Torre de Enfriamiento

TORRES DE ENFRIAMIENTOLABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

Fam Jorge Alvarado

2015-IUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

Canto Benites, Sitmary Fajardo Martínez, Andrea Jorge Alvarado, Noelia Llaque Chumpitaz, Carlos

TORRES DE ENFRIAMIENTO

2015-I

1. OBJETIVOS:

Determinación del número de unidades de difusión o transferencia para condiciones determinadas en una torre de enfriamiento, así como la determinación de la caída de presión correspondiente a través de la torre.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico).El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, hacen que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso.En términos generales, podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que enfría en


Página 1


2015-I

condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia térmica.Una torre de refrigeración es una instalación que extrae calor del agua mediante evaporación o conducción.Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60 ˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚C.Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción.

Página 2


2015-I

Descripción de Componentes

1. Entrada de agua caliente.

2. Banco de esperas para asegurar una distribución uniforme del agua sobre el relleno.

3. Relleno de enfriamiento que tiene una alta eficiencia y ofrece la máxima área de transferencia de calor, lo que traduce en una gran capacidad de enfriamiento.

4. Eliminador de rocío.

5. Ventilador axial.

6. Motor específicamente seleccionado para cada torre.

7. Silenciador (opcional).

8. Cuerpo constituido por paredes laterales fácilmente removibles para inspección y mantenimiento.

9. Cisterna de agua fría.

10. Rebosadero.

11. Salida de agua fría.

12. Válvula con flotador.

13. Entrada de aire.

14. Salida de aire.

Funcionamiento de las torres de refrigeración

En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 % es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del

Página 3


2015-I

aire. La diferencia de temperaturas del agua a la salida y la temperatura húmeda del aire se llama «acercamiento» o “aproximación”, ya que representa el límite termodinámico de enfriamiento al que puede llegar el agua

Clasificación de las torres de enfriamiento

La forma más simple y usual de clasificar las torres de enfriamiento es según la forma en que se mueve el aire a través de éstas. Según este criterio, existen torres de circulación natural y torres de tiro mecánico. En las torres de circulación natural, el movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales. Las torres de tiro mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a través del relleno.

Torres de circulación natural

Se clasifican, a su vez, en torres atmosféricas y en torres de tiro natural.Las torres atmosféricas utilizan las corrientes de aire de la atmósfera. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal. Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningún obstáculo pueda impedir la libre circulación de aire a través de la torre. Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamaño, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes mecánicas móviles. Una torre de este tipo puede ser una solución muy económica para determinadas necesidades de refrigeración si se puede garantizar que funcionará habitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores a los 8 km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de bombeo aumentan mucho en relación a una torre de tiro mecánico y no compensan el ahorro del costo de ventilación. Actualmente, las torres atmosféricas están en desuso. Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno. La diferencia de densidades entre el aire húmedo caliente y el aire atmosférico es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a través de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una

Página 4


2015-I

sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Al igual que las torres atmosféricas, no tienen partes mecánicas. La velocidad media del aire a través de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. Las torres de tiro natural no son adecuadas cuando la temperatura seca del aire es elevada, ya que ésta debe ser siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un valor de acercamiento pequeño y es muy difícil controlar exactamente la temperatura del agua. En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña posible. Estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas; muy pocas veces son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversión inicial necesaria.

Torres de tiro mecánico

Las torres de tiro mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeños (hasta de 1 o 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3 o 4ºC). Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido. En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que en el caso de tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida, Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire.

Página 5


2015-I

Torres de tiro inducido

Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado. El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto. La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas, el aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado.En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende. Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.

Página 6


2015-I

3. CALCULOS Y RESULTADOS

a) DATOS

Se realizan dos corridas, cada una a distinto flujo de agua que entra a la torre.

Se miden las temperaturas de los fluidos a la entrada y salida de la torre, la temperatura y humedad relativa del ambiente se obtiene de datos de senamhi por último se considera que el aire que sale de la torre se encuentra saturado.

Temperatura del ambiente: 22 °C% Humedad relativa del aire de entrada: 81%%Humedad relativa del aire de salida: 100%

Flujo (GPM): 24 12Flujo(Kg/s): 15.137 7.568Tempe. entrada de aire (T1) 23 °C 24 °CTemp. Salida de agua (T2): 28 °C 27 °CTemp. Salida de Aire (T3): 32 °C 34 °CTemp. Entrada de agua (T4): 33 °C 37 °CTemp. Salida de aire extractor (T5): 31 °C 34 °CHumedad Kg agua/Kg a.s. (Y1): 0.0133 0.0133Humedad Kg agua /Kg a.s. (Y2): 0.0308 0.0355

Las humedades fueron determinadas a partir de la carta psicométrica

b) BALANCE DE ENERGÍA

Se realiza el balance de energía en la torre sin considerar las pérdidas de calor que pudiera tener la torre con el ambiente.

L2∗H L2+GS∗HG1=L1∗HL 1+G s∗HG2…(1)

Página 7


2015-I

Se considera que la cantidad de agua que se evapora es despreciable respecto al flujo con que se trabaja por tanto:

L1=L2=L

Despejando:

GS=L∗CP∗(T2−T1 )

(HG2−HG1 )…(2)

Ahora podemos calcular el flujo de aire seco que pasa por la torre para cada corrida, solo se necesitan las entalpias del aire que obtenemos nuevamente de la carta psicométrica, los demás términos son conocidos.

Cp agua: 4.18 KJ/Kg °C

De carta psicométrica:

Flujo de agua entrada F1 (24 GPM) F2 (12 GPM)HG1 (KJ/Kg.°C) 56 56HG2 (KJ/Kg.°C) 111 123

Ya que tenemos todos los datos, reemplazamos en la ecuación (2) y obtenemos lo siguiente para cada corrida:

L (Kg/s): 15.137 7.568HG1 (KJ/Kg.°C): 56 56HG2 (KJ/Kg.°C): 111 123

Tempe. entrada de aire (T1) 23 °C 24 °CTemp. Salida de agua (T2): 28 °C 27 °C

Donde obtenemos los siguientes resultados:

Flujo de agua entrada F1 (24 GPM) F2 (12 GPM)Gs(Kg aire/s) 5.752 4.722

A partir de Gs tenemos:

G1=G S x (1+Y 1) G2=G S x (1+Y 2)

Flujo de agua entrada F1 (24 GPM) F2 (12 GPM)G1(Kg aire/s) 5.829 4.785G2 (Kg aire/s) 5.929 4.889

Página 8


2015-I

Donde G1 es el flujo de aire total que ingresa a la columna y G2 es el flujo total de aire que sale de la columna.

Se puede ver que el flujo de aire a la salida es ligeramente mayor, lo cual nos demuestra que el aire se satura de agua que se transfiere de la fase líquida a la fase gaseosa.

c) CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL AIRE:

Ya que tenemos el flujo total de aire que sale de la torre podemos calcular la velocidad con la era expulsado por el conducto de diámetro 0.36m

Área= 0.1018 m2

Corrida N°1: Flujo = 24 GPM:

G1= 5.829 Kg/s Densidad del aire: T=22°C = 1.2 Kg/m3 G1= 4.8575 m3/s

Velocidad=4.8575m 3/s0.1018m 2

=47.716 ms

Corrida N°2: Flujo = 12 GPM:

G1= 4.785 Kg/s Densidad del aire: T=22°C = 1.2 Kg/m3 G1= = 3.9875 m3/s

Velocidad=3.9875m3 /s0.1018m2 /s

=39.17ms

Experimentalmente se obtuvo una velocidad de 3.2 m/s en ambos casos.

d) CÁLCULO DE LA RECTA DE OPERACIÓN

De la ecuación del balance de energía se despeja la entalpia vs. la temperatura, del siguiente modo:

HG=HG1+LG S

∗C p∗(T−T1)

Reemplazamos en la ecuación para cada corrida, se obtiene lo siguiente:

Velocidad= FlujoArea

Página 9


2015-I

Corrida N°1: Flujo = 24 GPM

HG=11∗T−252

T (°C) Hg (KJ/Kg.°C)Temperatura Salida del agua 33 111

Temperatura de entrada del agua 28 56

Corrida N°2: Flujo =12 GPM

HG=6.7∗T−124.9

T (°C) Hg (KJ/Kg.°C)Temperatura Salida del agua 37 123

Temperatura de entrada del agua 27 56

e) Curva de equilibrio

La recta de equilibrio se obtiene de carta psicométrica usando los valores de las entalpias para aire saturado.

T Hg*25 76.528 9030 10032 11134 12336 13638 14940 16442 18444 204

Página 10


2015-I

Graficando la curva de equilibrio con la recta de operación para cada corrida:

*Corrida N°1: Flujo = 24 GPM


f) Calculo del número de unidades de Difusión (NUD):

Para calcular este número se emplea la siguiente relación:

Para calcular esta integral debemos calcular el área debajo de la curva, con los siguientes datos para cada corrida:


T (°C) HG HG* 1/(HG*-HG)33 111 117 0.1666666732 100 110 0.131 89 105 0.062530 78 100 0.04545455

25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 450

50

100

150

200

250

Curva de operación (F=24 GPM)

Hg*

Curva Op-eracion

Temperatura (°C)

Enta

lpia

(KJ/

Kg.°C

)

25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 450

50

100

150

200

250

Curva de Operación (F=12 GPM)

Hg*Curva de operación (F=12GPM)

Temperatura (°C)

Enta

lpía

(KJ/

Kg.°C

)

Página 11


2015-I

29 67 106 0.0256410328 56 90 0.02941176

27 28 29 30 31 32 33 340

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

f(x) = − 0.000534045 x⁵ + 0.0821724 x⁴ − 5.05187208 x³ + 155.126268 x² − 2379.24132 x + 14581.8424R² = 1

NTU 24 GMP

1/(Hg*-Hg)

Tem

pera

tura

NUD = 2,12624896

Página 12


2015-I


T (°C) HG HG* 1/(HG*-HG)37 116.3 142.5 0.0381679434 96.2 123 0.0373134332 82.8 110 0.0367647130 69.4 100 0.0326797428 56 90 0.0294117627 49.3 84.5 0.02840909

25 27 29 31 33 35 37 390

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

f(x) = 0.00000269879 x⁵ − 0.000417379 x⁴ + 0.0257019 x³ − 0.7878475 x² + 12.024677 x − 73.10018R² = 1

NTU ( 12 GMP)

1/(Hg*-Hg)

Tem

pera

tura

Página 13


2015-I

4. OBSERVACIONES:

Al principio de la experiencia, en un tanque se pone en contacto de vapor de agua proveniente de la caldera y agua impulsado por una bomba para simular que a la torre de enfriamiento entra ‘agua de proceso’ a una cierta temperatura elevada.

Los empaques de la torre de enfriamiento son de un plástico resistente y dispuestos de forma ordenada para un mejor contacto aire-agua caliente.

La caída de presión a través del empaque en la torre de enfriamiento es casi imperceptible, y no la consideramos, por consideración solo tomamos que tenía un valor de 1 mm de columna de agua.

En el panel del control se tomaban las medidas de las temperaturas en las diferentes ubicaciones de las termocuplas, con estas mediciones podríamos hacer los balances de energía requeridos luego.

En el ventilador centrifugo se hacia la medida de la velocidad del aire húmedo (humedad 100%) pero al parecer este medidor está dañado.

Se realizaron 2 corridas, una de mayor flujo (24 GPM) y la otra de menor flujo de agua (12GPM) donde se pudo observar que la temperatura de entrada de agua caliente aumenta, por ende el aire absorbe mayor calor y sale a una mayor temperatura.

NUD = 1,44975358

Página 14


2015-I

5. CONCLUSIONES:

Según nuestros balances, el flujo de aire de salida, el cual usamos para calcular la velocidad de aire de salida con el diámetro del ducto nos sale muy diferente del medido experimentalmente, esto quiere decir que nuestro medidor está mal calibrado y nos da un dato errado.

En la curva de operación notamos que se obtiene una mayor pendiente 11, al trabajar con los datos del mayor flujo, a diferencia de los otros datos de menor flujo que se obtenía una menor pendiente 6.7

La curva de equilibrio la obtuvimos haciendo uso de la carta psicométrica, pues consideramos que el aire que salía era aire saturado.

El número de unidades de difusión para la experiencia con mayor caudal es mayor a la de menor caudal.

6. BIBLIOGRAFIA:

Robert Treybal,Operaciones de Transferencia de Masa,Mc Graw Hill Interamericana de México,Segunda Edición.

Perry_s Chemical Engineers_ Handbook 8th Ed 2008

Página 15

Torre de Enfriamiento

Documents

Transcript of Torre de Enfriamiento