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• Lis Katerin Torres Pascuas

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RESUMEN

En la siguiente práctica de laboratorio, observaremos el funcionamiento de una torre de cual se tendra en cuenta, diferentes datos experimentales para poder realizar cálculos objetivos propuestos. Se tendra en cuenta el diámetro de la tuberia, se tomara una altura para determinar ca temperaturas de entrada y salida del agua y del vapor, como también su porcentaje de Las torres de enfriamiento son más usadas en industrias para refrigerar el agua y otros a temperaturas próximas a las ambientales.

SUMEN

namiento de una torre de enfriamiento, en la a poder realizar cálculos y asi determinar los propuestos. altura para determinar cada caudal, se registraran ambién su porcentaje de humedad del bulbo. refrigerar el agua y otros medios

OBJETIVO GENERAL *Implementar los conocimientos adquiridos en torres de enfriamiento en su funcionamiento OBJETIVO ESPECIFICOS * Calcular los balances de materia y energía generados durante la etapa de enfriamiento. *Hallar la entalpía generada a la entrada y la salida de la torre de enfriamiento * Analizar las diferencias obtenidas en ambos tipos de torre de enfriamiento – Natural e Inducida *Calcular la eficiencia de la torre de enficiencia *Calcular el rango de la Torre

su funcionamiento

de enfriamiento.

nto – Natural e Inducida

MARCO TEORICO

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. En el interior de las torres se monta un empaque o relleno con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. En las torres se colocan deflectores o eliminadores de gotas o niebla que atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la posible pérdida de agua. El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible

El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación ) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.

Se recomienda el tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, algicidas, bactericidas y floculantes; y, realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro ya que éstos iones son causantes de las incrustaciones y de la corrosión en los elementos de la torre.

En el ámbito industrial una torre de enfriamiento es utilizada como un intercambiador de calor, que enfría el agua caliente proveniente de un proceso, esto se realiza con el fin de recircular el agua y/o evitar la contaminación térmica por su vertimiento al ambiente. En la transferencia del calor en una torre de enfriamiento, existe generación de calor sensible y calor latente, al entrar en contacto el agua caliente con el aire. La masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del líquido, el cual es cedido al aire obteniéndose el enfriamiento del agua y el aumento de la temperatura del aire. A pesar que Walkel (1923) en su libro Principles of Chemical Engineering, fue el primero en proponer balances sencillos de masa y energía para torres de enfriamiento (Khan et al., 2003), es Merkel (1925) con su trabajo Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, quien estructuró la teoría básica de estas (Khan et al., 2003).

El modificó lo expuesto por Walker, relacionando el calor sensible y el calor latente en los balances de masa y energía. Webb (1989), en su trabajo Design of Cooling Towers by the Effectiveness-NTU Method, mostró que la eficiencia y las unidades de difusión en una torre, son consistentes con las usadas en otros intercambiadores de calor (citado en Khan et al., 2003). Nimr (1999), presentó un modelo que describe el comportamiento de una torre, para ello tuvo en cuenta el empaque o relleno en la torre. Milosavjevic (2001), determinó un modelo en ecuaciones diferenciales ordinarias, para describir la transferencia de masa y calor en una torre de enfriamiento mecánica, él utilizó datos experimentales en un equipo piloto para analizar con una simulación, el comportamiento de la torre con diferentes empaques. Kloppers y Kröger (2005a; 2005b), evaluaron el número de Lewis (relación entre el coeficiente de transferencia de masa y calor, con el calor húmedo) en una torre de enfriamiento y encontró que la relación disminuye, cuando el aire entra relativamente húmedo y caliente en la torre. Kloppers y Kröger (2005a; 2005b) plantearon un modelo matemático en ecuaciones diferenciales ordinarias para determinar la transferencia de masa y energía en una torre de enfriamiento, usó el método de Poppe para el calcular diferencialmente la integral de Merkel, la solución numérica la obtuvo con el método Runge-Kutta de cuarto orden y alcanzó buenos resultados. Fisenko y Brin (2007), describen la transferencia de masa y calor en una torre, acopla un modelo ecuaciones diferenciales parciales (para la temperatura del aire y del agua), con uno en ecuaciones diferenciales ordinarias (para el crecimiento de una gota de agua). Kranc (2007), desarrolló un modelo computacional para simulación, tuvo en cuenta la distribución no uniforme del agua en el empaque. La evaporación como causa de enfriamiento.

El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares Cuando el agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de sí misma el calor que necesita, esto origina que el agua se enfríe y por lo tanto que su temperatura disminuya. TORRES DE CIRCULACIÓN NATURA

Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire

Tiro natural: El flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de 200000gpm. Es muy utilizado en las centrales térmicas. A continuación se muestra el funcionamiento de una torre de enfriamiento con tiro natural:

Torres de tiro mecánico El agua caliente que llega a la torre es rociada mediante aspersores que dejan pasar hacia abajo el flujo del agua a través de unos orificios. El aire utilizado en la refrigeración del agua es extraído de la torre de cualquiera de las formas siguientes:

Tiro inducido: el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro inducido:

Tiro forzado: el aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro forzado:

Otros tipos: Torres de flujo cruzado. El aire entra por los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Estas torres necesitan más aire y tienen un coste de operación más bajo que las torres a contracorriente. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de flujo cruzado:

DESEMPEÑO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

Los factores más importantes a fin de determinar el desempeño de las torres de refrigeración o enfriamiento son:

         Rango: Es la diferencia entre la temperatura del agua a la entrada de la torre y la temperatura a la salida.          Acercamiento: Es la diferencia entre la temperatura del agua a la salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, éste es un mejor indicador del desempeño de la torre de enfriamiento.

El mínimo acercamiento usado comercialmente es de 3°C. No debe usarse un valor inferior.          Eficiencia: Es un valor porcentual, la razón del rango de enfriamiento y el rango ideal de enfriamiento, es decir: Rango / (Rango + Acercamiento)

         Capacidad de enfriamiento: hace referencia al intercambio calórico entre el agua y el aire en kJ/h como resultado de la velocidad de flujo de agua, calor específico y la diferencia de temperaturas.

         Pérdidas por evaporación: Es entendida como el flujo volumétrico de agua evaporado por la carga calórica transferida en la torre de enfriamiento, teóricamente por cada 1000000 kcal liberadas, la cantidad evaporada es de 1.8 m3. Una relación es usada con frecuencia como sigue:

olúmenes porque, son el to como los cambiadores rres se monta un gua caliente y el aire que atrapan las gotas de agua nuir la posible pérdida de oquillas para distribuir el

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o horizontalmente a ación más bajo que las de flujo cruzado:

rigeración o enfriamiento

la temperatura a la

orre y la temperatura de de enfriamiento.

r inferior. ideal de enfriamiento, es

ua y el aire en kJ/h como de temperaturas.

evaporado por la carga cal liberadas, la cantidad mo sigue:

MATERIALES 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Torre de enfriamiento Cronometro Higrómetro Psicrometro Agua caliente Carta psicométrica

agua Caudal 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5

T° agua caliente (°C) 71 69 70 69 70 70

T° agua fría (°C) 36 34 35 35 34 35

T bulbo húmedo (%) 61 61 61 61 61 61

75 73 69 85 86

59 59 59 59 59

AIRE ENTRADA T° bulbo seco (°C) 20 20 20 20 20 20 INDUCIDO 20 20 20 20 20

T bulbo húmedo (%) 46 45 47 49 50 50 10 11 10 9 11

SALIDA T° bulbo seco (°C) 25 25 25 25 25 25 51 54 54 52 47

ALIDA tiempo (S) 39.24 33.96 34.1 29.63 27.24 31.87

Entalpia (h) de la T° Agua caliente (kj/kg) 297.26 288.87 293.07 288.82 293.07 293.07

Densidad del agua caliente (kg m3) 9.78E+02 9.78E+02 9.78E+02 9.78E+02 9.78E+02 9.78E+02

25 27 30 27 22

50.05 50 52 53 36

314.03 305.64 288.87 356.01 360.22

Densidad del agua fría (kg/m3) 9.94E+02 9.94E+02 9.94E+02 9.94E+02 9.94E+02 9.94E+02

Entalpia (h) de la T° Agua fría (kj/kg) 150.81 142.45 146.63 146.63 142.45 146.63

9.75E+02 9.76E+02 9.78E+02 9.68E+02 9.68E+02

1.00E+03 1.00E+03 1.00E+03 1.00E+03 1.00E+03

42.021 46.216 42.021 37.835 46.216

Flujo Masico Kg/s

Natural

Inducido

ρ agua (F.C) (kg/m3)

Caudal (m3/s)

1 2 3 4 5 6 1 2 3

L1 2E+03 3E+03 3E+03 3E+03 4E+03 3E+03 2E+03 2E+03 2E+03

1E+03 1E+03 1E+03 1E+03 1E+03 1E+03 1E+03 1E+03 1E+03

3E+00 3E+00 3E+00 3E+00 4E+00 3E+00 2E+00 2E+00 2E+00

4

2E+03

1E+03

2E+00

5

2E+03

1E+03

2E+00

G1S= Flujo de aire seco que entra a la torre G2S= Flujo de aire seco que sale dela torre G1S=G2S En este caso son Iguales Wi= Humedad absoluta del aire a la Entrada W0= Humedad absoluta de aire a la Salida H1S= Entalpia del agua a temperatura de Entrada H2S= Entalpia del agua a temperatura de Salida

Agua

Salid

Temperatura de Temperatura de salida Entrada Agua Caliente Agua Frio (F.F) (F.C)

Temperatura de Bulbo Seco

T1 7E+01 7E+01 7E+01 7E+01 7E+01 7E+01 8E+01 7E+01 7E+01

t1 4E+01 3E+01 4E+01 4E+01 3E+01 4E+01 1E+01 1E+01 1E+01

3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01

9E+01

9E+00

3E+01

9E+01

1E+01

2E+01

Los valores se obtiene con carta Psicometrica

Salida del aire

Temperatura de Bulbo Humedo

Humedad relativa de Salida del ventilador

Contenido de humedad (kg de agua/kg de aire seco)

5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 5E+01

5E+01 5E+01 5E+01 5E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01

W0 2E-03 2E-03 3E-03 3E-03 1E-02 1E-02 1E-02 2E-02 2E-02

5E+01

6E+01

2E-02

5E+01

6E+01

1E-03

h entalpia de la temperatura del agua caliente

h1s entalpia con el bulbo seco y humedo

h1 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02

h1s 2E+01 2E+01 2E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01

4E+02

2E+01

4E+02

2E+01

Entrada del aire

Temperatura de Bulbo Seco

Temperatura de Bulbo Humedo

Humedad relativa de Salida Fluido Frio (F.F)

2E+01 2E+01 2E+01 2E+01 2E+01 2E+01 2E+01 2E+01 2E+01

6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01

6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01 6E+01

2E+01

6E+01

6E+01

2E+01

6E+01

6E+01

Balance de materia

Contenido de humedad (g/kg) de aire seco WI 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 2E-02

h entalpia de la h2s entalpia temperatura del con el bulbo agua fría seco y humedo

W1 - W0

h2 2E+02 1E+02 1E+02 1E+02 1E+02 1E+02 4E+01 5E+01 4E+01

h2s 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01 3E+01

2E-02 2E-02 2E-02 2E-02 7E-03 7E-03 5E-03 1E-03 -1E-03

2E-02

4E+01

3E+01

2E-03

2E-02

5E+01

3E+01

2E-02

Balance de materia

Flujo másico (kg/s)

Balance de energia

G1s = G2s

L1 * h1

h2s - h1s

1E+00 1E+00 1E+00 1E+00 1E+00 1E+00

7E+05 8E+05 8E+05 9E+05

1E+00 1E+00

9E+05 6E+05 6E+05 6E+05

9E+00 1E+01 8E+00 6E+00 5E+00 5E+00 3E+00 6E+00 3E+00

2E+03

1E+00

7E+05

7E+00

2E+03

1E+00

7E+05

9E+00

L2 3E+03 3E+03 3E+03 3E+03 4E+03 3E+03 2E+03 2E+03 2E+03

Cantidad de agua que se evaporo en el proceso

Flujo Masico de aire Flujo Masico de humedo que entra aire humedo Kg/s que sale Kg/s G1 1E+00 1E+00 1E+00 1E+00

G2 1E+00 1E+00 1E+00 1E+00

1E+00 0E+00 1E+00 1E+00

1E+00 0E+00 1E+00 1E+00

2E+01

1E+00

1E+00

6E+01

1E+00

1E+00

4E+01 5E+01 5E+01 5E+01 6E+01 5E+01 4E+01 -2E+00 -5E+00

Calor que pierde el agua en el proceso de enfriamiento

Rango de la torre

Eficiencia de la torre

4E+05 5E+05 5E+05 5E+05

RT=(T1-T2) 4E+01 4E+01 4E+01 3E+01 4E+01 4E+01 7E+01 6E+01 6E+01

6E+05

8E+01

-7E+00

6E+05

8E+01

-8E+00

4E+05 4E+05 4E+05 5E+05

E= (T1-T2)/(T1-TBH1) -4E+00 3E+00 2E+00 2E+00 3E+00 2E+00 -7E+00 -7E+00 -6E+00

ANALISIS DE RESULTADOS De acuerdo alos resultados obtenidos se puede observar que la eficiencia del equipo tanto en tiro inducido como natural ses muy pequeña, esto se puede deber a una mala toma de datos o procedimientos relizados inadecuadamente en el laboratorio. Por otro lado tambiem se pueden presentar problemas en el funcionamiento del equipo tales como problemas en los eliminadores que posiblemente por secciones rotas, doblasdas o faltantes; no cuentan con sellos de aire; inadecuada instalación de los eliminadores, tambien pueden ser secciones con estructura desgastada desprendimiento u oxido. La solución es la instalación de secciones dañadas, revisión periodica del equipo.

equipo tanto en tiro ma de datos o ambiem se pueden s en los eliminadores sellos de aire; on estructura es dañadas, revisión

CONCLUSIONES

**Las torres de enfriamiento son equipos que se utilizan para enfriar agua en grandes volúmenes, y tiene una gran ventaja, que esta operación es poco costosa.

**Las torres de tiro inducido succionan aire por medio de la torre a partir de un abanico en la forma superior.

**Las torres de tiro natural tienen una función muy similar a una chimenea de un horno. La diferencia entre la densidad del aire en la torre en el exterior y originan un flujo natural de aire frio en la parte de abajo y expulsión de aire caliente menos denso en la parte de arriba