universidad nacional de cordoba - Facultad de Ciencias Exactas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
- Departamento de Aeronáutica -
Publicación de la revista del Colegio de Ingenieros
Especialistas de Córdoba.
- Edición N° 26 -
“Evaluación experimental de torres para enfriamiento de agua”
Ing. José Alberto Sirena.
Marzo de 2000.
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Torres para enfriamiento de agua.
1. Desarrollo.
Las torres para enfriamiento de agua son equipos cuya finalidad es extraer calor del agua
del sistema de enfriamiento mediante el contacto directo con un flujo de aire. Estas torres tienen
múltiples aplicaciones, desde su uso en pequeñas instalaciones de aire acondicionado de uso
doméstico, en refrigeración de instalaciones industriales, hasta en grandes complejos de generación
de energía eléctrica; su utilización esta justificada en sistemas que usan agua como medio refrigerante y en los cuales se requiera disipar con bajo costo, grandes cantidades de calor con saltos
térmicos del orden de 10°C .
El correcto funcionamiento de las torres es un punto sumamente importante y tiene una
gran trascendencia dentro de los procesos que las utilizan, puesto que si opera inapropiadamente se
generan problemas de diversa naturaleza; por ejemplo: aumento del costo de operación,
disminución de la eficiencia en los sistemas de apoyo, pérdidas de rendimientos en los procesos
productivos, rechazos de piezas, etc.
Cuando se instala una torre de enfriamiento o se modifica la carga térmica en el sistema
que la utiliza, se puede presentar el inconveniente de no lograrse la diferencia de temperatura
requerida entre la temperatura del agua caliente (Thw) o de ingreso y la temperatura de agua fría
(Tcw) o de salida, denominándose esta diferencia salto térmico, o bien no se alcanza la aproximación
deseada, siendo esta la diferencia entre Tcw y la temperatura de bulbo húmedo del aire (Twb), lo cual
plantea el siguiente interrogante (Ref. 3):
- El enfriamiento es insuficiente?
o
- El enfriamiento es ineficiente?
Aunque parezca un juego de palabras la diferencia entre ambas situaciones y las soluciones
posibles es conceptualmente diferente. El problema de enfriamiento ineficiente, deriva del
funcionamiento de la torre fuera de sus prestaciones de diseño, probablemente inducido por:
obstrucciones en la torre, suciedades en el relleno, etc.; mientras que el de enfriamiento insuficiente
obedece a un problema en la elección del sistema de refrigeración adecuado, ya sea por errores en la
estimación de las cargas térmicas o bien en la selección de la torre de enfriamiento.
La respuesta al interrogante mencionado en el punto anterior se puede obtener mediante
ensayos para evaluar la carga térmica de la instalación; si esta es la prevista resultará necesario
determinar las performances térmicas de la torre para conocer si su funcionamiento es eficiente o si
fue correcta la selección de la misma.
La evaluación experimental de una torre de enfriamiento permite saber si satisface las
condiciones de diseño y/o conocer las performances térmicas de las mismas. Para el Cooling Tower
Institute (CTI), Ref. 2, la eficiencia o capacidad de una torre se define por la relación:
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Torres para enfriamiento de agua.
ηCTI = (W L / W g )red.*100 / ( W L / W g )ens.
donde:
(WL/Wg)ens.: Relación del caudal másico del agua al caudal másico del aire durante el ensayo de la
torre.
(WL/Wg)red.: Relación del caudal másico del agua al caudal másico del aire del ensayo, reducida a
las condiciones de diseño de la torre: Salto térmico, Aproximación y Twb.
Generalmente los ensayos se realizan fuera de la condiciones de diseño de la torre, es decir
que la temperatura de bulbo húmedo y la presión atmosférica (Patm) del aire ambiente no
corresponden a los valores especificados, por lo que se hace necesario reducir los resultados de la
evaluación a las condiciones de diseño.
(WL/Wg)red. se obtiene a partir de los resultados del ensayo y de la curva de equilibrio para
el acercamiento, salto térmico y temperatura de bulbo húmedo de diseño de la torre. A partir del
punto definido por la relación (WL/Wg)ens. y el número de unidades de difusión (KaV/L) obtenidos
experimentalmente se traza una curva paralela a la curva de funcionamiento o de diseño de la torre,
el punto donde esta última curva intercepta la curva de equilibrio para las condiciones de diseño
(Ref. 1.) nos da la relación (WL/Wg)red., que significa reducida a las condiciones de diseñó (Fig. 1.).
1
K.a.v/wL
Diseño
Curva de diseño
Ensayo
0,1
0,1
1
[w
L
wg ]red [wL wg ]ens
Fig. 1. Resultados de ensayos de torres de enfriamiento.
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10
w L /w g
Torres para enfriamiento de agua.
La eficiencia o capacidad definida por el CTI indica el porcentaje de caudal de agua,
respecto al de diseño, que la torre puede enfriar satisfaciendo los requerimientos operativos previstos, es decir salto térmico y temperatura de agua fría para una dada temperatura de bulbo húmedo
del aire.
Cuando la curva de funcionamiento de la torre en estudio no es conocida es necesario
realizar varios ensayos, a diferentes caudales de agua, para obtener un conjunto de pares de valores
de la relación de caudales másicos agua/aire y las correspondientes unidades de difusión lo cual
permitirá trazar dicha curva. En la Fig. 2 se muestran los puntos obtenidos en una serie de ensayos
realizados en una torre y su curva de funcionamiento.
1
Curva de
funcionamiento
Ensayo
K.a.v/wL
Ensayo
Ensayo
0,1
0,1
1
10
wL/wg
Fig. 2. Curva de funcionamiento de una torre de enfriamiento.
La información suministrada a través de las curvas mostradas precedentemente no siempre
es de aplicación rápida. Puede resultar conveniente representar la temperatura de salida del agua
(TCW) en función de la temperatura de bulbo húmedo del aire que ingresa a la torre, tomando como
parámetros la relación de caudales másicos WL/Wg y el salto térmico del agua. La representación en
estos términos de la performance térmica de una torre de enfriamiento de agua se puede ver el la
Fig. 3, la cual ha sido tomada de Ref. 4.
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Torres para enfriamiento de agua.
35
Delta T = 9ºC
Tcw [ ºC ]
30
Delta T = 6ºC
25
Delta T = 3ºC
20
-------- -- --
wL/wg =1.2
wL/wg = 1.4
15
4
9
14
19
24
Twb [ ºC ]
Fig. 3. Curvas características de una torre de enfriamiento.
2. Conclusiones
La evaluación experimental de las performances térmicas de una torre de enfriamiento de
agua es el único procedimiento válido para determinar las condiciones de funcionamiento de las
mismas. Se recomienda su uso para la recepción de nuevas instalaciones, el diagnóstico de equipos
en uso y la certificación de nuevos productos.
3. Referencias.
1.
"Torres de enfriamiento de agua - Evaluación de performances térmicas"; Ferrara, N.H.;
Revista Mediterránea - Ingeniería & Tecnología. Nro. 20, Marzo de 1996. Córdoba.
2.
"Acceptance Test Code for Water-Cooling Tower", por Cooling Tower Institute,
CTI Code ATC-105; February 1990.
"Ensayos de torres para enfriamiento de agua de tiro mecánico"; Olmos, D.E.;
Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Diciembre
1995.
3.
4.
"Evaluación de una de torre de enfriamiento de agua que funciona en una central
térmica de generación de corriente eléctrica"; Antunez, E.F. e Isa, B.; Univ. Nac. de
Córdoba - Escuela de Ing. Mecánica Aeronáutica, Febrero 1996.
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Torres para enfriamiento de agua.
5.
"Evaluación experimental de las performances térmicas de una de torre de enfriamiento de agua"; Pavon, H.D.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ing. Mecánica
Aeronáutica, Abril 1996.
___________
Nota: Este trabajo se realizó en el marco del Proyecto "Torres de enfriamiento de Tiro Forzado", aprobado por la
Secretaría de Ciencia y Tecnología (SeCyT) de la Univ. Nac. de Córdoba y el Consejo de Investigación Científica de
Córdoba (CONICOR).
* Univ. Nac. de Córdoba, Facultad de Ciencias Exactas Fís. y Nat., Departamento de Aeronáutica, Ciudad
Universitaria, Pabellón Ingeniería.
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