ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS GRUPO D1 – SUBGRUPO 09 8 DE AGOSTO DEL 2014, I SEMESTRE ACADÉMICO DE 2014
LABORATORIO 5: TORRES DE ENFRIAMIENTO
Luis Andres Avendaño Gallo 2080431
Erwin Benavides Alvarado 2053442
Milton Andres Gómez Gordillo 2082014
Ramiro Andres Mejía Acevedo 2049003
Néstor Leonardo Estupiñan 2073589
Arturo José Raudales Agudelo 2070282
David Gustavo Bermúdez 2062606
Omar Johan Mosquera Forero 2082733
INTRODUCCIÓN La mayoría de los sistemas de refrigeración y los procesos industriales generan calor que se debe extraer y ser disipado. El agua puede ser utilizada como medio de transferencia de calor para disipar el calor de los intercambiadores y/o equipos en diversos procesos industriales. Las Torres de enfriamiento son intercambiadores de calor de contacto directo que utilizan el agua como medio de enfriamiento con la ventaja de que tienen un bajo consumo energético en comparación con otros sistemas que cumplen la misma función. En esta experiencia se estudian y aplican los principios básicos del enfriamiento evaporativo mediante la caracterización del relleno de una torre de enfriamiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudiar el proceso de enfriamiento evaporativo de una Torre de enfriamiento de tiro inducido bajo diferentes condiciones de trabajo.
Conocer la disposición y el funcionamiento de las partes y componentes de las torres de enfriamiento.
Realizar la caracterización del relleno de una torre de enfriamiento. OBJETIVOS Establecer la influencia que tiene el flujo másico de agua y el de aire sobre el proceso de enfriamiento de la torre. OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento térmico, el funcionamiento y las características más relevantes de una torre de enfriamiento.
Representar gráficamente el comportamiento de la torre mediante la elaboración del diagrama entálpico H vs T del proceso de enfriamiento. Graficar la característica del relleno Kx*a como función de la relación L/G y establecer la correlación existente entre estas.
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MARCO TE ÓRICO
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. Es un proceso económico comparado con otros equipos de enfriamiento. - Funcionamiento: El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre.
De Tiro Mecánico: El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios. El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, de dos maneras: Tiro Inducido o Tiro Forzado.
- Aplicaciones: El uso principal de grandes torres de enfriamiento se encuentra en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural, etc. Tipos de Torres de enfriamiento:
De Tiro Natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 ft de alto y 400 ft de diámetro), se utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm. Son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas.
• 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.
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La función del relleno es brindar mayor tiempo y área de contacto del aire con el agua. Debe provocar poca resistencia al paso del aire y mantener una distribución uniforme del agua durante todo su recorrido.
Teoría de Merkel: La teoría considera el flujo de masa y energía del agua a la interfase y de la interfase a la masa gaseosa. Cuando el flujo cruza estas dos fronteras, cada una ofrece una resistencia a la transferencia de materia y energía, que resulta en gradientes de temperatura, entalpía y de humedades.
Componentes de Una Torre de Enfriamiento:
Merkel demostró que la transferencia total de calor es directamente proporcional a la diferencia entre la entalpía del aire saturado a la temperatura del agua y la entalpía del aire en el punto de contacto con el agua:
Donde: Q: calor total transferido Btu/h. K: coeficiente total de transferencia lb/h pie^2. S: Área de transferencia pie^2.
Equipo Mecánico Motores).
(Ventiladores
S= a*V donde a es el área interfacial y V es el volumen efectivo de la torre.
y
hw: Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura del agua.
Sistema de Distribución del Agua.
ha: Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo húmedo.
Sistema de Distribución de Aire. Relleno. Eliminadores de Desviación.
PROCEDIMIENTO Base Recolectora de Agua Fría. Desviadores del Flujo de Aire.
Los siguientes pasos se deben realizar para varios caudales de operación de la torre:
Cubiertas de Distribución.
Función del relleno:
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Verificar que las válvulas involucradas en el proceso estén cerradas.
Encender la caldera y esperar que comience la producción de vapor.
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Tomar la medida de las dimensiones del relleno
Purgar la bomba pequeña mediante la apertura de la válvula proveniente del acueducto.
.
Tomar las temperaturas leídas por las termocuplas que están ubicadas en la entrada y salida de la torre; estas van a ser las temperaturas de entrada y salida del agua (Interfaz de LabVIEW).
Llenar la tabla de datos.
Abrir la válvula que se interpone al paso del agua proveniente de la bomba hacia la torre de enfriamiento. . Abrir la válvula de acceso de agua del tanque de almacenamiento.
Encender la bomba y verificar el paso de agua. Esta agua es la encargada de recorrer el intercambiador para obtener la temperatura de entrada a la torre.
Abrir la válvula que permite el paso de vapor hacia la torre. Escoger un caudal regulando manualmente la válvula de paso de agua Medir el cauda tomando el tiempo que le lleva llenar un volumen conocido. Medir el cauda tomando el tiempo que le lleva llenar un volumen conocido. Medir la velocidad del aire que sale por el ventilador con un anemómetro digital.
La temperatura de entrada del agua a la torre de enfriamiento debe permanecer constante para los caudales que se trabajen. Esto se logra controlando la entrada de vapor proveniente de la caldera al intercambiador. MODELOS MATEMÁTICOS APLICADOS La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación: 𝐿 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇1 − 𝑇2) = 𝐺 ∗ (ℎ2 − ℎ1) Dónde: L: Flujo másico de agua en [kg/s] T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en [°C] G: Flujo másico de aire en [kg/s] h1 y h2: Entalpía de entrada y salida del aire en [KJ/Kg] Cp: Calor específico del agua [KJ/Kg°C]
Medir la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa del ambiente con el sensor de temperatura suministrado en la práctica.
Es posible evaluar el anterior balance de energía en forma diferencial entre dos puntos internos de la torre de la siguiente manera:
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𝐿 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑑𝑇 = 𝐺 ∗ 𝑑𝐻 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. La siguiente ecuación se conoce como característica termodinámica. Se define una curva característica del fabricante que relaciona el valor de Ka*V/L, con la relación agua-aire L/G, su cálculo se efectúa de manera experimental.
Tabla 2. Datos del Agua
Toma
Volumen [m^3]
Tiempo agua [s]
1 2 3 4 5
0.0039 0.0016 0.0013 0.001225 0.0009
10.3 5.2 5 5 4.9
Temperatura Entrada Agua [°C] 35.06 34.93 34.94 34.96 35.34
Temperatura Salida Agua [°C] 27.4 28.05 29.33 29.92 30.61
Tabla 3. Datos de la Torre
Diámetro Chimenea
0.31[m]
Alto relleno
0.75[cm]
Espesor Relleno
0.59[m]
Ancho Relleno
0.59[m]
CÁLCULO TIPO
0,0755[m^2]
Tabla 1. Datos del Ambiente
1
Humedad Relativa [%] 74.4
Temperatura Bulbo Seco [°C] 28.8
Velocidad del aire [m/s] 4.3
2
70.4
28.7
4.5
3
69.2
28.8
4
4
68.6
29.8
4.1
5
78.6
28
4.1
Toma
Se realiza el siguiente proceso para el cálculo de los flujos másicos del aire y del agua, (se utiliza el softwa1028.re EEs):
5
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La entalpia del aire en el estado de saturación se evalúa a la temperatura del agua mediante siguiente ecuación de EES:
Para encontrar los valores correspondiente al número de unidades de difusión requeridas para cada caso se emplea la siguiente metodología: CASO 1
0.8511 0.3773 0.3286 4.18 4.085 28.8 0.744
MEDICION 1 T
Tabla 4. Flujo Másico Agua y Aire Toma
Qw[m^3/s]
1 2 3 4 5
0.0003786 0.0003077 0.00026 0.000245 0.0001837
Qa[m^3/s]]
0.3247 0.3398 0.302 0.3096 0.3096
𝑚̇ 𝑤̇ [Kg/s]
𝑚̇̇𝑎[Kg/s]
0.3773 0.3065 0.2589 0.2439 0.1828
0.3286 0.3446 0.3064 0.3125 0.314
H*
H
H*-H
(H*-H)prom
Cp*ΔT/(H*-H)prom
27,40
94,20
82,39
11,81
28,25
98,64
86,48
12,16
11,99
0,2968
29,10
103,30
90,57
12,73
12,45
0,2858
29,95
108,10
94,65
13,45
13,09
0,2718
30,80
113,10
98,74
14,36
13,90
0,2559
31,66
118,30
102,83
15,47
14,91
0,2385
32,51
123,70
106,92
16,78
16,13
0,2206
33,36
129,30
111,01
18,29
17,54
0,2029
34,21
135,20
115,09
20,11
19,20
0,1853
35,06
141,30
119,18
22,12
21,11
0,1685
Calculamos la entalpia del aire a su respectiva temperatura para el primer valor de cada caso. ( Ecuación del EES )
6
NUDreq
2,1261
Kx*a
3,0747
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CASO 3
CASO 2
0.7644
0.6233
0.3065
0.2589
0.3446
0.3064 4.18
4.18
2.201
2.842
28.8
28.7
0.692
0.704
MEDICION 3
MEDICION 2 T 28,05
H*
H
H*-H
97,58
79,02
18,56
28,81 101,70
81,86
19,82
(H*-H)prom
19,19
T
Cp*ΔT/(H*-H)prom
0,16650297
H*
H
H*-H
(H*-H)prom
Cp*ΔT/(H*-H)prom
29,33 104,50 78,54
25,99
29,95 108,10 80,74
27,33
26,66
0,097726707
111,70 82,94
28,77
28,05
0,092883922
29,58 105,90
84,70
21,23
20,525
0,155673179
30,58
30,34 110,30
87,55
22,79
22,01
0,145170014
31,20 115,50 85,14
30,31
29,54
0,088198849
31,11 114,90
90,39
24,51
23,65
0,135103256
31,82 119,30 87,34
31,97
31,14
0,083667116
31,87 119,60
93,23
26,39
25,45
0,125547819
32,45 123,30 89,55
33,75
32,86
0,079287705
32,64 124,50
96,07
28,46
27,425
0,116506545
33,07 127,40 91,75
35,64
34,70
0,075094221
33,40 129,60
98,91
30,70
29,58
0,108018661
33,69 131,60 93,95
37,65
36,65
0,071098213
39,80
38,73
0,06727938
42,07
40,94
0,063647099
34,17 134,90 101,80
33,13
31,915
0,100115682
34,32 135,90 96,15
34,93 140,40 104,60
35,76
34,445
0,092762143
34,94 140,40 98,35
NUDreq Kx*a
1,145400269 1,3445622
7
NUDreq
0,718883212
Kx*a
0,712825981
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CASO 4 CASO 5 0.56 0.2439
0.525
0.3125
0.1828
4.18
0.314
1.827
4.18
29.8
1.277
0.686
28 0.786
MEDICION 4 T
H*
29,92 30,48 31,04 31,60 32,16 32,72 33,28 33,84 34,40 34,96
107,90 111,10 114,50 117,90 121,40 125,10 128,80 132,60 136,50 140,60
H
H*-H
82,15 25,72 83,98 27,16 85,81 28,68 87,63 30,29 89,46 31,99 91,29 33,78 93,11 35,68 94,94 37,67 96,77 39,77 98,60 41,98 NUDreq Kx*a
(H*-H)prom
Cp*ΔT/(H*-H)prom
MEDICION 5 26,44 27,92 29,49 31,14 32,89 34,73 36,68 38,72 40,88
0,088532526 0,083839542 0,07938952 0,075170199 0,07118139 0,067399942 0,063825494 0,060454545 0,057267278 0,647060437 0,604435238
T
H*
30,61 31,14 31,66 32,19 32,71 33,24 33,76 34,29 34,81 35,34
111,90 115,10 118,30 121,60 125,00 128,50 132,10 135,80 139,50 143,40
8
H
H*-H
82,02 29,89 83,30 31,77 84,57 33,73 85,85 35,77 87,13 37,89 88,41 40,10 89,68 42,40 90,96 44,79 92,24 47,28 93,52 49,86 NUDreq Kx*a
(H*-H)prom
30,83 32,75 34,75 36,83 38,995 41,25 43,595 46,035 48,57
Cp*ΔT/(H*-H)prom
0,071180668 0,067007634 0,063151079 0,059584578 0,056276446 0,053200000 0,050338342 0,047670251 0,045182211 0,513591208 0,359572857
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TABLA COMPARATIVA
TABLA COMPARATIVA MEDICION L/G NUDreq Kx*a 1,14912 2,1261 3,0747 1 0,88944 1,14540027 1,3445622 2 0,84497 0,71888321 0,71282598 3 0,78048 0,64706044 0,60443524 4 0,58217 0,51359121 0,35957286 5
L/G 1,14912 0,88944 0,84497 0,78048 0,58217
CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO PARA LA TORRE EN CADA CASO
Kx*a 3,0747 1,3445622 0,71282598 0,60443524 0,35957286
CASO
9
1
12.08
2
8.81
3
6.07
4
5.14
5
3.61
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ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Al graficar las entalpías contra la temperatura podemos concluir que la torre seleccionada cumple con los requerimientos establecidos pues en ninguna gráfica se cruzaron las líneas de las entalpías, entonces al no presentarse saturación se puede asegurar que la torre es adecuada. En general se puede concluir que existe una relación directa de aumento entre el NUDreq y el flujo másico de agua, es decir a mayor flujo másico de agua hay mayor NUDreq. La temperatura límite de enfriamiento en la torre es la temperatura de bulbo húmedo donde ocurre la máxima transferencia de calor. En la gráfica de Kx*a VS L/G se puede observar una relación directa entre estos dos parámetros, lo que quiere decir que si la relación entre la masa de agua y la masa de aires es mayor, entonces mayor será el valor de Kx*a. Se identificó que la torre tendrá un comportamiento determinado desde tres puntos de vista: variación de L/G, aproximación y rango; en cada caso referente a la temperatura de entrada del agua a la torre, rata de agua y condiciones ambientales (Graficas entalpia vs Temperatura).
BIBLIOGRAFÍA
Incropera, Frank p. Fundamentos de la transferencia de calor, Prentice hall, México 1999.
Transferencia de calor CENGEL, Yunus A.
DONALD Q. KERN. Procesos de Transferencia de Calor. México: McGraw Hill, 1999.
http://www.si3ea.gov.co/Eure/11/inicio.html>. Módulo de Torres de enfriamiento.
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