torre de enfriamiento

7/17/2019 Torre de Enfriamiento

http://slidepdf.com/reader/full/torre-de-enfriamiento-568bfec0d192b 1/13

TORRE DE ENFRIAMIENTO

2014

Lindys Fonseca

Helman Llanos

Juan Osorio

Yuranis Salas




2

RESUMEN

El presente informe tiene la finalidad de dar a conocer los resultados de la

experimentación realizada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de Ingeniería(CELTI) de la Universidad del Atlántico donde se realizó la práctica de Torre de

enfriamiento, durante la cual se trabajó con una torre de enfriamiento de tiro forzado.

Durante la experiencia se obtuvo la temperatura de entrada y salida del agua además

de las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco del aire en las condiciones iniciales

(entrada) y en las condiciones finales (salida). Se logró obtener el rango de

temperaturas con el cual trabaja la torre; el calor removido del agua caliente que entra

a la misma; el flujo del aire a parir del calor removido del agua, la capacidad calorífica

del aire y la diferencia de temperaturas de bulbo seco. Finalmente se pudo calcular el

flujo másico de agua evaporada, es decir, la cantidad de agua que debe restituirsedespués en el ciclo para mantener las condiciones estacionarias.

MARCO TEÓRICO

Los procesos de enfriamiento de agua se cuentan entre los más antiguos que haya

desarrollado el hombre. Por lo común, el agua se enfría exponiendo su superficie al

aire. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la

superficie de un estanque, otros son comparativamente rápidos, por ejemplo, el

rociado de agua hacia el aire. Todos estos procesos implican la exposición de la

superficie del agua al aire en diferentes grados.

Las centrales eléctricas, los grandes sistemas de acondicionamiento de aire y algunas

industrias generan grandes cantidades de calor de desecho que con frecuencia se

arroja hacia el agua de enfriamiento que se toma y se regresa de lagos o ríos cercanos.

Sin embargo en algunos casos el suministro de agua es limitado o la contaminación

térmica alcanza grandes niveles. En tales casos, el calor de desecho debe rechazarse

hacia la atmósfera, con el agua de enfriamiento

recirculando y sirviendo como medio de transporte

para la transferencia de calor entre la fuente y el

sumidero (la atmósfera). Una manera de lograr esto es

por medio del uso de torres de enfriamiento húmedo.

Una torre de enfriamiento húmedo es básicamente un

enfriador evaporativo semicerrado. En la Figura (1) se

muestra de manera esquemática una torre de

enfriamiento húmedo a contraflujo de tiro inducido.

El aire entra a la torre por el fondo y sale por la partesuperior. El agua caliente del condensador se

Figura 1. Torre de enfriamiento de tiro

inducido.




3

bombea hacia la parte superior de la torre y se rocía en este flujo de aire. El propósito

del rociado es exponer una gran área superficial de agua al aire. Cuando las gotas de

agua caen bajo la influencia de la gravedad, una pequeña fracción del agua (por lo

común un pequeño porcentaje) se evapora y enfría el agua restante. La temperatura y

el contenido de humedad del aire aumentan durante este proceso. El agua enfriada seacumula en el fondo de la torre y se bombea de nuevo al condensador para absorber

calor de desecho adicional. El agua de reposición debe añadirse al ciclo para sustituir el

agua perdida por la evaporación y por el arrastre de agua. Para reducir la cantidad de

agua transportada por el aire, se instalan mamparas deflectoras en las torres de

enfriamiento húmedo encima de la sección de rociado. (Cengel, pág. 757)

También encontramos las torres de enfriamiento de tipo forzado, Figura (2), en la que

los ventiladores toman el aire del ambiente y lo impulsan a través de rellenos; es más

eficiente que la de tiro inducido debido a que el ventilador mueve aire frio.

Las torres de tipo natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica,

Figura (3). En ellas el agua caliente proveniente del proceso se pone en contacto con el

aire, provocando su calentamiento y su ascenso como consecuencia de la disminución

de su densidad. El aire ascendente provoca una depresión en la parte inferior de la

torre generándose la posibilidad de la admisión de aire fresco. Estos equipos presentan

bajos costos de mantenimiento y de operación debido a que no tienen consumo

eléctrico, se emplean para manejar grandes capacidades de enfriamiento y requiere

bajas temperaturas de aire a la entrada. Son comúnmente utilizadas en centrales

eléctricas o industrias de gran tamaño.

El proceso de transferencia de calor comprende 1) la transferencia de calor latente

debido a la evaporación de una porción pequeña de agua y 2) la transferencia de calorsensible debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el aire.

Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro

orzado. Figura 3. Torre de enfriamiento de

ti o natural.




4

Aproximadamente el 80% de dicha transferencia de calor se debe al latente y el 20% al

sensible.

La eliminación teórica de calor posible por libra de aire circulado en una torre de

enfriamiento depende de la temperatura y el contenido de humedad del aire. La

temperatura del bulbo húmedo es un indicador del contenido de humedad del aire.

Por lo tanto, desde un punto de vista ideal, ésta es la temperatura más baja a la que se

puede enfriar el agua. Prácticamente, la temperatura del agua se acerca, pero no llega

a ser equivalente a la de bulbo húmedo del aire en una torre de enfriamiento, y esto se

debe a que es imposible establecer un contacto de toda el agua con el aire fresco

conforme ésta desciende por la superficie mojada de llenado hasta el estanque. La

magnitud del acercamiento de la temperatura de bulbo húmedo depende del diseño

de la torre. Entre otros factores están el tiempo de contacto entre aire y agua, la

cantidad de superficie de llenado y la separación de agua en gotitas. En la práctica, las

torres de enfriamiento rara vez se diseñan para acercamientos menores de 5 °F.

Es probable que el método más comúnmente usado para determinar la humedad de

una corriente de gas sea la medición de las temperaturas de bulbo húmedo y seco. La

primera de ellas se mide a través del contacto del aire con un termómetro cuyo bulbo

o ampolla está cubierto por una mecha saturada de agua. Si el proceso es adiabático,

el bulbo del termómetro alcanza la temperatura del bulbo húmedo o mojado. Cuando

se conocen las temperaturas de bulbo húmedo y seco, la humedad se obtiene sin

mayores problemas con la ayuda de la carta psicométrica. Para recabar datos seguros,

se debe tener sumo cuidado a fin de tener la seguridad de que el termómetro de bulbo

húmedo se mantenga mojado.

La teoría del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento que ha

merecido una aceptación más generalizada es la que se basa en la diferencia del

potencial de entalpía como fuerza impulsadora.

Se supone que cada partícula de agua está rodeada por una película de aire y que la

diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante provee la fuerza

impulsadora para el proceso de enfriamiento. La ecuación de “Merkel” expresa enforma integrada la influencia que ejerce la diferencia del potencial de entalpía con el

proceso de transferencia de calor en la torre de enfriamiento:

∫

En donde coeficiente de transferencia de masa en lb de agua / (h) (pie2); área

de contacto en pie

2

/ pie

3

de volumen de torre; volumen de enfriamiento activoen pie

3 / pie

2 de área plana; velocidad del agua en lb / (h) (pie

2); entalpía del




5

aire saturado a la temperatura del agua en Btu / lb; entalpía de la corriente de aire

en Btu / lb; temperaturas del agua en la entrada y la salida en °F. El lado

derecho de la Ecuación (1) se expresa por completo en términos de las propiedades del

aire y el agua y es independiente de las dimensiones de la torre.

En la Figura (4) se ilustran las relaciones del agua y el aire y el potencial impulsor que

existe en una torre de contraflujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero

siguiendo una dirección opuesta al flujo de agua. La comprensión del diagrama

constituye una base importante para entender el proceso de la torre de enfriamiento.

La línea de operación del agua está representada por la línea AB y se especifica por

medio de las temperaturas de agua de la torre en la entrada y salida. La línea de

operación del aire principia en C, verticalmente por debajo de B, y en un punto que

tiene una entalpía correspondiente a la del bulbo húmedo de entrada. La línea BC

representa la fuerza impulsora inicial Para enfriar el agua 1 °F, la entalpía por

libra de aire aumenta 1 Btu multiplicada por la razón de libras de agua por libra de aire.

La razón líquido/gas (L/G) es la pendiente de la línea de operación. El aire que sale de

la torre se representa por medio del punto D y la gama de enfriamiento es la longitud

proyectada de la línea CD sobre la escala de temperatura. La diferencia útil de

temperaturas en la torre de enfriamiento se ilustra en la Figura (4) como la diferencia

entre la temperatura del agua fría que sale de la torre y la del bulbo húmedo.

Figura 4. Balance calorífico de un proceso de torre de

enfriamiento.




6

Las coordenadas se refieren directamente a la temperatura y la entalpía de cualquier

punto en la línea de operación del agua; pero, en la línea de operación del aire, la

referencia se hace tan sólo a la entalpía de un punto. La temperatura de bulbo

húmedo correspondiente a cualquier punto de CD se encuentra proyectando dicho

punto en sentido horizontal a la curva de saturación y luego en sentido vertical a lacoordenada de temperaturas. La integral, Ecuación (1), se representa por medio del

área ABCD del diagrama, y dicho valor se conoce como la característica de torre, que

varía con la razón L/G.

Para predecir el rendimiento de la torre, es necesario conocer las características de la

torre requeridas para condiciones específicas, tanto del ambiente como del agua.

(Perry, págs. 12,2 - 12,22)

La característica de torre

se determina mediante una integración. El método de

Tchebycheff para evaluar numéricamente la integral es el que se usa con mayor

frecuencia y, según éste:

∫

En donde:

Entalpía de la mezcla de aire-vapor de agua a la temperatura general del agua

en Btu/lb de aire seco.

Entalpía de la mezcla de aire-vapor de agua a la temperatura de bulbo húmedo

en Btu/lb de aire seco.

Valor de a

Valor de a

Valor de a

Valor de a




7

FASE EXPERIMENTAL

La práctica se realizó en una torre de enfriamiento por convección forzada, la cual

consta de un ventilador de flujo axial en la base de la torre. En primer lugar, se anotó elflujo de entrada de agua caliente, impulsado por una bomba centrífuga, el cual se varió

seis veces durante el transcurso de la experiencia. Para cada variación en el flujo de

agua, se registraron los datos de las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del

aire en la entrada, es decir, por el ventilador y en la salida en la parte superior de la

torre. A demás se obtuvo la temperatura del agua de entrada y salida de la torre. Se

debe tener en cuenta que tanto el proceso como los niveles del depósito deben

mantenerse estables para así poder iniciar con las mediciones correspondientes.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Durante la experimentación realizada, se obtuvo la temperatura del agua caliente que

entraba a la torre y la del agua que salía de la misma. Además la temperatura de bulbo

húmedo y bulbo seco para el aire que entraba y el que salía de la torre. Los valores de

temperaturas obtenidos para el aire y el agua por cada una de las seis variaciones del

flujo volumétrico de agua caliente se indican en la Tabla (1) y (2) respectivamente.

AIRE

Q Agua Caliente Temperatura de Entrada (°C) Temperatura de Salida (°C)

gal/min m^3/s BULBOSECO

BULBOHÚMEDO

BULBOSECO

BULBO HÚMEDO

7 0,0004416 26,5 25,5 27 26,5

8,5 0,0005362 27 25,5 27,5 26,5

10 0,0006308 27,5 26 28 26,5

11 0,0006939 26,7 25,5 28 27,5

12 0,0007570 27 26 28 27

14 0,0008832 26,5 25,5 27,5 27

Tabla 1. Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo en la entrada y salida del




8

A partir de los datos de la temperatura de entrada y la temperatura de salida del agua,

procedemos a calcular el rango de temperaturas en el cual la torre de enfriamiento

opera, Tabla (3). El rango de temperatura es la diferencia entre la temperatura de

entrada del agua y la temperatura de salida de ésta.

Ahora bien, para poder calcular el calor removido del agua, resulta necesario conocer

el flujo másico de agua caliente que está entrando a la torre. Conocemos el flujo

volumétrico, el cual se obtuvo por medio de la lectura del rotámetro ubicado en la

zona de entrada del agua caliente. La Tabla (4) indica los flujos másicos obtenidos al

multiplicar el flujo volumétrico por la densidad del agua a la temperatura de entrada

de la misma.

La ecuación que nos permite calcular el flujo másico es:

(2)

AGUA

Q Agua Caliente Temperatura

de Entrada

Temperatura

de Salidagal/min m^3/s °C °C

7 0,0004416 35,55 30

8,5 0,0005362 37,22 30,5

10 0,0006308 33,33 29

11 0,0006939 36,66 31

12 0,0007570 35,55 30

14 0,0008832 35,55 30,5

AGUA

Q Agua Caliente Temperatura deEntrada

Temperatura deSalida

Rango

gal/min m^3/s °C °C °C

7 0,0004416 35,55 30 5,55

8,5 0,0005362 37,22 30,5 6,72

10 0,0006308 33,33 29 4,33

11 0,0006939 36,66 31 5,66

12 0,0007570 35,55 30 5,55

14 0,0008832 35,55 30,5 5,05

Tabla 2. Temperatura de entrada y salida del agua.

Tabla 3. Rango de temperatura de la torre de enfriamiento.




9

Temperatura deEntrada

Densidad Flujovolumétrico

Flujo másico

°C kg/m^3 m^3/s kg/s

35,55 993,202 0,0004416 0,438598

37,22 992,601 0,0005362 0,532233

33,33 994,002 0,0006308 0,627016

36,66 992,803 0,0006939 0,688906

35,55 993,202 0,0007570 0,751854

35,55 993,202 0,0008832 0,877196

Ahora, procedemos a realizar un balance de energía para obtener el calor removido

del agua, donde el calor recibido por el aire va a ser igual al calor removido por el agua.

Por lo tanto:

Consideramos

constante y cuyo valor es 4.184 kJ/kg*k según la

literatura.

La Tabla (5) indica el calor removido del agua para cada una de las variaciones del flujo

volumétrico del agua caliente en la entrada de la torre de enfriamiento.

Flujo másico Cp promedioagua

Rango Q removidoAgua

kg/s kJ/kg*K K KW

0,438598 4,184 278,55 511,16544

0,532233 4,184 279,72 622,89808

0,627016 4,184 277,33 727,55721

0,688906 4,184 278,66 803,20476

0,751854 4,184 278,55 876,25065

0,877196 4,184 278,05 1020,49579

A partir de la ecuación (3) se puede calcular el flujo másico de aire, teniendo en cuenta

que:

Tabla 4. Flujo másico de agua que entra a la torre de

enfriamiento.

Tabla 5. Calor removido del agua en kw.




10

Y tomando el como 1,005 KJ/ (Kg * K) para encontrar el flujo másico de

aire como se muestra en la Tabla (6).

Q removido Agua Cp promedioaire

Rango Flujo másico

KW kJ/kg*K K Kg/s

511,16544 1,005 273,5 1,85967945

622,89808 1,005 273,5 2,26617581

727,55721 1,005 273,5 2,64693792

803,20476 1,005 274,3 2,91363003

876,25065 1,005 274 3,18208465

1020,49579 1,005 274 3,70590765

A partir de lo anterior, es posible calcular el flujo másico de agua de reposición

requerido, por eso es necesario realizar un balance de materia de aire y de agua.

Debemos suponer condiciones estacionarias de operación y, por lo tanto, el flujo

másico de aire permanece constante durante todo el proceso; el aire y el vapor de

agua se consideran como gases ideales; los cambios en la energía cinética y potencial

son insignificantes y finalmente suponemos que la torre de enfriamiento es adiabática.

Consideramos la torre de enfriamiento como el sistema, el flujo másico del agua

líquida disminuye en una cantidad igual a la cantidad de agua que se evapora en la

torre durante el proceso de enfriamiento. El agua que se pierde por evaporación debe

restituirse después en el ciclo para mantener la operación estacionaria.

Los balances a realizar son los siguientes:

Tabla 6. Flujo másico de aire en kg/s.




11

Donde:

=

=

Además,

La Tabla (7) relaciona el flujo másico de aire con el contenido de humedad del mismo a

la entrada y salida de la torre. Resulta importante resaltar que los datos

representativos del contenido de humedad se obtienen del diagrama psicométrico -

Unidades SI- a partir de las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire tanto

a la entrada como a la salida de la torre de enfriamiento.

Flujomásico de

aire

Humedad aireentrada

Humedad aire salida ω Salida - ω

EntradaFlujo másico

Kg/s ω Entrada (kg H2O/kg

Aire)ω Salida (kg H2O/kg

Aire)(kg H2O/kg Aire) Agua evaporada

(kg/s)

1,85967945 0,0203 0,02175 0,00145 0,002697

2,26617581 0,0205 0,022 0,0015 0,003399

2,64693792 0,02075 0,0215 0,00075 0,001985

2,91363003 0,02025 0,0233 0,00305 0,008887

3,18208465 0,02105 0,0227 0,00165 0,005250

3,70590765 0,0203 0,02175 0,00145 0,005374

Finalmente, construimos el gráfico de calor removido contra el rango de temperaturas

de la torre de enfriamiento.

Tabla 7. Flujo másico de agua evaporada en kg/s.




12

Sabemos que si la torre de enfriamiento operara en condiciones estacionarias, la

gráfica obtenida sería una línea recta vertical, pero a partir de los datos de la

experiencia realizada, no logramos obtener la gráfica deseada debido a que los rangos

de temperatura de operación de la torre variaban ya que la temperatura del agua

caliente que entraba a la torre varió durante los 6 ensayos que se realizaron en la

experiencia, lo cual posiblemente se debe a que el agua caliente provenía del

intercambiador de calor que se emplea en otra experiencia y por ende las propiedades

del agua dependen de dicho sistema, además, durante unas corridas el

funcionamiento de la torre era deficiente ya que no enfriaba el agua en igual grado.

El principal error en la toma de mediciones fue que estas fueron tomadas en un orden

erróneo es decir, se tomó para un caudal 11 gal/s y luego 7 gal/s y así sucesivamente

hasta completar las 6 corridas, dando así variación en el agua evaporada debido a que

la temperatura del agua caliente no era constante no se presentó un comportamiento

creciente.

CONCLUSIONES

Una vez finalizada la experiencia, podemos establecer que logramos obtener el rango

de temperatura con el cual trabaja la torre, el cual debería ser muy parecido en las 6

corridas realizadas lo cual no fue así ya que las condiciones del agua que entraban

variaban y además la torre enfriaba en ciertas corridas más el agua que en otras .

400

500

600

700

800

900

1000

1100

3 4 5 6 7 8

C a l o r r e m o v i d o ( K W

)

Rango (C)

Calor removido Vs Rango

Grafico 1. Calor removido del agua Vs Rango de

temperatura.




13

Durante la experiencia trabajamos con una torre de enfriamiento de tiro forzado en la

que el ventilador se monta en la base de la torre y hace entrar el aire en la base de la

misma, podemos concluir que este hecho hace que se descargue el aire con baja

velocidad por la parte superior. Este tipo de torres tiene la ventaja de ubicar el

ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, sitio muy conveniente para lainspección, el mantenimiento y la reparación de los mismos. Logramos observar que

puesto que el equipo queda fuera de la parte superior caliente y húmeda de la torre, el

ventilador no está sometido a condiciones corrosivas; sin embargo logramos observar

que dada la escasa velocidad del aire de salida, la torre de tiro forzado está sujeta a

recirculación excesiva de vapores húmedos de salida que retornan a las entradas de

aire. Puesto que la temperatura de bulbo húmedo del aire de salida debe ser mucho

mayor que la del aire circundante, existe una reducción en el buen desempeño, lo cual

se evidenció mediante un incremento en la temperatura de agua fría (saliente).

RECOMENDACIONES

A partir de los resultados poco satisfactorios que obtuvimos durante la realización de

la experiencia, podemos establecer que la ubicación que presenta la torre de

enfriamiento de tiro forzado en el CELTI no es la ideal debido a que el aire que toma la

misma a la entrada de la torre, resulta siento el mismo que sale que sale de ella, lo de

que una u otra forma genera que la eficiencia de la torre disminuya ya que de por sí el

aire entra a mayor temperatura convirtiéndose el proceso en un ciclo cerrado quegenera que no se obtenga el enfriamiento del agua deseado.

Por lo anterior recomendamos que la ubicación de la torre se reconsiderada de

manera que el aire que entre o con el cual trabaje la torre sea tomado del aire exterior

y no del interior del laboratorio.

Además a la hora de trabajar con este equipo es de vital importancia tener en cuenta

la variación de la temperatura del agua caliente ya que aumenta a medida que se

utilizan los otros equipos del laboratorio (CELTI).

BIBLIOGRAFIAS

Cengel, Y. A. (2011). TERMODINÁMICA. Ciudad de México: McGrawHill.

Perry, R. H. (1991). Biblioteca del Ingeniero Químico. Ciudad de México: McGraw-Hill.

torre de enfriamiento

Documents