PRACTICA Nº2 TEMA
: ENSAYOS EN TORRES DE ENFRIAMIENTO
I
OBJETIVO :
1.1
OBJETIVOS GE GENERALES: Aplicar los fundamenos de la psicromeria en un prooipo e!perimenal de Torre de Enfriamieno de Tiro "or#ado.
1.$
OBJETIVOS ES%E&I"I&OS: ♦
Reali# Reali#ar ar un Balan Balance ce de 'aeri 'aeriaa ( Ener)i Ener)iaa
en una una Torre Torre de de enfriam enfriamien ieno* o*
deermina+do su performance. ♦
,acer uso ( leer correcamene correcamene los -ia)ramas -ia)ramas %sicromericos
♦
Reconocer las pares de una Torre de Enfriamieno de Tiro "or#ado.
♦
Inesi)ar acerca de las aplicaciones indusriales de las Torres Torres de Enfriamieno Enfriamieno en nuesra localidad a raes de una isia /cnica.
II
TIEMPO : 0 oras
III
FUNDAMENTO TEORICO :
Los sisemas de enfriamieno son de )ran imporancia para odo ipo de procesos* so+re odo en el secor indusrial* al es as2 3ue se uili#an las orres de enfriamieno. 4na orre de enfriamieno* es un disposiio cu(a finalidad es e!raer calor del a)ua a ra/s del conaco direco con el aire* eniendo m5liples aplicaciones. El proceso de ermoransferencia 3ue se produce en una orre de enfriamieno de a)ua* cual3uiera 3ue fuese su ipo* es el resulado de la ineracci6n enre el medio )aseoso refri)erane 7aire8 ( el fluido a enfriar 7a)ua8. En las orres el a)ua se encuenra en conaco direco con el aire 3ue la enfr2a ( el proceso de ransferencia de calor se reali#a en pare por inercam+io de calor sensi+le enre la fase l23uida ( la fase )aseosa* pero en ma(or medida por la formaci6n de apor de a)ua en la inerfase l23uido9)as ( su poserior difusi6n en el aire 3ue la circunda.
El proceso de ransferencia de masa enre el l23uido ( el aire* es 2nimamene relacionado con el de ransferencia de calor. En efeco* con el cam+io de fase desde l23uido a apor se a+sor+e calor lo cual da lu)ar a )radienes de emperaura en el aire ad(acene a la superficie l23uida. En mucos casos prcicos* las condiciones en 3ue se desarrollan am+os procesos son ales 3ue puede suponerse 3ue la difusiidad /rmica ( el coeficiene de difusi6n msico son i)uales* es decir el n5mero de Le;is es i)ual a la unidad.
CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO Las orres de enfriamieno modernas se clasifican de acuerdo por los medios por los 3ue se les suminisra aire. Todas emplean ileras ori#onales de empa3ue para suminisrar )ran superficie de conaco enre el aire ( el a)ua. Si el aire se succiona a ra/s de la orre mediane un enilador siuado en la pare superior de la orre* a eso se llama iro inducido. Si el aire se fuer#a por un enilador en el fondo de la orre ( se descar)a por la pare superior* es un iro for#ado. Las orres de circulaci6n naural son de dos ipos: amosf/ricas ( de iro naural. TORRES DE TIRO MECANICO Acualmene las orres de esa clase son las ms comunes ( de /sas la )ran ma(or2a son las orres de iro inducido. La preferencia acia las orres de iro inducido an sido mu( pronunciada durane esos die# a
am+i/n al)o ms de arrasre o p/rdidas de a)ua por )oas 3ue son arrasradas por la corriene de aire.
"i).1. Es3uema de una orre de enfriamieno de iro inducido
"i).$. Es3uema de una orre de enfriamieno de iro for#ado
TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL Son usadas ma(ormene en Europa ( en el oriene. La orre amosf/rica aproeca las
corrienes amosf/ricas de aire. El aire penera a ra/s de los rompeienos en una sola direcci6n* cam+iando con la esaci6n del a 6 ? millas por ora* la orre amosf/rica puede ser la ms econ6mica ( donde los cosos de ener)2a pueden ser alos* pueden ser preferi+les a elocidades de aire an +a=as como $ @ a 0 mp. %ueso 3ue las corrienes amosf/ricas peneran a odo el anco de la orre* las orres se acen mu( an)osas en comparaci6n con oros ipos* ( de+en ser mu( lar)as para una capacidad i)ual.
"i).0. Es3uema de una orre de enfriamieno de circulaci6n naural
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO
Las orres de enfriamieno uili#an calor laene de los l23uidos para enfriarlos. El proceso es fcilmene e!plica+le de la si)uiene manera: &uando un l23uido a ciera emperaura T L* enra en conaco con un )as inere a emperaura TG* ms +a=a 3ue T L* la pel2cula de l23uido 3ue es en conaco direco con el l23uido se eapora. %ara 3ue ese l23uido pueda cam+iar de fase* necesia o+ener ener)2a de al)5n lu)ar disponi+le la fuene ms cercana es el seno del l23uido* as2 3ue* al omar esa ener)2a se produce una disminuci6n de la emperaura de ese fluido. Ese es el principal proceso de los enfriadores por eaporaci6n al como se muesra en la fi)ura N C. La caracer2sica ms imporane para lo)rar un enfriamieno efecio es el rea de conaco enre el )as ( el l23uido* siendo la forma ms eficiene de acerlo al fraccionar el a)ua en la ma(or canidad de )oas posi+les. Sin em+ar)o se de+e ener en cuena de no reducir e!a)eradamene el ama
"i).C. Es3uema de enfriamieno por eaporaci6n
IV DE
ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO BALANCE CALOR.
El proceso 3ue ocurre en el inerior de la orre normalmene se le conoce como proceso de ransferencia de masa* ( se +asa en la si)uiene ecuaci6n:
739 Lo8 & TF G 7,$9,18
.........
718 -onde : 3 LF & TF G ,1 ,$
: : : : : : :
&anidad oal de calor e!ra2da del a)ua &alor laene de eaporaci6n del a)ua &alor espec2fico del a)ua Temperaura de in)reso del a)ua &anidad de aire 3ue circula por el inerior de la orre Enalp2a del aire a la enrada de la orre de enfriamieno Enalp2a del aire a la salida de la orre de enfriamieno
La ecuaci6n 718 se podr2a ealuar fcilmene sino fuera por3ue el alor de , $ no se puede calcular e6ricamene. Eso se de+e a 3ue no se pueden predecir las condiciones de salida del aire de la orre* lo 3ue depende de la )eomer2a de la empa3ueadura ( se mide como el facor de ransferencia de calor oal H !d . Ese facor depende de la superficie de conaco en el inerior de la empa3ueadura* es decir* mienras ma(or sea el rea de conaco efecia enre el aire ( el a)ua* el H !d de la orre ser ma(or. DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO %rimero enemos 3ue conocer la canidad de caudal oal de a)ua 3ue se desea enfriar*
desde una emperaura de enrada a la orre de enfriamieno T e asa una emperaura de salida del sisema Ts donde Ts Te. Normalmene de acuerdo a la e!periencia de mucos fa+ricanes* las orres de enfriamieno ra+a=an con car)as de aire 3ue oscilan enre los FF a 1KFF l+f $* ( con car)as de a)ua enre >FF ( $FFF l+f $. Enonces se puede empe#ar a definir los parmeros de la orre de la si)uiene manera: 9
%rimero especificar una car)a de a)ua para el dise
9
%ara esimar el rea de la orre se diide la car)a oal de a)ua de la orre por ora para la car)a de a)ua de dise
9
Se puede definir una car)a de aire fi=a como facor de dise ( 1.> 3ue pueden aumenar si)nificaiamene el coso del e3uipo.
9
%ara la alura de la empa3ueadura de la orre depende de su capacidad de ransferencia de calor* ( esa solo se puede deerminar e!perimenalmene.
%or oro lado la ca2da de presi6n denro de la empa3ueadura se puede medir uili#ando un man6mero diferencial* esa ca2da de presi6n deerminar la presi6n esica m2nima 3ue de+e producir un enilador para permiir 3ue el aire pase a ra/s de la empa3ueadura. Las empa3ueaduras pueden ser de diersos maeriales ( arre)los )eneralmene son de plsico o de madera incorrupi+le. Su funci6n primordial es crear una pel2cula uniforme para la ransferencia de calor ( manener el a)ua el ma(or iempo posi+le denro de la orre. %ara calcular el facor de ransferencia de calor oal de la empa3ueadura se uili#ar la si)uiene e!presi6n:
H V L M 7d T 7 ,9 , 8
.........
7$88 -onde : V : Volumen de la empa3ueadura L : &audal o )aso de a)ua a la enrada , : Enalp2a de sauraci6n del aire &a+e mencionar 3ue la enalp2a de sauraci6n del aire no es la misma para el aire de enrada 3ue el de salida. Sin em+ar)o conocemos 3ue la ecuaci6n 7$8 no se puede resoler anal2icamene por cuano , como , son aria+les se de+en uili#ar m/odos )rficos o num/ricos. %ara calcular la alura de la orre una e# conocida el alor de H !d despe=amos el alor de las unidades de difusi6n n d* de la ecuaci6n:
nd H !d VL
M 7d T 7 ,9 , 8......... 708
( la alura P de la orre ser i)ual a:
P 7nd L8 H !d
......... 7C8
%ara consruir la orre de ama
-e acuerdo a lo calculado aneriormene el caudal de aire de+e ser del orden de G* como se iene un rea de ransferencia A en f $* enonces el )aso oal de aire ser :
G oal G A
......... 7>8
El alor de G Toal es una canidad considera+le como para pensar en un solo enilador* normalmene se recomienda uili#ar ms de un enilador por ra#ones de manenimieno en caso de fallar uno* la orre eenualmene podr2a se)uir operando con menor capacidad. DISEÑO Y SELECCIÓN DE VENTILADORES
%ara el dise
Las f6rmulas 3ue permien el escalonamieno de eniladores por similiud dinmica son las si)uienes: Q1 0
Q$
=
ω 1 D1
H 1 $ $ ω 1 D1
ω $
=
P 1 0
0
ρ 1 ω 1 D1
-onde: : &audal de aire ω : Velocidad an)ular - : -imero del roor
D$
......... 7?8
0
H $ $ $ ω $ D$
=
......... 78
P $ 0
ρ $ ω $ D$
0
......... 7K8
% ρ
: %oencia : -ensidad del aire
Se pueden uili#ar esas f6rmulas siempre ( cuando el modelo ( el prooipo sean )eom/ricamene 7proporcionales8* cinemicamene ( dinmicamene similares. %ara escalar los eniladores del pro+lema propueso se oma como modelo un enilador cenr2fu)o. 4ili#ando las f6rmulas 7?8* 78 ( 7K8 se puede consruir una orre de enfriamieno para un deerminado caudal de a)ua 3ue pueda lo)rar un ∆T del orden de los 1F&. El m/odo de dise
V.
EQUIPOS Y MATERIALES:
F1 Torre de Enfriamieno de Tiro "or#ado F1 Venilador con moor elecrico de 1$V. F1 Transformador de $$F 1$ ccca. F$ Termisores* uno para TB, ( ora para TBS. %ara el aire. F$ Termisores para emperaura de a)ua caliene ( a)ua fria. F1 -ia)rama %sicrom/rico. F1 Linea de a)ua caliene 7inclu(e )eneraci6n ( ducos de a)ua caliene a enfriar8 F1 Bande=a o Sisema de Recepciomn de a)ua enfriada.
VII
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y DATOS POR CONSIGNAR :
1. %reparar la )eneraci6n de a)ua caliene a enfriar para eso acer uso de una fuene de calor de )eneraci6n de a)ua caliene a raes del calcdero pirou+ular o una cocinilla elecrica del La+oraorio de Termofluidos de la Escuela. $. %reparar correcamene el e3uipo *erificando 3ue la orre de enfriamieno * en)a sus deflecores * ducos * rociadores ( eliminadores de acarreo seencuenren en +uen esado . 0. Verifucar el funcionamieno del enilador de iro for#ado * encendi/ndolo * de=ar operando unos 0 minuos anes del in)reso de a)ua caliene. C. In)resar a)ua caliene a raes de loas rociadores * de=ando 3ue el proceso de adicion de apor al aire umedo en)a un re)imen permanene *por lo menos unos > minuos
>. &omo o+seraremos el aire es a+sor+ido7inducido 8 por el enilador acia arri+a * pare del a)ua se a con el aire umedo . Asi enemos el si)uiene es3uema:
VENTILA-OR
AIRE
'a * $ * $
AIRE AT'OS"WRI&O 'a *
1 * 1
';1 * ;1 ';$ * ;$
El Balance de maeria para el a)ua sera : ';1 U 7 'a 1 8 ';$ U 7 'a $ 8 El Balance de Ener)ia para el olumen de conrol 7';1 ;1 8 U 7 'a 1 8 7 ';$ ;$ 8 U 7 'a $ 8
Lue)o enemos 3ue : ';$ ';1 U 7 'a 1 8 9 7 ' a $ 8 ';$ ';1 U 'a 7 1 9 $ 8 ............7 X8 Reempla#ando 7X8 en la ecuaci6n de Balance de Ener)ia para el olumen de &onrol 7';1 ;1 8 U 7 'a 1 8 7 'a $ 8 U
Y ';1 U 'a 7 1 9 $ 8Z ; $
Reduciendo conenienemene : 'a Y';1 7 ;$ 9 ;1 Z Y 7 1 9 $ 8 9 7 1 9 $ 8 ;$ Z ............7 . 8 ?. Se)uidamene de+emos deerminar los alores de los parmeros leidos * asi enemos : ';1 'asa de a)ua enrane. ;1 Temperaura de in)reso del a)ua a la Torre. ;$ Temperaura de salida del a)ua de la Torre. Ta1BS Temperaura de in)reso del aire7Bul+o seco8 Ta1B, Temperaura de in)reso del aire7Bul+o umedo8 Ta$BS Temperaura de salida del aire7Bul+o seco8 Ta$B, Temperaura de salida del aire7Bul+o umedo8 % presi6n amosferica 1F1.C H% [1 ,umedad relaia de in)reso del aire [$ ,umedad relaia de salida del aire %ara lo cual de+era omar la lecura promedio de 0 alores para o+ener un alor caracer2sico * los alores de+eran ser presenados en la Ta+la N\ 1 TABLA N\ 1 Valores 'edidos en la Torre de enfriamieno %aramero ';1 ;1 ;$ Ta1BS Ta1B, Ta$BS Ta$B, [1 [$
Lecura 1
Lecura $
Lecura 0
%RO'E-IO
VIII
CUESTIONARIO : 1.
Se de+era reali#ar la %racica omando res emperauras disinas de emperaura de in)reso de a)ua * para lo cual los )rupos de+eran reali#ar la oma de daos correcos preia coordinaci6n con el %rofesor de %racica. * se pueden ra+a=ar con emperauras de in)reso de a)ua de CF\& * >F\& ( ?F\& . Lue)o cada )rupo de+era ener por lo menos un con=uno de res )rupos de medidas para poder reali#ar la )raficaci6n del comporamieno de la orre de enfriamieno del La+oraorio de Termofluidos.
$.
-eerminar los alores de 1 ( $ umedades a+soluas en funcion a %s 7%resiones de sauraci6n en los esados 1 ( $ 8 o am+ien aciendo uso de la cara psicromerica.
0.
,allar los alores e6ricos de : ;$ * ;1 * 1 * $..
C.
&alcular el alor de la masa de aire aplicando la formula 7 . 8 'a
>.
-eerminar e6ricamene el flu=o de aire seco
?.
-eerminar e6ricamene el alor de la masa de a)ua 3ue se eapora .
.
-escri+ir 3ue es un proceso de desumidificacion ( umidificacion.-eallarlo aciendo uso de la cara psicromerica.
K.
-escri+ir las caracer2sicas * diferencias ( aplicaciones indusriales de las Torres de Enfriamieno de Tiro for#ado ( Tiro inducido.
.
Graficar 'asa de a)ua caliene s
Temperaura
7 inicial ( final del a)ua 8
'asa de aire s Temperaura 7 inicial ( final del a)ua 8 'asa de a)ua eaporada s Temperaura 7 inicial ( final del a)ua 8
1F.
Graficar 'asa de a)ua caliene s
TBS
9TB,
'asa de aire s TBS 9 TB, 'asa de a)ua eaporada s TBS 9 TB,
11.
Graficar 'asa de a)ua caliene s ,umedad Relaia 1 * ,umedad Relaia $ 'asa de aire s ,umedad Relaia 1 * ,umedad Relaia $ 'asa de a)ua eaporada s ,umedad Relaia 1 * ,umedad Relaia $
1$.
IX
Inerprear Racionalmene Graficos de los iems * 1F *. 11.
BIBLIOGRAFA :
9
%4&%.La+oraorio de Termodinmica.
9
Ro+er Gueara.Apunes del &urso de La+oraorio de Ener)ia I.
9
&alderon Torres .Apunes del &urso Termodinmica II
9
-aniel ,erencia : Refri)eraci6n ( Aire acondicionado
9
-onald Hern. Transferencia de &alor.
9
Sila Vicor * 'el)are=o *Lau %ineda * Ver)ara( * &ano . Informe : -ise
