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Laboratorio de transferencia de calor I
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7/17/2019 Torre de Enfriamiento
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TORRE DE ENFRIAMIENTO
2014
Lindys Fonseca
Helman Llanos
Juan Osorio
Yuranis Salas
7/17/2019 Torre de Enfriamiento
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TORRE DE ENFRIAMIENTO
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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