TORRES DE ENFRIAMIENTO
Torres de Enfriamiento Uso: Enfriamiento de corrientes acuosas procedentes de procesos de refrigeración. Fundamento: La transferencia de calor y materia del agua al aire mediante el contacto en contracorriente de ambas fases. Mecanismos de enfriamiento: • Convección forzada (ΔT). • Transferencia de vapor hacia el aire (λ). Tipos: • Circulación natural. • Circulación forzada.
Circulación Natural • Dos Tipos: ¾ Atmosféricas (Flujo cruzado) ¾ Tiro natural (Contracorriente) ¾ Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el húmedo caliente y el atmosférico.
Movimiento del aire en la torre
Circulación Natural Dos Tipos: ¾ ¾
Atmosféricas (Flujo cruzado) Tiro natural (Contracorriente) Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el húmedo caliente y el atmosférico. ¾ Óptimo para grandes caudales de agua. ¾ Bajos costes de mantenimiento. ¾ Rendimiento = f (humedad y temperatura atmosférica). ¾ Formación de nieblas (contaminante térmico). ¾ Aplicación fundamental: centrales térmicas. ¾
Tiro natural ¾ Elevadas altura y sección que facilitan el tiro ascendente ¾ 100 m ≤ H ≤ 150 m ¾ 80 m ≤ D ≤ 100 m
¾ Velocidad del aire: u = 1-2 m/s ¾ Rellenos poco compactos ⇒ ΔP ↓ ¾ Alimentación del agua mediante distribuidores o sprays ¾ Carcasa de madera o ferrohormigón.
Torres de Enfriamiento de Tiro Mecánico
CARACTERÍSTICAS GENERALES • Proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. • Son torres compactas con sección transversal y altura de bombeo pequeñas en comparación con las de tiro natural. • Proporcionan un control preciso de la temperatura del agua a la salida.
CLASIFICACIÓN • Tiro forzado: Ventilador situado en la entrada de aire.
• Tiro inducido: Ventilador situado en la zona de descarga de aire.
TORRES DE TIRO FORZADO • Descarga de aire a baja velocidad por la parte superior de la torre. • Flujo en contracorriente (normalmente). • Más eficientes que TI. • Aire frío de mayor densidad que TI. • Mayor duración del equipo que TI. • Inconvenientes: Puede existir recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión (creada por el ventilador en la entrada de aire).
• Flujo Contracorriente: • Flujo cruzado:
TORRES DE TIRO INDUCIDO • Flujo contracorriente:
• Flujo cruzado:
FLUJO EN CONTRACORRIENTE • Movimiento vertical del aire a través del relleno. • Ventajas: – Máximo rendimiento (agua más fría contacto aire más seco). – Reducción de la altura de entrada de aire.
• Desventajas: – Arrastre suciedad (elevada velocidad entrada aire). – Gran pérdida de presión estática, aumento de potencia de ventilación.
FLUJO CRUZADO • Movimiento del aire perpendicular al agua que cae. • Ventajas: – Menor altura (altura torre igual a altura relleno). – Fácil mantenimiento (inspección sencilla de componentes internos).
• Desventajas: – No recomendable cuando se requiere un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeñoÆmás superficie transversal y más potencia de ventilación.
Empaques de Torres de Enfriamiento
Teoría de los proceso de Enfriamiento con aire
Aproximación
Rango
Parámetros de Diseño Cooling of water in process plants is accomplished most economically on a large scale by contacting it with air in packed towers. For reasons of economy, the tower fill is of a highly open structure. Efficient ring and structured packings of the sort used for distillation and other mass transfer processes are too expensive and exert too high a power load on the fans. Standard cooling tower practice allows a maximum of 2in. of water pressure drop of the air. Water loadings range 500-2000 lb/(hr)(sqft) or l-4 gpm/sqft. Gas loadings range 1300-Mlb/(hr)(sqft) or between 300 and 4OOft/min. The liquid to gas ratio L/G normally is in the range 0.75-1.50 and the number of transfer units or the tower characteristic, HTU = k,Z/L, vary from 0.5 to 2.50.
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 1. Estimación de la temperatura húmeda y selección de la aproximación de temperatura. Aproximación: 4- 6 ºC Rango: 50 ºC hasta 32 ºC Condiciones del aire: 38 ºC y Tw: 27 ºC
Temperaturas de bulbo húmedo
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 2. Selección del tipo de torre. Tiro inducido, Paneles de 9,75m*9,75m, 4 ventiladores de 3,66 m de diámetro 3. Calculo de la Sección Transversal (Aire/Agua): 1 a 1,5 kg aireseco/kg agua. Valor típico 1,25. Velocidad del aire: 1,83 a 2,44 m/s. Valor típico 2,13 m/s
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento Se tiene entonces que: G=1,25*L (L: cantidad de agua de enfriamiento que circula en el proceso) Con la temperatura del aire de bulbo seco y húmedo se determina el volumen húmedo y posterior el área transversal total requerida en el equipo:
G*Vh A= v
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento El numero de celdas es calculado a partir del área total y el área por panel: # celdas = AT/Acelda Debe ser un numero entero, de no serlo se aproxima al inmediato superior. Se recalculan los flujos másicos por unidad de área transversal de cada celda. G’’ = G/A L’’ = L/A
v = G "*Vh
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento Obtener la velocidad real del aire.
v = G"*Vh 4. Caudal de humectación Calculamos el caudal mínimo de humectación Lmin’’ = CMH*a’*ρL El “CMH” es el caudal de humectación mínimo (0,08 m3/h), a’ es el área superficial entre el volumen del lecho, para rejas de madera aserradas de dimensiones de 2*2*3/8 de pulgadas es de 42,65 m2/m3
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento Con: VG/VL = (G’’/L’’)*Vh*ρL y el tipo de empaque leemos en la grafica contigua el caudal máximo de carga L’’máx
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 5. Evaluación de las condiciones de operación. Del balance de energía en la torre de enfriamiento se obtiene la entalpía del aire de salida i2 = L*cp/G*(T2 – T1) + i1 El número de unidades de transferencia se obtiene de: i2
NG =
∫
i1
di i * −i
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 6. Calculo de la altura del relleno. Para estimar la altura del relleno se debe construir el diagrama de equilibrio a partir de:
I = (0,24 + 0,46*Y ) *T + 597,2 *Y
Trazar la línea de operación en el diagrama de equilibrio, con las condiciones de operación de la torre.
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento Dado que no se conocen los coeficientes individuales de transferencia de masa y calor, se supone que toda la resistencia a la transferencia de masa se encuentra en la fase gaseosa de modo de trazar líneas de unión verticales.
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento T Ii (ºC) ( kcal kgAs
I kcal kgAs
1/(Ii-I) kgAs kcal
32 34 36 38 40 42 44 46 48
13.766 15.387 17.007 18.628 20.249 21.869 23.490 25.111 26.731
26.393 29.350 32.598 36.159 40.053 44.301 48.922 53.938 59.370
0.079 0.072 0.064 0.057 0.050 0.045 0.039 0.035 0.031
50
28.352
65.237
0.027
1/(Ii-I)prom. kgAs kcal 0.075 0.068 0.061 0.054 0.048 0.042 0.037 0.033 0.029
ΔI kcal
kgAs 1.621 1.621 1.621 1.621 1.621 1.621 1.621 1.621 1.621 Σ=
ΔI ( Ii − I ) prom . 0.122 0.110 0.098 0.087 0.077 0.068 0.060 0.053 0.047 0.722
De la Tabla anexa se obtiene el NG (numero de unidades de transferencia)
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 7.Calculo de la altura de una unidad de transferencia: HG = G’’/(KHa) KHa = 6,72*G’’0,75 La altura del relleno (Z) es: Z = NG*HG
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 8. Calculo de la altura de la torre de enfriamiento. Altura de la torre = Z + 0,2*Z +2m Z[=] m 0,2 : corresponde a un 20% de la altura, como un estimado de la altura de la piscina. 2m : corresponde a la altura correspondiente al sistema de ventilador, soporte y rociamiento de agua.
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 9. Calculo de la caída de presión a través del relleno. Δ P = 3,94 E − 10 * ( 9 ,85 * Z + 5 ) * G " 2 *Vh Z = altura del relleno, m. G” = Flujo transversal del gas, en kgAs m2 * h Vh = Volumen húmedo a la entrada, en m3 kgAs ΔP’ [=] cm H2O (el valor máximo es 5 cm H2O)
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 10. Calculo de la potencia requerida por el ventilador. P(kW ) = 2,72 E − 6 / 1E 2 * G * ΔP * ρ agua * Vh / Ev
Donde: ΔP = Caída de presión, en cmH2O. Vh = Volumen húmedo de gas en la parte superior , en . G = Flujo de gas, en . ρ Agua = densidad del agua, en . EV = Rendimiento del ventilador = 0.6
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento 11. Cálculo de agua de reposición o makeup. El agua de reposición es la sumatoria de las perdidas por evaporación, por arrastre, por purga y por venteo. -Perdidas por evaporación: We = 0,00085*Wc*(T1 – T2) Wc es el agua recirculada en galones por minuto, (T1 – T2) es temperatura de entrada menos la temperatura de salida en ºF del agua.
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento -Las pérdidas por arrastre (Wa) representan entre un 0,1 a 0,2 % del agua recirculada, en este caso se tomó un 0,2% Wa = 0,2*Wc/100 -La purga (Wp) se calcula mediante la siguiente ecuación: Wp = We*XM/(Xc –XM) – Wa Xc es la concentración de iones Cl - en la recirculación (Tomándose 9 ppm) y XM es la concentración de iones Cl - en la reposición (Se tomó 1 ppm).
Método de Cálculo de Torres de Enfriamiento -Agua de reposición = We + Wa + Wp
