INFORME DE LABORATORIO N° 3
TÍTULO:
Ensayo de Torres de Enfriamiento
AUTORES:
Chávez Espinoza Jorge Alexander Chávez Arteaga Junior García Mozo Albano Ponte Goicochea Schneider
PROFESOR:
Neil Velásquez
CÁTEDRA
Laboratorio de Energía
Chimbote – Perú 2014
PRÁCTICA N° 3 TEMA: ENSAYO EN TORRES DE ENFRIAMIENTO 1. OBJETIVOS 1.1.OBJETIVOS GENERALES Aplicar los fundamentos de la psicrometría en un prototipo experimental de la Torre Experimental. 1.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar un balance de materia y energía en una torre de enfriamiento, determinando su performance. Hacer uso y leer correctamente los diagramas psicrométricos. Reconocer las partes de una torre de enfriamiento de tiro forzado. Investigar acerca de las aplicaciones industriales de las torres de enfriamientos en nuestra localidad.+
2. INTRODUCCIÓN A medida que una sociedad se desarrolla tecnológicamente es necesario incrementar los conocimientos que permitan controlar que tal desarrollo sea eficiente en cuanto al consumo de energía se refiere. En ese contexto este trabajo tiene como objetivo implementar la tecnología que permita evaluar experimentalmente las performances térmicas de torres para enfriamiento de agua y desarrollar la metodología que permita realizar un diseño más eficiente de dichas torres. Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos cuya finalidad es extraer calor del agua a través del contacto directo con el aire. Estas torres tienen múltiples aplicaciones, desde relativam relativamente ente pequeñas instalaciones instalaciones de aire aire acondicionado acondicionado hasta en grandes complejos complejos de generación de energía eléctrica. Se puede decir que su uso esta justificado en sistemas que utili ut ilizan zan agua como medio refrigerante, donde sea necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo costo y el salto de temperatura requerido sea del del orden de 10 C. Componentes importantes de las torres son: la carcaza, a través de la cual circulan todos los fluidos y contiene, en general, todos los elementos que la componen, el relleno, cuya finalidad principal es aumentar la superficie de intercambio por unidad de volumen de la torre, el grupo impulsor de aire y el sistema de distribución de agua ( ver Figura
1). El sistema impulsor de aire está integrado por: ventilador, motor, transmisión y en ciertos casos el subsistema de control de velocidad. El sistema de distribución de agua incluye las cañerías de distribución internas, los picos rociadores y el depósito o cuba de recolección con control del nivel de agua. De acuerdo a como se genera el movimiento de aire pueden distinguirse dos tipos de torres: las de tiro natural y las de tiro mecánico. Las primeras pueden pueden ser ser atmosféri atmosféricas cas y de chimenea, chimenea, estas estas últimas últimas con o sin asistencia asistencia mecánica. Las de tiro mecánico pueden ser de flujo forzado (aire impulsado impulsado al interior) interior) o bien de flujo inducido inducido (aire aspirado aspirado desde el interior). En este último tipo de torres el flujo de aire respecto al del agua puede puede ser ser cruzad cruzadoo o a contracorrien contracorriente. te. El dominio de la metodología de cálculo de torres de enfriamiento de agua implica conocer los fundamentos teóricos del proceso de termotransferencia que tiene lugar en su interior como así también las características del flujo interno y la correspondiente ponderación de las pérdidas pérdidas de carga carga para poder selecciona seleccionarr o diseñar diseñar un ven ventilado tiladorr eficiente eficiente.. Ello permitirá obtener torres de enfriamiento con una alta eficiencia termodinámica y un bajo consumo energético del grupo moto-propulsivo.
F ig. 1. 1. Tor r e de enfr nf r iamie iami ento de tir o forzado forzado
El estado actual del arte no permite que las características de termotransferencia del relleno como así también la pérdida de carga que ocasiona el mismo puedan ser obtenidos analíticamente ya que no existe un modelo que describa el funcionamiento del relleno. Por lo tanto para diseñar una torre que funcione eficientemente en determinadas condiciones operativas es necesario recurrir a datos experimentales para determinar las prestaciones térmicas y aerodinámicas del relleno. Surge así la necesidad de disponer de una instalación experimental que permita evaluar dichas prestaciones en distintos tipos de relleno. La determinación experimental de la performance térmica de torres de enfriamiento operando en condiciones reales, brindará la información empírica necesaria para analizar el comportamiento del relleno y la características del flujo interno. Esta información utilizada en nuevos diseños, permitirá obtener productos con mayor eficiencia térmica y energética. Si se pretende que los resultados de una evaluación experimental sean confiables, representativos y además comparables con otros ensayos es necesario que se obtengan con técnicas experimentales que satisfagan requisitos determinados, previamente establecidas. Estos requisitos condicionan la calidad y el estado del equipamiento involucrado, los procedimientos de ejecución de los ensayos, la adquisición y el procesamiento de datos experimentales a los efectos de elaborar conclusiones. En este estudio se optó por seguir los patrones y normas del Cooling Tower Institute (CTI) para la ejecución de los ensayos pertinentes en razón del prestigio a nivel internacional de esa organización y por disponerse de la bibliografía necesaria. Por ello las evaluaciones realizadas en torres de pequeño y gran porte se realizaron de acuerdo con la metodología descripta en el Código AT-105 del CTI. Si bien este trabajo se realiza para torres de tiro mecánico, sus resultados o logros podrán aplicarse a otros tipos de torres o instalaciones para intercambiar calor, que se basen en los mismos principios de funcionamiento.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1.CONCEPTOS BÁSICOS El análisis de enfriamiento de agua mediante el uso de torres requiere la aplicación de los conceptos de la psicrometría (Ver figura 2). Éstos están relacionados con las propiedades termodinámicas de las mezclas de vapor de agua con el aire. Es conocido que la proporción de vapor de agua en el aire es baja (Porcentaje de vapor de agua en el aire es inferior al 5%); sin embargo, la presencia de esa cantidad de agua afecta de manera apreciable el comportamiento de las características físicas del aire.
Fig. 2. Torre de enfriamiento en operación.
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3.1.1. AIRE Y PSICROMETRÍA El aire atmosférico es una mezcla de gases compuesta principalmente por Nitrógeno y oxígeno, sin embargo existen otros gases como el vapor de agua y otros. En este sentido el aire seco consiste en la mezcla de gases con ausencia de agua, el aire saturado corresponde a la mezcla con la cantidad máxima de agua que es posible estar en la fase de vapor. Cuando el aire se encuentra saturado con agua, no es capaz de recibir más agua en forma de vapor y por lo tanto, cualquier intento en ello provocaría la condensación del vapor, generándose la lluvia. De allí la importancia de conocer los principales parámetros que rigen el comportamiento de esta mezcla, entre ellos:
TEMPERATURA DE BULBO SECO: Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra en contacto directo con el sistema, se expresa en ºC o ºF.
TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra cubierto de un material humedecido con agua. El paso del aire en contacto con el termómetro cuyo bulbo está húmedo, provoca la evaporación del agua hasta que se logra la saturación del aire. La temperatura que registra dicho termómetro es inferior a la observada en un termómetro de bulbo seco, debido a que la evaporación del agua en el bulbo húmedo requiere calor que se toma del termómetro logrando su enfriamiento (Ver figura 3).
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TEMPERATURA DE ROCÍO Es la temperatura del aire en condiciones de saturación. Se evalúa determinando la temperatura de saturación a la presión de vapor en la mezcla. Cuando ocurre la saturación la temperatura de bulbo húmedo, seco y punto de rocío tienen el mismo valor.
PRESIÓN PARCIAL Según la ley de Dalton, en una mezcla de gases se denomina presión parcial de un componente a la presión que éste ejercería si ocupara todo el volumen que ocupa la mezcla. En el aire atmosférico se tiene que PTotal = Pvapor + Paire seco. Normalmente la fracción de presión del vapor de agua no supera el 5% de la presión total, sin embargo esa pequeña fracción es determinante en las condiciones del aire.
HUMEDAD ABSOLUTA Es la relación entre la cantidad másica de vapor de agua y la cantidad másica de aire seco contenida en una muestra. Se define como:
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tiene unidades de kg de agua / kg de aire seco.
HUMEDAD RELATIVA Es la relación que existe entre la presión del vapor en la mezcla y la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de bulbo seco en que se encuentra la mezcla. Puede definirse también como la relación entre la masa de vapor de agua de la muestra y la máxima cantidad de vapor de agua posible a las condiciones dadas. Se expresa como:
tiene unidad de fracción o porcentaje y varía entre el 0 y el 100%.
ENTALPÍA Es el contenido energético de cierta sustancia. Para el caso del aire atmosférico es la suma de la energía asociada al aire seco y la energía asociada al vapor de agua, se expresa por unidad de kg de aire seco y viene dado por:
donde has es la entalpía del aire seco que se calcula como has = CpaireT, w es la humedad específica y hv es la entalpía del vapor de agua que puede leerse en una tabla termodinámica como la entalpía de vapor saturado a la temperatura dada.
3.1.2. CARTA PSICROMÉTRICA La carta psicrométrica, es una representación gráfica de las propiedades termodinámicas de una mezcla aire-vapor de agua. En ellas se puede dibujar un proceso ubicando los diferentes estados, vgr. Una línea horizontal a humedad absoluta constante representa un proceso de calentamiento o enfriamiento; una línea diagonal paralelas a las líneas de entalpia constante o a las de 8
temperatura de bulbo húmedo constante, representa un proceso de evaporación o de desorción; entre otros (Ver figura 4).
F igu r a 4. D iagrama de carta psicromé tr ica
3.1.3. ACERCAMIENTO El acercamiento, aproximación o approach es la diferencia de temperatura entre el agua que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. Mientras menor sea el acercamiento mayor será el tamaño de la torre. Un acercamiento típico está por el orden de los 7ºC, llegando hasta 3 ó 4ºC. En la figura a se muestra una gráfica sencilla donde se distingue el acercamiento.
Fig. 5. Diagrama de acercamiento de una torre de enfriamiento. 9
3.1.4. SALTO TÉRMICO Es la diferencia de temperatura entre el agua fría que sale de la torre y el agua caliente que entra. El salto térmico determina la carga térmica de la torre y es un parámetro de selección importante. En la figura se presenta una gráfica sencilla donde se distingue el salto térmico. Una torre eficiente y bien seleccionada brinda, en condiciones atmosféricas favorables, un salto térmico cercano a los 10ºC. Cuando las condiciones ambientales no son buenas, es decir, la temperatura de bulbo húmedo es alta y/o la humedad relativa está por encima del 75%, no pueden esperarse buenos saltos debido a que la evaporación de agua se ve reducida.
Fig. 6. Representación del comportamiento de salto térmico
3.2.CLASIFICACIÓN Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de muchas maneras. Una de ellas hace referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de goteo). Otro tipo se da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio entre el agua y el aire (flujo en contra corriente representado en la figura 7.a y flujo cruzado en la figura 7.b).
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F ig. 7. Representación esquemática de: a. Una torre de flu jo en contracorr iente, b. Un a torr e de fl uj o cruzado.
3.2.1. TORRES ATMOSFÉRICAS En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire (Ver figura 8). Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos.
F ig. 8. Vista de una tor re atmosfé rica. 11
3.2.2. TORRES DE TIRO NATURAL Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica (Ver figura 9). 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. Es posible también encontrar una modificación sobre este tipo de torres que se conoce como tiro natural asistido, consiste en mejorar el flujo de aire por medio de ventiladores de tiro forzado que se instalan en la parte inferior de la misma.
Fig. 9. Vista de una torre de tiro natural. 12
3.2.3. TORRES DE TIRO MECÁNICO Las torres de tiro mecánico emplean ventiladores para controlar el flujo de aire que entra a la torre, son compactas y brindan buen control sobre las condiciones de salida del agua. Sin embargo presentan altos costos de operación y mantenimiento. Existen dos tipos principales de torres de tiro mecánico:
TORRES DE TIRO FORZADO Los ventiladores toman el aire del ambiente y lo impulsan a través de los rellenos; es más eficiente que la de tiro inducido debido a que el ventilador mueve aire frío (Ver figura 10).
Fig. 10. Vista de una torre de tiro forzado.
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TORRES DE TIRO INDUCIDO Los ventiladores toman el aire del interior de la torre y lo expulsan al ambiente en la parte superior. Es el tipo de torre más utilizado en la industria (Ver figura 11).
F ig. 11. Vi sta de un a torr e de tiro inducido.
3.3.COMPONENTES BÁSICOS Las torres de enfriamiento se componen de 7 elementos básicos que se describen a continuación. (Ver figura 12).
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F ig. 12. Vista de los compon ents básicos de una tor r e de enfriamiento.
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN 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 presión. El primero se compone de un recipiente y unos agujeros que distribuyen el agua; tiene bajos costos de operación debido a la poca potencia de bombeo que requiere y es de fácil mantenimiento. Sin embargo no se usa en torres que operen a contraflujo debido a las dificultades que presentan en la distribución uniforme del agua. El segundo se compone de sistemas de pulverización con toberas orientadas hacia abajo que pueden ser en forma de espina de pescado o rotativas (Ver figuras 13.a y 13.b). Brindan mayor rendimiento al sistema pero su mantenimiento es más frecuente, y los consumos energéticos son mayores.
15
F ig. 14. (a. V ista de un Sistema de distr ibución de agua a presión con tu bería; b. Vista de un sistema de distribución de agua a pr esión r otati vo.)
RELLENO Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor tiempo y área de contacto del aire con el agua. El relleno debe provocar poca resistencia al paso de aire y mantener una distribución uniforme del agua durante todo su recorrido. Pueden diferenciarse dos tipos de relleno: de goteo y de película 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 más pequeña. 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 más eficientes y no producen tanto goteo al exterior del equipo, sin embargo requiere un mantenimiento más frecuente (Ver figura 15.a y 15.b).
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Fig. 15. (a. Relleno por goteo; b. Relleno laminar)
ELIMINADORES DE GOTAS Los eliminadores básicamente 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, haciéndolas caer de nuevo sobre el relleno, tienen dos efectos positivos; el primero es reducir la reposición del agua y el segundo evitar la formación 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 recirculación de aire.
VENTILADORES En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de tiro forzado e inducido y centrífugos para torres de tiro forzado (Ver figura 16). Los ventiladores axiales son apropiados para mover grandes volúmenes de aire y tienen mayores aplicaciones en equipos 17
industriales grandes. Los ventiladores centrífugos son adecuados para impulsar caudales relativamente pequeños con mayores caídas de presión.
Fig. 16. Vista superior de un ventilador de tiro inducido en funcionamiento.
BOMBAS Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre. Consumen una fracción 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 operación para efectos de mantenimiento o reparación de las otras.
CONTROL En la mayoría de los sistemas de torres de enfriamiento basta con un control de nivel en la piscina de agua que controla la entrada de la reposición.
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3.4.ECUACIONES CARACTERÍSTICAS La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación:
Donde: L: Flujo másico de agua en kg/h T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en ºC G: Flujo másico de aire en kg/h h1 y h2: Entalpía de entrada y salida del aire en Kcal/kgºC C p: Calor específico del agua, puede tomarse como C p=1 kCal/kgºC Es posible evaluar el anterior balance de energía en forma diferencial entre dos puntos internos de la torre de tal manera que :
Al interior de la torre existe un volumen efectivo de transferencia, compuesto tanto por los rellenos como por los espacios vacíos por los que fluye el agua y el aire y define un área total de transferencia conocida como a. Con base en ésta área puede calcularse la transferencia de energía de la siguiente forma:
Donde: K: Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el 19
fabricante ha: Entalpía del aire en cada punto calculada con base en la temperatura de bulbo húmedo. hw: Entalpía del aire saturado a la temperatura del agua en cada punto de la torre. De la ecuación anterior se obtiene por integración dos expresiones independientes:
La primera ecuación se conoce como Característica termodinámica y la segunda ecuación de Merkel. Se define una curva característica del fabricante que relaciona el valor de KaV/L, con la relación agua-aire L/G, su cálculo se efectúa de manera experimental. Existe otra curva denominada característica requerida, que expresa el término ECN como función de L/G. En la figura 17 se observan ambas curvas.
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En muchos casos la curva característica se obtiene con base en ecuaciones y coeficientes que brinda el fabricante sobre el tipo de relleno, en la figura 18 se presentan algunos valores de estos coeficientes. Con dichos coeficientes puede construirse el término KaV/L como función de L y G y de esta forma graficarlos en el diagrama. La característica requerida se grafica como función del acercamiento y se encuentra en literatura de diseño de torres, en la figura 19 se presenta una tabla típica para varios valores de acercamiento.
F ig. 18. Cu adro de coeficientes según el ti po de relleno.
Mediante un balance de masa es posible obtener una expresión para el agua de reposición, valor importante cuando se desean evaluar los costos de operación de la torre, la reposición se calcula como:
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Donde w2 y w1 son las humedades específicas del aire a la salida y la entrada de la torre respectivamente.
F ig. 19. Diagr ama de característi ca requeri da como fu nci ón de acercamiento.
3.5.RENDIMIENTO Y EFICIENCIA La evaluación energética 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 energía retirada al agua y la máxima retirable, de acuerdo a las condiciones atmosféricas del sitio o en términos de temperaturas puede expresarse como
Una eficiencia superior al 60% refleja un buen desempeño 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 operación en las bombas. El segundo punto de vista hace referencia al rendimiento de la torre, trata de evaluar el comportamiento en términos de capacidad de enfriamiento de agua y se 22
basa en los datos nominales de diseño y en la curva característica brindada por el fabricante. La evaluación del rendimiento es una opción que brinda más información, pero en muchas ocasiones es difícil contar con las curvas de diseño.
Existen diferentes métodos para realizar una evaluación de rendimiento entre los que se destacan el de la curva característica, el de la curva de rendimiento, y el de la curva de garantía de enfriamiento. Siendo el primero el método más común. En el método de la curva característica, se presentan algunos gráficos que pueden ser útiles en dicha evaluación y finalmente se desarrolla un ejemplo de la evaluación empleando el método descrito. Para aplicar este método se debe tener la curva característica de la torre, así como el valor de diseño L/G, la potencia demandada por el ventilador en las condiciones de diseño y la curva característica requerida de acuerdo al acercamiento de diseño. Se diferencian dos tipos de datos: Los de diseño, marcados con el subíndice d y los de la prueba, marcados con el subíndice p.
Determinación de L/G de prueba.
Donde: L p: Flujo de agua en las condiciones de prueba (medido previamente en campo) Ld: Flujo de agua en las condiciones de diseño G: Flujo de aire P p: Potencia del motor del ventilador en condiciones de prueba (medida previamente en campo) Pd: Potencia del motor del ventilador en condiciones de diseño
Determinación del KaV/L de la prueba. Con base en los valores registrados de temperatura de bulbo húmedo a la entrada (Th), el agua caliente que entra a la torre (T1), el agua fría que sale de la misma (T2) y la relación de flujos L/G se calcula:
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Determinación de la capacidad de la torre. Se ubica sobre la curva brindada por el fabricante el punto (L/G) p, KaV/L obtenido mediante los cálculos y se traza una curva paralela a la curva de diseño que pase por el punto ya indicado. La intersección de dicha curva con la del requerimiento del sistema determina el valor de L/G de prueba, con el cual la torre alcanzaría las condiciones térmicas de diseño. El cociente entre el (L/G) de la prueba y el (L/G) de diseño determina el porcentaje de capacidad al que trabaja la torre.
3.6.USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA Se presenta una serie de recomendaciones que se deben tener en cuenta para un correcto funcionamiento de las torres de enfriamiento y para un óptimo aprovechamiento de la energía empleada en su operación.
Verificar que las bombas estén operando en el punto de mayor eficiencia. Evitar al máximo la regulación de flujo en los sistemas a través del uso de válvulas, placas de orificio ó elementos similares. Se obtienen resultados mucho más eficientes cuando la velocidad de rotación del motor puede variar de manera continua. La economía de energía es tanto mayor cuanto más frecuentemente se marche en régimen de agua parcial. Instalar controles automáticos de temperatura que manejen las bombas y ventiladores de las torres de enfriamiento, para que estos no operen sino durante los períodos estrictamente necesarios. Instalar controles de nivel en todos los tanques para evitar pérdidas de agua por los reboses. Bombear únicamente la cantidad de agua requerida por el sistema de enfriamiento y evitar el sobredimensionamiento. Utilizar filtros que den baja caída de presión de 5 a 8 psi (34,55 kpa a 76,89 kpa) y alta densidad de filtración 3 Gpm/pie (122,16 lpm/m) Utilizar torres de enfriamiento con rellenos de alta eficiencia y boquillas que den baja caída de presión de 5 a 7 psi (34,55 kPa a 48,36 kPa), mantener en óptimo estado los eliminadores de rocío. Mantener los sistemas de intercambio de calor libres de incrustaciones y depósitos aislantes 24
Instalar elementos de medición en cada sistema para poder mantener bajo control los índices de consumo. Hasta donde sea posible utilizar los retornos y transportes por gravedad.
Cambiar rellenos de goteo por rellenos laminares, ofrecen mayor eficiencia y pueden reducir el volumen del mismos. Si se piensa en un cambio a gran escala puede considerarse lo siguiente: Conversión de torre de tiro atmosférico a torre de tiro forzado, conversión de torre de tipo forzado a torre de tiro inducido, conversión de torre de flujo cruzado a torre de flujo en contracorriente.
F ig. 20. Tor r e de enf riami ento deterior ado.
3.7.MANTENIMIENTO Durante la puesta en marcha de una torre de enfriamiento deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
Efectuar una inspección visual sobre ventiladores, motores y reductores de velocidad, debe hacer correcta lubricación y la correa del ventilador debe estar tensada. 25
Debe controlarse el sentido de giro y las vibraciones del ventilador, ajustar el ángulo de los álabes si es necesario. Inspeccionar los rellenos, comprobar el buen estado, la correcta colocación y la posible formación de algas que obstruya el paso del aire. La válvula que controla la reposición debe estar en buen estado y en la medida de lo posible sin corrosión que impida su funcionamiento.
Durante la operación pueden aparecer algunos problemas comunes que se describen a continuación:
UNA DISTRIBUCIÓN IRREGULAR DEL AGUA.
Puede deberse a obstrucciones en los pulverizadores, rellenos deteriorados o caudal de agua excesivo. (Ver figura 21)
TEMPERATURA ELEVADA A LA SALIDA DE LA TORRE. Puede deberse a un excesivo flujo de agua, rellenos mal colocados o en mal estado o aire insuficiente. Se recomienda comparar las condiciones de operación con las condiciones de diseño y comprobar el estado de los rellenos.
AGUA DE REPOSICIÓN EXCESIVA. Puede deberse eliminadores de gotas mas ubicados o rotos, excesivo flujo de agua o demasiada inclinación de las palas del ventilador. 26
En cuanto al mantenimiento periódico que debe efectuarse sobre una torre cabe anotar lo siguiente:
Cada 6 meses se recomienda una inspección de los rellenos, evaluar su posición y realizar limpieza manual para retirar algas, hongos y demás incrustaciones. Puede realizarse una limpieza anual de las balsas. Evaluar el rendimiento de las bombas y de los ventiladores periódicamente, se recomienda contar con las curvas características de dichos elementos y realizar mediciones eléctricas que permitan conocer la eficiencia de la operación. Deben realizarse evaluaciones de la calidad del agua de recirculación para evitar niveles de acidez y alcalinidad inadecuados que generen problemas de incrustaciones en los rellenos, corrosión en las tuberías y erosión sobre los materiales. En la figura a se presenta una tabla con los niveles de sólidos recomendados en el agua de recirculación.
4. EQUIPOS Y MATERIALES • • • • • • •
01 Torre de enfriamiento de tiro forzado 01 ventilador con motor eléctrico de 12V 01 Transformador de 220 v/ 12V CC/CA 02 termistores: uno para TBH y otro para TBS. Para el aire. 02 termistores para temperatura de agua caliente y agua fría. 01 Diagrama psicrométrico 01 Línea de agua caliente (incluye generación y ductos de agua caliente a
enfriar) •
01 Bandeja o sistema de recepción de agua enfriada
5. 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 través de una cocinilla eléctrica del laboratorio de Termo fluidos de la escuela. 2. Preparar correctamente el equipo, verificando que la torre de enfriamiento tenga sus deflectores, ductos, rociadores y eliminadores de acarreo se encuentren en buen estado. 3. Verificar el funcionamiento del ventilador de tiro forzado, encendiéndolo, dejar operando un os 3 minutos antes del ingreso de agua caliente. 4. Ingresar agua caliente a través de los rociadores, dejando que el proceso de adición de vapor al aire húmedo tenga un régimen permanente, por lo menos 5 minutos. 5. Como observaremos el aire es absorbido (inducido) por el ventilador hacia arriba, parte del agua se va con el aire húmedo. Así tenemos el siguiente esquema:
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Parámet
Lectura2
Lectura 3
Lectura5
Promedio
1.2
1.2
1.2
1.2
53
45
40
46
39
34
29
22
19
22
21
26
24
23
24.3
36
30
24
30
29
26
21
25.3
1 (%)
0
0
0
0
2 (%)
0
0
0
0
Mw (Kg)
tw1 (ºC)
tw2
34
(ºC)
Ta1BS (ºC)
Ta1BH ºC
Ta2BS ºC
Ta2BH (ºC) φ
φ
28
6. CUESTIONARIO 1. Determinar los valores de X1 y X2 (humedades absolutas en función a Ps) (Presiones de saturación en los estados 1 y 2) Sabemos que:
Determinaremos X1 y X2, para las temperaturas de 24.3° C le corresponde una Pw= 3.24 Kpa 25.3° C le corresponde una Pw= 4.26 Kpa Y la presión total es de 101.4 Kpa
29
2. Hallar los valores teóricos de hw2,hw1,h1,h2 CpwT=319= 3.586 Kj/Kg.°C Entonces Hw1= Cpw1*tw1
y
hw1= 3.586*46= 164.956 Kj/Kg
y
hw1= 3.124*34= 106.216 Kj/Kg
CpwT=307= 3.124 Kj/Kg.°C Entonces Hw1= Cpw1*tw1 De las tablas de vapor Cpaire = 1.0035 KJ/Kg.K h1= Cp*ttbs1= 1.0035*(21+273)= 395.029 KJ/Kg h2= Cp*ttbs2= 1.0035*(30+273)= 304.061 KJ/Kg
3. Calcular el valor de la masa de aire.
[ ]
4. Describir que es un proceso de humificación y deshumificación HUMIFICACION En este proceso se requiere llevar a la masa gaseosa en el punto B a las condiciones de diseño YB a partir de las condiciones iniciales del punto A, con YA de acuerdo al diagrama de la figura. Para lograr este proceso se requiere poner en contacto la masa gaseosa con un líquido que se encuentra a la temperatura correspondiente al punto C. Para poder mantener el líquido bajo estas condiciones es necesario suministrar una cantidad de calor equivalente a la que absorberá la masa gaseosa en forma de calor latente al humidificarse. La masa gaseosa pasará de la condición A a C y después, fuera de contacto con el líquido se calentará de forma sensible para llevarlo a las condiciones deseadas del punto B. Este proceso se encuentra representado sobre el diagrama psicrométrico de la figura. 30
DESHUMIFICACION Los procesos de dehumidificación no son procesos de enfriamiento propiamente dichos considera que son exactamente opuestos a ser una especie de “calentamiento condensante”. La disminución en el calor latente se
intercambia con un aumento en el calor sensible. En los procesos de humidificación el calor latente contenido en la masa gaseosa decrece y el contenido de calor sensible aumenta. En un proceso ideal de eliminación de humedad la suma de los dos calores la entalpía, permanece invariable, siendo este un proceso adiabático, sin cambiar la energía total del sistema. En el diseño arquitectónico debe de considerarse la humedad, ya que su exceso causa problemas en el confort humano. Si el medio ambiente está cercano a las condiciones climáticas son las que imperan en las regiones cálidas. El aire puede dehumidificarse pro medio de sistemas de enfriamiento mecánico o por medio del uso de materiales sólidos o líquidos, que por mecanismos de adsorción y absorción, pueden fijar cantidades específicas de vapores, en la mayoría de los casos estos materiales reciben el nombre de 31
desecantes. Cualquier sistema de refrigeración puede producir una de humidificación del asa gaseosa siempre y cuando ésta se enfríe por debajo de la temperatura de rocío, característica de la mezcla. En cualquier proceso en donde se varíe el contenido de humedad en el aire húmedo, la cantidad de líquido adicionado o eliminado, se puede evaluar con la relación:
En donde ML es la cantidad de líquido por unidad de tiempo Kg/h o Kg/s, GA es la masa del aire húmedo en Kg/h o kg/s y (YA1 – YA2) es el incremento o decremento en humedad absoluta expresado en Kg/kg de aire seco. En los sistemas de refrigeración mecánica, existe el concepto de la temperatura de rocío del aparato (Tra), la cual representa la temperatura media de la superficie del equipo e enfriamiento. Si toda la masa gaseosa se pusiera en contacto con toda la superficie disponible en el enfriador se alcanzará la Tra, sin embargo, en la práctica, se alcanzan otras condiciones.
5. Describir las características y aplicaciones industriales para las torres de enfriamiento de tiro forzado e inducido
TORRES DE TIRO FORZADO Los ventiladores toman el aire del ambiente y lo impulsan a través de los rellenos; es más eficiente que la de tiro inducido debido a que el ventilador mueve aire frío.
Fig. 10. Vista de una torre de tiro forzado. 32
