ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS GRUPO B1 – SUBGRUPO 03 16 DE AGOSTO DEL 2016, I SEMESTRE ACADÉMICO DE 2016
LABORATORIO 7 : TORRES DE ENFRIAMIENTO Kevin Francesco Monroy 2103260 Cristian Alejandro Ruiz F Bautista 2112175
Helbert Arned Valencia Herrera 2111102 Simón Daniel Beltrán Ch 2090410
INTRODUCCIÓN 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.
José Miguel Navas Orduz 2112151
Andres Gamez
Brandont Alexis
2114568
2113639
- Elaborar la grafica característica del relleno Kx*a como función de la relación L/G analizando la relación que tiene estas dos. PROCEDIMIENTO ESQUEMA DE LA PRACTICA
En esta experiencia se estudian y aplican los principios básicos del enfriamiento evaporativo mediante la caracterización del relleno de una torre de enfriamiento. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estudiar el comportamiento térmico, su funcionamiento y las principales características de una torre de enfriamiento. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
-
Observar el proceso de enfriamiento evaporativo de una Torre de enfriamiento de tiro inducido a partir de diferentes condiciones como distintos caudales y distintas velocidades del ventilador.
-
Conocer como está conformada una torre de enfriamiento, entendiendo para que sirve cada parte de esta.
Componentes de la practica 1. Salida de aire de la torre (vapor saturado)
-
Hacer la caracterización del relleno de una torre de enfriamiento.
2. Entrada de aire a la torre (bulbo húmedo)
- Analizar la influencia que tiene el flujo másico de agua y el
3. Medidor de Flujo
de aire sobre el proceso de enfriamiento de la torre de enfriamiento.
4. Bomba para el flujo de agua en la torre 5. Intercambiador de Calor (Condensador)
- Graficar el comportamiento de la torre a partir de la elaboración del diagrama entálpico H VS T del proceso de enfriamiento.
6. Entrada de vapor proveniente de la Caldera
1
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Termocuplas 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Tdb (Bulbo Seco) Temperatura Entrada Temperatura Salida TOMA 3 Velocidad Ventilador Humedad Relativa Tdb (Bulbo Seco) Temperatura Entrada Temperatura Salida
Temperatura de bulbo húmedo en la salida de aire. Temperatura de bulbo húmedo en la entrada de aire. Temperatura de bulbo seco a la salida de la torre. Temperatura del agua en la salida de la torre. Temperatura de bulbo seco a la entrada de la torre. Temperatura del agua a la entrada de la torre.
Primeramente se debe comprobar que estén cerradas la válvula de entrada de vapor en el intercambiador de calor, la válvula de acceso de agua al tanque de almacenamiento (ubicada en la succión de la bomba) y la válvula de entrada de agua a la caldera. Teniendo encendida la caldera esperamos que se produzca vapor.
1,1 m/s 70,8% 28,1 °C 31 °C 29 °C
Los datos medidos para una misma velocidad de ventilador y diferente caudal de agua fueron:
VELOCIDAD VENTILADOR CONSTANTE Velocidad Ventilador = 4 m/s TOMA 1 Humedad Relativa 70% Tdb (Bulbo Seco) 28,03 °C Temperatura Entrada 31,8 °C Temperatura salida 29,06 °C 1,88 LPM = 3,13x10-5 Caudal m3/s TOMA 4 Humedad Relativa 67,2% Tdb (Bulbo Seco) 28,1 °C Temperatura Entrada 33,5 °C Temperatura Salida 29,8 °C 0,981 LMP = 1,63x10Caudal 5 m3/s
Se debe medir la geometría del relleno de la torre. Se debe purgar la bomba mediante abriendo la válvula que trae agua del acueducto. Luego se abre la válvula proveniente de la bomba llevando agua a la torre de enfriamiento habiendo también la válvula de acceso de agua al tanque de almacenamiento. Encender la bomba tomar su caudal el que recorre el intercambiador para obtener la temperatura de entrada a la torre. Luego se enciende el ventilador y tomamos la velocidad del aire a través del anemómetro Posteriormente medimos la humedad relativa del aire por medio del higrómetro. Luego se abre la válvula que permite el paso de vapor hacia la torre. Se selecciona un caudal regulando manualmente la válvula de paso de agua. Tomamos la lectura del caudal y las temperaturas leídas por las termocuplas, las de entrada y salida de agua de la torre y la temperatura de bulbo seco del aire. Estos mismo pasos se deben realizar para diversos caudales de operación de la torre de enfriamiento. De igual forma se proceden a tomar datos para un mismo caudal y diversas velocidades de ventilador.
28 °C 29,35 °C 27,4 °C
Calculando la densidad del agua con P=Patm y T=Tsalida del agua para cada toma por medio del programa EES tenemos:
NOTA: Es importante resaltar que 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 y verificando dicha temperatura con el termómetro de caratula dispuesto a la entrada de la torre. CALCULO TIPO Los datos medidos en la práctica para un mismo caudal fueron:
CAUDAL CONSTANTE Q = 1,88 LPM = 3,13x10-5 m3/s TOMA 1 Velocidad Ventilador 4 m/s Humedad Relativa 70% Tdb (Bulbo Seco) 28,03 °C Temperatura Entrada 31,8 °C Temperatura Salida 29,06 °C TOMA 2 Velocidad Ventilador 2,8 m/s Humedad Relativa 71% 2
Densidad
Kg / m3
TOMA 1
995,9
TOMA 2
996,4
TOMA 3
996
TOMA 4
995,7
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A partir de la fórmula para calcular el flujo másico tenemos
Hallamos la presión de saturación a la Tdb (Temperatura de Bulbo Seco). Para esto puede utilizar la siguiente ecuación (tomada del libro de termodinámica del profesor Maradey)
�̇ [�� / ���] = �[�g /�3] ∗ �[̇ �3/ ���] Toma
Caudal
Densidad
Flujo Másico
1
3,13x10-5 m3/s
995,9 kg/m3
0,03117 Kg/s
3
0,03118 Kg/s
3
2
3,13x10-5 m /s
996,4 kg/m
3
3,13x10-5 m3/s
996 kg/m3
0,03117 Kg/s
4
1,63x10-5 m3/s
995,7 kg/m3
0,01622 Kg/s
Calculamos el área de salida del flujo de aire de la torre con el diámetro de salida medido en la práctica D_sal = 0,31 m
Donde:
Toma
Tdb (Bulbo Seco)
Presion Saturación
1
28,03 °C
3787,6 Pa
2
28 °C
3781 Pa
3
28,1 °C
3803,1 Pa
4
28,1 °C
3803,1 Pa
���� �� ������ ��� ���� =�/4∗ (0,31)2 = 0,0755 [�2] Calculamos la densidad del aire con T=Tdb, P=Patm y la humedad relativa del aire a la entrada con el programa EES:
ENTALPIA DE AIRE NO SATURADO H. A partir del programa EES primeramente calculando la humedad específica y así determinar la temperatura de bulbo húmedo para calcular la entalpia de aire no saturado partir de las siguientes funciones para la primera toma tenemos: Toma 1 2 3 4
Densidad Aire 1,16 kg/m3 1,16 kg/m3 1,16 kg/m3 1,161 kg/m3
Luego procedemos a calcular el flujo másico teniendo en cuenta el área de salida de aire y la velocidad de de este a partir de la ecuación: �̇ [k�/���] = �[��/� ] ∗ ��� [�/���] ∗ Á���[� ] 3
Teniendo en cuenta que el área de salida de aire fue la misma para todas las tomas Área de Salida de aire = 0,0755 m 2 Toma
Donde los resultados fueron:
2
ω = 0,0178 Twb = 24,39 °C h1 = 73,59 kJ/kg
Densidad Aire
Velocidad aire
Flujo Másico
1
1,16 kg/m3
4 m/s
0,350 kg/s
CALCULO DEL INCREMENTO:
2
1,16 kg/m3
2,8 m/s
0,245 kg/s
3
1,16 kg/m3
1,1 m/s
0,096 kg/s
Calculamos el incremento de la entalpia para cada intervalo de temperatura de agua, el diferencial de temperaturas (Delta T) se hará para 10 intervalos. Las ecuaciones son:
4
1,161 kg/m3
4 m/s
0,350 kg/s
������ = � ∗ ∆� � = (����� ∗ ��) / �����̇̇ Para la primera toma de datos será: 3
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∆� = (�� − ��) / 10
Temperatura [°C] 31,8 31,51 31,23 30,95 30,66 30,36 29,9 29,62 29,34 29,06
∆� = (31,8 − 29,06)°C / 10 = 0,274 °C El incremento de la entalpia para cada intervalo de temperatura de agua será: �1 = ℎ1 + ������ Para la primera temperatura la cual será la de entrada de agua a la torre el cálculo será:
H_saturado [kJ/kg] 109,5 107,8 106,3 104,7 103,2 101,6 99,16 97,71 96,28 94,87
RESTA DE LAS ENTALPIAS CALCULO DE LOS VALORES PROMEDIOS DE ESTAS A continuación se muestra el valor de las entalpias de aire no saturado y saturado para cada temperatura de agua de la primera toma de datos con su respectiva resta entre estas y su valor promedio
Los resultados fueron: ω_ent = 0,0209 Twb = 27,14 °C h_ent = 85,43 KJ / kg Calculamos el � con el respectivo Cp ; �agua; �aire: � = (0,03117 Kg/s*4,18 kJ/kg)/0,350 kg/s = 0,372 kg H_1 = 85,43 + 0,372*0,274 = 85,53 kJ/kg De igual forma se hace el mismo calculo para las siguientes temperaturas. Los resultados fueron:
Temperatura [°C] 31,8 31,51 31,23 30,95 30,66 30,36 29,9 29,62 29,34 29,06
h [kJ/kg] 85,43 84,23 83,08 81,94 80,78 79,59 77,8 76,72 75,65 74,6
H [kJ/kg] 85,53 84,33 83,18 82,04 80,88 79,69 77,9 76,82 75,76 74,7
T [°C]
H*[kJ/kg]
H [kJ/kg]
H* - H
[H* - H] Prom
31,8 31,51 31,23 30,95 30,66 30,36 29,9 29,62 29,34 29,06
109,5 107,8 106,3 104,7 103,2 101,6 99,16 97,71 96,28 94,87
85,53 84,33 83,18 82,04 80,88 79,69 77,9 76,82 75,76 74,7
23,97 23,47 23,12 22,66 22,32 21,91 21,26 20,89 20,52 20,17
23,72 23,295 22,89 22,49 22,115 21,585 21,075 20,705 20,345
En los anexos se encuentran las tablas de resultados para cada toma de datos CALCULO DE NUMERO DE UNIDADES DE DIFUSION REQUERIDAS A partir de la formula de NUDreq calculamos para cada temperatura de la primera toma el número de unidades requeridas: ������ = ∆� ∗ �� / (�* − �)���� Los resultados fueron los siguientes: NUD Requerido
ENTALPIA DE AIRE SATURADO
0,0482 0,0491 0,0500 0,0509 0,0517
La entalpia de saturación será cuando la humedad relativa sea R = 1 a la temperatura del agua en la torre para la primera toma de datos. Esta entalpia la encontramos a partir de la siguiente función en EES para el intervalo de temperaturas:
4
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0,0530 0,0543 0,0553 0,0562
Observando las graficas de entalpia vs temperatura podemos concluir que la entalpia disminuirá a al perder temperatura como se esperaba y la entalpia de saturación en todos los casos fue mayor a la no saturada debido a que el aire va a contener mayor humedad ganada durante su paso por la torre al estar saturado.
Otra característica importante en el análisis de resultados se encontró en la toma de datos para cuando mantuvimos constante el caudal y reducimos la velocidad del ventilador nos dimos cuenta que la relación L/G es inversamente proporcional a la característica del relleno Kx*a por la torre haciendo que esta dependa de la velocidad del ventilador y los flujos que agua aire que pasan por la torre.
Por medio de las tablas concluimos que a medida que disminuimos el caudal manteniendo constante la velocidad del ventilador el NUD_Req por la torre disminuyo es decir que el numero de NUD_Req es directamente proporcional al caudal del agua, por tanto a mayor flujo de agua se tiene mayor número de unidades requeridas.
Por tanto ∑������ = 0,469 Para el volumen del relleno de la torre tenemos lo calculamos a partir de sus dimensiones las cuales son: Ancho= 0,59 [m] Alto= 0,75 [m] Espesor= 0,59 [m]
������� = ℎ ∗ � ∗ � ������� = 0,75[m]*0,59[m]*0,59[m] ������� = 0,261 m3 Las características de relleno para la primera toma de datos las encontramos a partir de la igualdad donde las NUDreq = NUDdisp donde: NUDdisp = �� ∗������� / ����� NUDreq = 0,469 = (��* 0,261) / 0,03117 �� = 0,056
BIBLIOGRAFIA - MARADEY, Juan F. Termodinámica aplicada. Colombia: Ediciones Universidad Industrial de Santander, 2002.
De igual forma se hace para las demás tomas, donde los resultados fueron: Toma 1 2 3 4 5
Ka 0,056 0,045 0,042 0,056 0,036
- CENGEL, Yunes A. y Boles, Michael A. Termodinámica. México, D.F: Mc Graw Hill, 2012. - [1] E-URE, Torres de enfriamiento. [En línea] (3 Marzo 2016) Disponible en: http://www.si3ea.gov.co/Eure/11/inicio.html
ANALISIS DE RESULTADOS
A partir de los datos tomados y los resultados podemos concluir que la características del relleno dependen de los parámetros de entrada de la torre, es decir del flujo másico del agua, aire, que hacen variar la temperatura de salida de agua que determina el NUD_Req.
Al analizar el comportamiento de las NUD_Req para cada toma de datos podemos concluir que a mayor diferencia de temperatura entre la entrada y salida de agua este fue más alto para el caso de la toma 4 donde ΔT = 3,7 °C el NUD_Req = 3,7 se tuvo la mayor diferencia y el mayor número de unidades requeridas en concordancia con la teoría.
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