TORRE DE ENFRIAMIENTOChavarro Sampayo Harlam 1, Melndez Cortissoz Jocserp 2, Rodrguez Rojas Jos 3, Reano Gmez Wrayan 4, Sierra Escorcia Daniel 5 1, 2, 3, 4,5 Estudiantes de Ingeniera Mecnica, Universidad del Atlntico.

Resumen En la experiencia se trabaja con una torre de enfriamiento, la cual permite el intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y fro que circula por el mismo aparato. Se tomaron las temperaturas del agua de enfriamiento que provienen de los equipos (calientes), y luego, de circular por la torre de enfriamiento, se tomaron las temperaturas del agua de enfriamiento ya tratada (fra). Para la experiencia es necesario conocer las caractersticas del aire atmosfrico; y por ende es necesario obtener la humedad relativa del aire que entra a la torre. Tambin se tomaron los datos del caudal de agua que entra y sale de la torre.Palaras claves: Torre de enfriamiento, calor sensible, calor latente, temperatura, conveccin, transferencia de calor.

AbstractOn experience working with a cooling tower, which allows the exchange of sensible and latent heat from a stream of dry, cold air flowing through the same apparatus. Temperatures of the cooling water coming from the (hot) teams were taken, then, to circulate the cooling tower, water temperatures and treated cooling (cold) were taken. To experience it is necessary to know the characteristics of atmospheric air; and therefore it is necessary to obtain the relative humidity of the air entering the tower. Data of water flow in and out of the tower were also taken.Keywords: Cooling tower, sensible heat, latent heat, temperature, convection heat transfer.

Introduccin Las mquinas y los procesos industriales, generan enormes cantidades de calor que deben ser continuamente disipadas si se quiere que esas mquinas y procesos operen eficientemente. Aunque los intercambiadores finales son los ros, arroyos, lagos e inclusive los ocanos, el proceso natural de evaporacin los hace muy efectivos aunque sin control, debido a la superficie a veces fija, a veces variable, que los contiene y a su total dependencia de los vientos dominantes.

Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporacin controlada, reduciendo as la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la pelcula exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfrindola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado fsico).Marco terico.Principios.El proceso de transferencia de calor comprende:La transferencia de calor latente debido a la evaporacin de una porcin pequea de agua.La transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el aire.La posible eliminacin terica de calor por libra de aire circulado en una torre de enfriamiento depende de la temperatura y el contenido de humedad del aire. La temperatura de bulbo hmedo es un indicador del contenido de humedad del aire. Por tanto, esta es la temperatura terica ms baja a la que puede enfriarse el agua.Teora de Merkel.Este anlisis se basa en la diferencia del potencial de entalpa como fuerza impulsora. Se supone que cada partcula de agua est rodeada por una pelcula de aire y que la diferencia de entalpa entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento.En el anexo A se ilustran las relaciones del agua, el aire y el potencial impulsor que existe en una torre de contraflujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero siguiendo una direccin opuesta al flujo del agua.La lnea de operacin del agua est representada por la lnea AB y se especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y salida. La lnea de operacin del aire principia en C, verticalmente por debajo de B, y en un punto que tiene una entalpa correspondiente a la temperatura de entrada de bulbo hmedo. La lnea BC, representa la fuerza impulsora inicial (h- h). El aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de enfriamiento es la longitud proyectada de la lnea CD sobre la escala de temperaturas.Componentes de la torre de enfriamiento.Sistema de distribucin 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 presin. El primero se compone de un recipiente y unos agujeros que distribuyen el agua. El segundo se compone de sistemas de pulverizacin con toberas orientadas hacia abajo que pueden ser en forma de espina de pescado o rotativas.Relleno. Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor tiempo y rea de contacto del aire con el agua, debe mantener una distribucin uniforme del agua durante todo su recorrido. Eliminadores de gotas. Retienen las gotas de agua arrastradas por el aire que salen de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que re-direccionan el flujo y separan las gotas del aire, hacindolas caer de nuevo sobre el relleno.Ventiladores. Se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de tiro forzado e inducido y centrfugos para torres de tiro forzado. Los ventiladores axiales son para mover grandes volmenes de aire mientras que los ventiladores centrfugos son adecuados para impulsar caudales relativamente pequeos con mayores cadas de presin.Bombas. Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre. Consumen una fraccin importante de la potencia requerida en todo el sistema. Control. En la mayora de los sistemas basta con un control de nivel en la piscina de agua que controla la entrada de la reposicin.

Fig. 1. Torre de enfriamiento. La evaporacin.En la superficie de contacto agua - aire el calor total que gana el aire (Q) est dado por la relacin:

Con la que se deduce que la evaporacin depende de:Propiedades del sistema.Presin total: La evaporacin es ms rpida a bajas presiones o en el vaco y ms lenta a presiones altas.rea de contacto (A). La masa de agua evaporada es proporcional a la superficie en la cual se efecta la evaporacin.Coeficiente de transferencia de calor (h) el cual depende entre otras variables, de la velocidad del aire. La evaporacin se acelera a mayor velocidad de las corrientes de aire, el viento desplaza las capas de aire sobre la superficie de evaporacin y arrastra consigo la humedad.Diferencia de temperatura (DT) entre el agua y el aire.Efecto difusional de la masa.Humedad del aire: La evaporacin es ms rpida, cuanto ms seco est el aire o menos saturado de vapor.Propiedades del agua.Presin de vapor.Conductividad trmica del agua (k). La alta conductividad trmica favorece la evaporacin.

Procedimiento y anlisis experimental.Se llenan los depsitos de agua caliente y agua fra a temperatura ambiente. Se ceban las bombas del equipo. Se abren las vlvulas para darles paso al agua de enfriamiento a los equipos de transferencia. Se encienden las bombas de descarga y de recirculacin en la torre. Se enciende el ventilador de la torre. Se espera aproximadamente media hora para que los equipos de transferencia de calor hagan efecto sobre el agua de enfriamiento.

Fig. 2. Depsito de agua enfriada y base de la torre.Una vez estabilizado el proceso se procede a la medicin y registro de los siguientes datos:1) Tomar la temperatura de bulbo seco y de bulbo hmedo del rea de la entrada en un punto distante del ventilador.2) Tomar la temperatura del agua caliente en el depsito respectivo.3) Flujo de agua en el sistema, midiendo el volumen de agua caliente que retorna al depsito de agua caliente y el tiempo e tomar dicho volumen.4) Temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo de rea de la salida, la cual es tomada del tope de la torre.5) Temperatura del agua fra en el depsito.En el apndice B se encuentra la tabla de datos obtenidos en la experiencia.

Fig. 3. Flujos msicos de aire y agua en el sistema de la torre de enfriamiento.Los flujos msicos se obtienen de los balances de masa y energa del sistema. El balance de masa para el agua y el aire hmedo es:

El balance de energa del sistema es:

Reemplazando (Ec.1) en (Ec.2), obtenemos:

La diferencia de entalpias del aire se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Donde el Cp es el calor especifico del aire seco y las temperaturas son de bulbo seco en la entrada y en la salida.Se procede a calcular la humedad especfica (w) del aire a la entrada y salida del sistema, utilizando las siguientes ecuaciones:

Donde y P son la presin parcial del vapor de agua y la presin atmosfrica (101,3 kPa), respectivamente. El valor 0,622 es el cociente entre los pesos moleculares del agua y el aire seco.

Donde es la humedad relativa y es la presin de saturacin. En la ciudad de Barranquilla Colombia, en el mes de abril (mes donde se realiz la experiencia) se estima una humedad relativa del 78% aproximadamente. Del anexo C, se hallan las presiones de saturacin con respecto a las temperaturas de bulbo hmedo.En el anexo D se encuentra una tabla en donde se muestran los valores calculados.

Conociendo el flujo msico del aire se puede determinar la cantidad de agua que se evapora debido al intercambio de calor:

Por ltimo se procede a calcular los calores removidos.

Resultados.Para conocer el calor removido en la torre de enfriamiento es necesario identificar la densidad del agua a la temperatura correspondiente e identificar el flujo msico del agua caliente a la entrada al sistema. Del apndice C, para una , se obtiene una .Sabiendo que el flujo volumtrico se puede escribir como:

Se calcula el flujo msico para las 6 corridas.Corrida

10,2501645

20,3752467

30.5003289

40,6254112

50,7504934

60,8755756

Tabla. 1. Flujos msicos del agua en la entrada del sistema.

Corrida

11,005331283,0157

21,005331292,0105

31,00533129,51,5079

41,005331301,0053

51,00533130,50,5026

61,00533130,90,1005

Tabla. 2. Tabla de las diferencias de entalpa del aire en la entrada y en la salida. Cp (Kj/kg.K), T (C), h (kJ/kg).Corrida

140167,5331129,92

242175,8931129,92

342175,8931,5132,01

442175,8931,6132,43

542175,8932134,10

642175,8933,6140,79

Tabla. 3. Tabla de las entalpas del agua saturada en la entrada y en la salida. T (C), h (kJ/kg).Corrida

12,89545,2117

27,427917,8269

311,531134,5933

417,406573,1073

525,56620,1381

632,51310,1951

Tabla. 4. Tabla del flujo msico del aire y de la cantidad de agua que se evapora en el proceso de intercambio de calor. m (kg/s)

Corrida

18,73170,19600,022447

214,93380,81950,054876

317,38771,51790,087297

417,49873,17720,181568

512,84965,77120,449134

63,26766,84802,0957

Tabla. 5. Tabla de los calores del agua y del aire. Q (kJ/s).Conclusin Analizando el balance de energa y los resultados, se aprecia que las prdidas de calor, son bajas, lo cual indica que el sistema se encuentra bien aislado trmicamente.

Con respecto a los resultados, se confirma la teora de que a mayor diferencia de temperatura, es mayor el calor removido por la torre de enfriamiento.

A pesar de que el gasto volumtrico en una torre de enfriamiento puede ser grande la cantidad de agua evaporada no supera el 1% del agua suministrada, esto se debe a que la velocidad del flujo es pequea debido a la gran seccin transversal de este dispositivo.

Bibliografa[1] Shapiro H., Moran M., FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA TCNICA, 2da Ed., REVERT S.A., 2004.[2] Restrepo Garca J. DISEO OPERACIONAL DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO ADIABTICA DE AGUA DE TIRO MECNICO INDUCIDO CONTRACORRIENTE A ESCALA DE LABORATORIO. [En lnea]. [Citado el 01 de mayo de 2015]. Disponible desde internet: [3] GRFICAS MULTI-ANUALES DE PRINCIPALES PARMETROS METEOROLGICOS SOBRE LA CIUDAD DE BARRANQUILLA [En lnea]. [Citado el 01 de mayo de 2015]. Disponible desde internet: < http://www.cioh.org.co/meteorologia/Climatologia/ResumenBarranquilla4.php>

Anexos

Anexo A. Comportamiento de las propiedades del agua y del aire en la torre de enfriamiento.

CorridaAire entradaAire salidaAgua

T bulbo hmedo(C)T bulbo seco(C)T bulbo hmedo(C)T bulbo seco(C)Temperatura entrada(C)Temperatura Salida(C)CaudalGPMCaudal

126312628403140.00025236

2263126,529423160.00037854

326312729,54231,580.00050472

4263128304231,6100.0006309

526312930,54232120.00075708

6263129,530,94233,6140.00088326

Anexo B. Tabla de datos experimentales tomados en campo.

Anexo C. Tabla de propiedades del agua saturada (Cengel, 2007).

CorridasEntradaSalida

ww

178263.38442,63980,016686263,38442,91060,0184

278263.38442,63980,01668626,53,49213,00320,0190

378263.38442,63980,016686273,59983,09580,0196

478263.38442,63980,016687283,81523,28110,0208

578263.38442,63980,016687294,03063,46630,0220

678263.38442,63980,01668729,54,13833,55890,0226

Anexo D. Tabla de datos analticos.

Anexo E. Carta psicromtrica.