación de agua caliente a traves del calcdero pirotubular o una cocinilla
electrica del Laboratorio de Termofluidos de la Escuela.
2. Preparar correctamente el equipo ,verificando que la torre de enfriamiento , tenga sus
deflectores , ductos , rociadores y eliminadores de acarreo seencuentren en buen estado
.
3. Verifucar el funcionamiento del ventilador de tiro forzado , encendiéndolo , dejar
operando unos 3 minutos antes del ingreso de agua caliente.
4. Ingresar agua caliente a traves de loas rociadores , dejando que el proceso de adicion
de vapor al aire humedo tenga un regimen permanente ,por lo menos unos 5 minutos
5. Como observaremos el aire es absorbido(inducido ) por el ventilador hacia arriba , parte
del agua se va con el aire humedo . Asi tenemos el siguiente esquema:
VENTILADOR
AIRE
Ma
, X2 , t2
AIRE ATMOSFÉRICO
Ma , X1 , t1
Mw1 ,
Mw2 ,
tw2
El Balance de materia para el agua sera :
Mw1 + ( Ma * X1 ) = Mw2 + ( Ma * X2 )
El Balance de Energia para el volumen de control
(Mw1 * hw1 ) + ( Ma * h1 ) = ( Mw2 * hw2 ) + ( Ma * h2 )
tw1
Luego tenemos que :
Mw2 = Mw1 + ( Ma * X1 ) - ( Ma * X2 )
Mw2 = Mw1 + Ma * ( X1 - X2 )
............( &)
Reemplazando (&) en la ecuación de Balance de Energia para el volumen de Control
(Mw1 * hw1 ) + ( Ma * h1 ) = ( Ma * h2 ) +
[ Mw1 + Ma * ( X1 - X2 )]* hw2
Reduciendo convenientemente :
Ma = [Mw1 *( hw2 - hw1 ] / [ (h1 - h2 ) - (X1 - X2 )* hw2 ] ............( *.* )
6. Seguidamente debemos determinar los valores de los parámetros leidos , asi tenemos :
Mw1 = Masa de agua entrante.
tw1 = Temperatura de ingreso del agua a la Torre.
t w2 = Temperatura de salida del agua de la Torre.
Ta1BS = Temperatura de ingreso del aire(Bulbo seco)
Ta1BH = Temperatura de ingreso del aire(Bulbo humedo)
Ta2BS = Temperatura de salida del aire(Bulbo seco)
Ta2BH = Temperatura de salida del aire(Bulbo humedo)
P= presión atmosferica =101.4 KP
φ1= Humedad relativa de ingreso del aire
φ2= Humedad relativa de salida del aire
Para lo cual debera tomar la lectura promedio de 3 valores para obtener un valor
característico , los valores deberan ser presentados en la Tabla N° 1
TABLA N° 1 Valores Medidos en la Torre de enfriamiento
Parametro
Mw1
tw1
tw2
Ta1BS
Ta1BH
Lectura 1
Lectura 2
Lectura 3
PROMEDIO
Ta2BS
Ta2BH
φ1
φ2
VIII
CUESTIONARIO :
1. Se debera realizar la Practica tomando tres temperaturas distintas de temperatura de
ingreso de agua , para lo cual los grupos deberan realizar la toma de datos correctos
previa coordinación con el Profesor de Practica. , se pueden trabajar con
temperaturas de ingreso de agua de 40°C , 50°C y 60°C . Luego cada grupo debera
tener por lo menos un conjunto de tres grupos de medidas para poder realizar la
graficación del comportamiento de la torre de enfriamiento del Laboratorio de
Termofluidos.
2. Determinar los valores de X1 y X2 humedades absolutas en funcion a Ps (Presiones
de saturación
en los
estados 1 y 2 ) o tambien haciendo uso de la carta
psicrometrica.
3. Hallar los valores teóricos de : hw2 , hw1 , h1 , h2..
4. Calcular el valor de la masa de aire aplicando la formula ( *.* ) Ma
5. Determinar teóricamente el flujo de aire seco
6. Determinar teóricamente el valor de la masa de agua que se evapora .
7. Describir que es un proceso de deshumidificacion y humidificacion.Detallarlo
haciendo uso de la carta psicrometrica.
8. Describir las características , diferencias y aplicaciones industriales de las Torres de
Enfriamiento de Tiro forzado y Tiro inducido.
9. Graficar
Masa de agua caliente vs  Temperatura ( inicial y final del agua )
Masa de aire vs  Temperatura ( inicial y final del agua )
Masa de agua evaporada vs  Temperatura ( inicial y final del agua )
10. Graficar
Masa de agua caliente vs  TBS -TBH
Masa de aire vs  TBS - TBH
Masa de agua evaporada vs  TBS - TBH
11. Graficar
Masa de agua caliente vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2
Masa de aire vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2
Masa de agua evaporada vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2
12. Interpretar Racionalmente Graficos de los items 9 , 10 ,. 11.
IX
BIBLIOGRAFÍA :
-
PUCP.Laboratorio de Termodinámica.
-
Robert Guevara.Apuntes del Curso de Laboratorio de Energia I.
-
Calderon Torres .Apuntes del Curso Termodinámica II
-
Daniel Herencia : Refrigeración y Aire acondicionado
-
Donald Kern. Transferencia de Calor.
-
Silva Victor , Melgarejo ,Lau Pineda , Vergaray , Cano . Informe : Diseño de una
Torre de Enfriamiento.2003.