Laboratorio N_ 04 Practica en Una Torre de Enfriamiento (Autoguardado)

AO DE LA PROMOCIN DE LA INDUSTRIA

RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMTICO

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

E.A.P.ING. MECNICA

LABORATORIO N 04: PRCTICA EN UNA TORRE

DE ENFRIAMIENTO ALUMNO:

Csar Antonio Ch Acevedo

Henry Muoz Guayambal

Cristian Valderrama Acosta.

Fernando Rodrguez Tarazona

CICLO: Ciclo 2014-0

CURSO: LABORATORIO DE MQUINAS TRMICAS

E HIDRULICA

DOCENTE: Serapio Qulloz Ruz.

Nuevo Chimbote; Marzo de 2014

Universidad Nacional del Santa

Practica en una Torre de Enfriamiento laboratorio de mquinas trmicas e hidrulicas

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LABORATORIO N 04:

PRACTICA EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO

I. OBJETIVOS:

a) GENERALES:

Realizar un balance de Materia y Energa en un propsito experimental de torre de enfriamiento

de tiro forzado., determinando su performance.

b) ESPECIFICOS

Aplicar los fundamentos de psicrometra en el prototipo.

Hacer uso y leer correctamente los diagramas psicomtricos.

Reconocer las partes de una torre de enfriamiento de Tiro Forzado.

II. FUNDAMENTO TERICO:

TORRE DE ENFRIAMIENTO:

La torre de enfriamiento se usa en situaciones en las que los suministros de aire limitada o bien debido a

consideraciones econmicas.

Para reducir el efecto en el ambiente, en ros y otras fuentes de obtencin de agua, se usan torres de

enfriamiento para enfriar el agua que se descarga a travs de los condensadores y solo entonces esa agua se

recircula.

CLASIFICACION DE LAS TORRES E ENFRIAMIENTO:

Las torres de enfriamiento modernas se clasifican de acuerdo por los medios por los que que se les

suministra aire. Todos emplean hileras horizontales para suministrar gran superficie de contacto entre aire y

el agua.

TORRES DE TIRO: Torre de tiro inducido: son las ms comunes, en su uso ah ventajas que exceden en su

uso a las otras excepto en condiciones muy especiales.



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Fig1.Esquema de una torre de enfriamiento de tiro inducido.

En estas torres el aire se descarga a travs del ventilador a alta velocidad, de manera que se proyecta hacia

arriba (Asia las corrientes naturales del aire) que evitan su asentamiento posterior. Sin embargo estas torres

presentan cada de presin en la toma alta de velocidad de descarga de las torres de tiro inducido totales de

energa. La alta velocidad causa algo ms de arranque o prdida de agua por gotas de que son arrastradas

por la corriente de aire.

Torres de tiro forzado: tiene el ventilador situado en la entrada del aire, el aire se descarga a baja

velocidad, lo cual provoca que el aire fresco se contamine con aire parcialmente saturado, proceso al cual

llamamos recirculacin y reduce la capacidad de trabajo de las torres de enfriamiento

Fig.2. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro forzado.

TORRES DE CIRCULACION NATURAL:

La torre atmosfrica aprovecha las corrientes atmosfricas d aire. El aire penetra a travs de los

rompimientos en una sola direccin cambiando con la estacin del ao y las condiciones atmosfricos.

Estas torres pueden ser las ms econmicas y donde los costos de energa pueden ser altos

Fig.3. Esquema de una torre de enfriamiento de circulacin natural



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PARTES PRINCIPALES DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO:

Como se muestra en la figura consta de las siguientes partes:

a) Cuerpo: es la estructura que la forma a la torre y puede ser metlica, madera o hormign

b) Los radiadores: Se encuentra en la parte superior de la torre y permite que el agua caliente a la torre

en forma de gotas para aumentar su superficie de contacto.

c) Relleno o empaquetaduras: Estructura que se encuentra en el interior de la torre y puede ser metlica,

plstico madera. Su funcin es obligar a que el agua se mantenga en su mayor cantidad de tiempo

dentro del cuerpo de la torre, a fin de garantizar una buena transferencia de calor. Tambin ayuda a que

el flujo de aire se distribuya uniformemente en el interior del cuerpo.

d) Reservorio: Se encuentra en el fondo de la torre y es un ataque en el cual se recoge el agua enfriada

para regresar nuevamente al sistema.

e) Eliminadores de acarreo: Es la a estructura ubicada en la parte superior de la torr, y tiene la finalidad

de evitar que las gotas pequeas sean arrastradas por la corriente de aire afuera del sistema.

f) Tubera de restitucin del agua: Conforme se produce la evaporacin del agua es necesario ir

restituyndola, y para este propsito existe una tubera que mantiene el nivel del reservorio constante

Fig.4.Parte de una torre de enfriamiento.

Balance energtico:

Haciendo referencia a los smbolos de la siguiente figura, puede escribirse un balance de calor y

masa para la torre:



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El balance de materia para el agua ser:

( ) ( )

El balance de energa para el volumen e control:

( ) ( ) ( ) ( )

Luego tenemos que

( ) ( )

( ) ( )

Remplazando ( ) en la ecuacin de balance de energa para el volumen de control.

( ) ( ) ( ) ( )

Reemplazando (&) en la ecuacin de balance de energa para el volumen de control.

( ) ( ) ( )[ ( )]

Reduciendo convenientemente:

( )

[( ) ( ) ]

Donde:

Para el aire:

Calor acarreado por Kg de aire seco: ; donde h es calor total/ Kg de air seco.

Calor arreciado total:

Humedad acarreada por Kg de aire seco:

Humedad Tota Acareada: ( )

Para el agua:

Entalpia total de entrada= ( )

Entalpia total de salida= ( )

Cambio total de entalpia el agua= ( ) ( )

Agua evaporada= ( )

Como el vapor acarreado por el aire debe ser igual al calor intercambiado por el agua se tiene:



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( ) ( ) ( ( ) ( )) ( )

El agua acarreada por el aire debe ser igual a la perdida de agua en la torre en consecuencia:

( ) ( ) ( )

Las ecuaciones () y () proveen la relaciones bsicas para la solucin de los problemas relativos los torres de

enfriamiento.

III. APARATOS E INSTRUMENTACION:

01 torre de enfriamiento de tiro forzado.

01 ventilador con motor elctrico de 12 V

01 transformador de 220V/ 12V

02 termistores, uno para TGH y otro para TBS.

02 termistores, uno para el ingreso y el otro para la salida del agua.

01 diagrama psicomtrico.

01 lnea de agua caliente (incluye generacin y ductos de agua caliente a enfriar.)

01 bandeja o sistema de recepcin de agua enfriada

01 cronometro.

IV. PROCEDIMENTO EXPERIEMENTAL Y DATOS POR CONSIGNAR:

1. Preparar la generacin de agua caliente a enfriar para esto hacer uso de una fuente de

calor de generacin de agua caliente a travs del caldero piro tubular elctrica del

laboratorio de M.T

2. Preparar correctamente el equipo, verificando que la torre de enfriamiento tenga sus

deflectores ductos, rociadores y eliminadores de acerero se encuentren en buen estado.

3. Verificar el funcionamiento del ventilador de tiro forzado, encendindolo, dejar operar

unos 3 minutos antes del ingreso del agua caliente.

4. Ingresa agua caliente a travs de los rociadores, dejando que el proceso de adicin de

vapor al aire hmedo tenga un rgimen permanente, por lo menos 5 minutos.

Seguidamente debemos determinar los valores de los parmetros ledos, as tenemos.

V. TOMA DE DATOS:

Del procedimiento 5. Seguidamente debemos determinar los valores de los parmetros ledos,

as tenemos.

Masa del agua caliente

Temperatura de ingreso del agua a la torre.

Temperatura de salida del agua a la torre.



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Temperatura de ingreso del aire (Bulbo Seco)

Temperatura de ingreso del aire (Bulbo Hmedo)

Temperatura de salida del aire (Bulbo seco)

Temperatura de salida del aire (Bulbo Hmedo)

: Presin atmosfrica P= 101.4 K Pa

Humedad relativa de ingreso del aire

Humedad relativa de salida del aire

TABLA 1: FLUJO DE ENTRADA, SALIDA Y PESOS DE AGUA

LPM T1(s) T2(s) (kg) (kg)

15 36.364 17.29 9.47 2.283

30 7 8.882 3.667 4.566

45 4.783 4.663 3.76 3.815

60 3.555 3.566 3.921 4.156

Promedio 17.232 11.467 6.939 4.94

TABLA 2: TOMAR DATOS Y LLENAR CUADRO

PARAMETROS PROMEDIO

(Kg) 6.939 6.939 6.939 6.939

(C) 46.4 43.7 42.9 44.3

(C) 32.4 30.9 30.3 31.2

(C) 22 22.5 24 22.8

(C) 20 22 23 21.7

(C) 27 27.5 27 27.2

(C) 26 25.5 26.5 26

65.13 63.18 57.70 62.0

48.29 46.89 48.29 47.8



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TABLA 2: HUMEDAD ABSOLUTA Y ENTALPA DE AIRE SATURADO EN LA

ENTRADA Y SALIDA

HUMEDAD ABSOLUTA

ENTALPA ESPECFICA

FLUJO ENTRADA SALIDA ENTRADA

SALIDA

1 0.0138 0.0229 57.20 85.58

2 0.0174 0.024 66.87 88.91

3 0.0193 0.023 73.27 85.83

PROMEDIO 0.168 0.0233 65.78 86.77

VI. RESULTADOS:

TABLA 3: TOMA DE TEMPERATURAS

CUESTIONARIO:

1. Determinar los valores de (Humedades absolutas en funcin a Ps) (presiones de

saturacin en estado 1 y 2).

2. Hallar los valores tericos .

TEMPERATURA (C) Toma

1

Toma

2

Toma

3

TINA 1 46.4 43.7 42.9

1 37 37 37

2 37 37 36

3 35 36 35

4 31 31 31

5 32.4 30.9 30.3



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3. calcular el valor de la masa de aire?

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

4. Cules son las principales componentes de una torre de enfriamiento?

Sistema de distribucin de agua.

Hace referencia a la manera como se vierte el agua sobre la torre. Existen dos tipos de sistemas,

uno que opera por gravedad y otro por presin. El primero se compone de un recipiente y unos agujeros que distribuyen el agua; tiene bajos costos de operacin debido a la poca potencia de

bombeo que requiere y es de fcil mantenimiento. Sin embargo no se usa en torres que operen a

contraflujo debido a las dificultades que presentan en la distribucin uniforme del agua. El segundo se compone de sistemas de pulverizacin con toberas orientadas hacia abajo que pueden

ser en forma de espina de pescado o rotativas (Ver figuras b y c). Brindan mayor rendimiento al

sistema pero su mantenimiento es ms frecuente, y los consumos energticos son mayores.

Relleno. Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor tiempo

y rea de contacto del aire con el agua. El relleno debe provocar poca resistencia al paso de aire y

mantener una distribucin uniforme del agua durante todo su recorrido.

Eliminadores de gotas.

Los eliminadores bsicamente retienen las gotas de agua arrastradas por el aire que salen de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que redireccionan el flujo y separan las gotas del

aire, hacindolas caer de nuevo sobre el relleno, tienen dos efectos positivos; el primero es reducir

la reposicin del agua y el segundo evitar la formacin de ambientes saturados que puedan afectar

las torres adyacentes.

Chimeneas.

Se emplean en torres de tiro inducido para mejorar el comportamiento del ventilador y evitar

efectos de recirculacin de aire.

Ventiladores.

En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de tiro

forzado e inducido y centrfugos para torres de tiro forzado (Ver figura f). Los ventiladores

axiales son apropiados para mover grandes volmenes de aire y tienen mayores aplicaciones en



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equipos industriales grandes. Los ventiladores centrfugos son adecuados para impulsar caudales

relativamente pequeos con mayores cadas de presin.

Bombas. Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre. Consumen una fraccin importante

de la potencia requerida en todo el sistema. Cuando se trata de instalaciones grandes debe haber

una bomba en reposo que pueda entrar en operacin para efectos de mantenimiento o reparacin

de las otras.

Control.

En la mayora de los sistemas de torres de enfriamiento basta con un control de nivel en la piscina

de agua que controla la entrada de la reposicin.

5. Cul debe ser la perdida mxima por evaporacin?

Es la cantidad de agua, en volumen por minuto, que se pierde por evaporacin en el proceso de

enfriamiento; puesto que 100 kg de agua al perder C de temperaturas desprenden 1000 kcal, el

porcentaje de evaporacin ser de 1 por 100 por cada X C de salto trmico, es decir:

Evaporacin (%)= 100 x 10 Pe = Q (kcal/h) / (550.00) = m3 / h

6. Cules son los tipos de empaques o rellenos existentes?

Pueden diferenciarse dos tipos de relleno: de goteo y de pelcula o laminares. En los rellenos de

goteo las gotas de agua caen sobre una serie de pisos superpuestos que van haciendo la gota cada

vez ms pequea. Puede presentar arrastre de gotas, por lo que se recomienda el uso de

eliminadores de gota. Los rellenos laminares proporcionan mayor capacidad de enfriamiento, son

ms eficientes y no producen tanto goteo al exterior del equipo, sin embargo requiere un

mantenimiento ms frecuente.

7. cules la importancia de la temperatura de bulbo hmedo?

Con el objeto de cuantificar el fenmeno de evaporacin se hace el siguiente experimento:

A un termmetro cuyo bulbo de mercurio se cubre con un lienzo saturado de agua y se introduce

en una corriente continua de aire que fluye a gran velocidad, le ocurre lo siguiente:

Como el aire no est saturado el agua se evapora y se transfiere al aire, inicialmente el agua

utiliza su calor latente para su evaporacin lo que provoca su enfriamiento, este proceso continua,

pero cada vez menos intenso, ya que al enfriarse el agua se genera un gradiente de temperatura,

que da la posibilidad de transferir calor del aire al agua y ser empleado para suministrar la energa

para la evaporacin, entonces el agua se enfra cada vez menos hasta llegar a un punto en que

toda la energa proviene del aire y ya no del lquido, en este instante el agua alcanza una

temperatura estacionaria y se le llama temperatura de bulbo hmedo.

El fenmeno que ocurre en el termmetro de bulbo hmedo se aprovecha para comprender el

proceso del enfriamiento de agua.

8. Por qu se deben tomar las variables a las primeras horas del dia, preferentemente al

medio da?



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La evaluacin energtica de una torre de enfriamiento puede hacerse desde varios puntos de vista.

El primero de ellos hace referencia a la eficiencia de una torre y puede calcularse como el

cociente entre la energa retirada al agua y la mxima retirable, de acuerdo a las condiciones

atmosfricas del sitio o en trminos de temperaturas puede expresarse como:

Una eficiencia superior al 60% refleja un buen desempeo de la torre, valores inferiores a este

indican posibles problemas en los rellenos, flujos inadecuados de aire debido a fallas de los

ventiladores o flujos inadecuados de agua debidos a fallas de operacin en las bombas.

El segundo punto de vista hace referencia al rendimiento de la torre, trata de evaluar el

comportamiento en trminos de capacidad de enfriamiento de agua y se basa en los datos

nominales de diseo y en la curva caracterstica brindada por el fabricante. La evaluacin del

rendimiento es una opcin que brinda ms informacin, pero en muchas ocasiones es difcil

contar con las curvas de diseo.

Existen diferentes mtodos para realizar una evaluacin de rendimiento entre los que se

destacan el de la curva caracterstica, el de la curva de rendimiento, y el de la curva de

garanta de enfriamiento. Siendo el primero el mtodo ms comn.

VII. CONCLUSIONES:

Las torres de enfriamiento son equipos de transferencia de calor y masa entre el aire atmosfrico y el agua caliente procedente de los procesos industriales

El uso de estos sistemas de enfriamiento se justifica cuando es necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo costo y cuando las temperaturas que se requieren de

enfriamiento no son muy lejanas de la temperatura ambiental.

El contacto directo del aire atmosfrico con el agua provoca la evaporacin de una fraccin de agua, la cual requiere calor de cambio de fase que es tomado del agua

circundante, logrando su enfriamiento.

VIII. RECOMENDACIONES:

En esta seccin se presenta una serie de recomendaciones que se deben tener en cuenta para un

correcto funcionamiento de las torres de enfriamiento y para un ptimo aprovechamiento de la

energa empleada en su operacin.

Verificar que las bombas estn operando en el punto de mayor eficiencia. Evitar al mximo la regulacin de flujo en los sistemas a travs del uso de vlvulas,

placas de orificio o elementos similares. Se obtienen resultados mucho ms eficientes

cuando la velocidad de rotacin del motor puede variar de manera continua. La economa

de energa es tanto mayor cuanto ms frecuentemente se marche en rgimen de agua parcial.



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Instalar controles automticos de temperatura que manejen las bombas y ventiladores de

las torres de enfriamiento, para que estos no operen sino durante los perodos

estrictamente necesarios. Instalar controles de nivel en todos los tanques para evitar prdidas de agua por los

reboses.

Bombear nicamente la cantidad de agua requerida por el sistema de enfriamiento y evitar el sobredimensionamiento.

Mantener los sistemas de intercambio de calor libres de incrustaciones y depsitos

aislantes.

IX. BIBLIOGRAFIA:

Torres de refrigeracin, Manuales tcnicos y de induccin para conservacin

de energa, Centro de estudios de la energa Madrid esp, 1983. 177p.

Cooling Water Calculations, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical

Engineering, Agosto 1, 1977

http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_442_1objetivo, CONAE.

Mdulo torres de enfriamiento. Nov de 2006.

Manual del ingeniero qumico, tomo 1. John H. PerryEd. Hisopanoamericano 3

ed.

X. ANEXOS:

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