Investigacion de torres de enfriamiento

Universidad Veracruzana

E.E:

Operaciones de Transferencia de Masa III

(Humidificacion y Secado)

Catedrático:

Ing. Gustavo Ángel Róbelo Grajales

Presenta:

Ángel Alberto Contreras Custodio

Trabajo de Investigación:

Torres de Enfriamiento

Introducción------------------------------------------------------------- pág. 3

Objetivo------------------------------------------------------------------ pág. 3

Temas:

1.- Torres de Enfriamiento----------------------------------- pág. 4

1.1.- Conceptos Teóricos------------------------------ pág. 4

1.2.- Componentes de una Torre-------------------- pág. 9

2.-Clasificacion de torres de enfriamiento-------------- pág. 16

2.1.- Circulación Natural----------------------------- pág. 16

2.2.- Circulación Mecánica--------------------------- pág. 18

2.3.- Otros tipos---------------------------------------- pág. 20

3.-Tipos de empaques--------------------------------------- pág. 21

3.1.- Laminar-------------------------------------------- pág. 21

3.2.- Salpiqueo------------------------------------------ pág. 22

3.3.- Análisis del Relleno----------------------------- pág. 24

4.- Historia------------------------------------------------------ pág. 28

5.- Bibliografía------------------------------------------------- pág. 30

INDICE

2

Introducción:

La instrumentación, diseño y simulación de dispositivos de enfriamiento de agua ha constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de referencia en el estudio, comprensión y aplicación de la fenomenología de los mecanismos de transferencia de masa, energía y cantidad de movimiento [1]. Los equipos de enfriamiento de sistemas simples como lo es el sistema aire y vapor de agua constituyen una base fundamental en estudios preliminares de gran aplicación a nivel industrial.

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido.

Objetivo:

En este documento se hablara sobre el funcionamiento de las torres de enfriamiento, sobre su principal uso, sus componentes, condiciones de proceso y también de cómo se diseñan.

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO

[1] FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Second Edition, Chapter 15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980

3

[2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag , Fundamentos de Termodinámica, (19º edición, México, editorial Limusa , 1995), pp. 461

Ecuaciones numeradas tomadas de: Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GARCIA & GABRIEL TOJO BERREIRO

1.- Torres de enfriamiento.

Las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor que enfrían agua por medio de la evaporación. Este tipo de enfriadores se utiliza principalmente en los condensadores industriales. Las torres de enfriamiento son usadas cuando los rangos de enfriamiento son bajos, generalmente entre 5 y 25ºC.

La temperatura mínima que se puede alcanzar con una torre de enfriamiento es la temperatura de bulbo húmedo del aire circundante [2].

1.1.- Conceptos Teóricos.

Humidificacion

Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua, sin embargo las siguientes consideraciones se harán para cualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor.

Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de los gases ideales, la presión ejercida por la mezcla será igual a la suma de la presión parcial del gas y la del vapor,

gv ppP +=

En estas condiciones la fracción molar del vapor es

Pp

nn

y v

g

v ==

La fracción molar es igual a la composición en volumen. Para expresar la concentración del vapor en el gas se emplean diversos términos que se definen enseguida.

Torres de enfriamiento Conceptos Teóricos

Ec. 4-1

Ec. 4-2

4


Humedad molar o saturación molar. Es la relación entre los números de moles de vapor de y de gas contenidos en una masa gaseosa.

v

v

g

v

g

v

pPp

pp

nn

Ym−

===

Humedad absoluta o saturación absoluta. Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.

v

v

pPp

MgMvYm

MgMvY

−== *

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y del gas. Para el caso del sistema aire-agua, Mv es 18 y Mg es 29.

Humedad relativa o saturación relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión de vapor a la misma temperatura.

*v

v

pp

=ϕ

Humedad porcentual o saturación porcentual. Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera saturada.

−−

==v

v

v

vp pP

pPpp

YY *

**ϕ

Punto de rocío. Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se continúa enfriando la mezcla se irá condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación.

Volumen especifico del gas húmedo. Es el volumen ocupado por la mezcla que contiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

PRT

MvY

MgV

+=

1


Ec. 4-3

Ec. 4-4

Ec. 4-6

Ec. 4-7

Ec. 4-8

5


Para la mezcla aire-vapor de agua, tomando P en atmosferas y T en ºK, el volumen especifico, en m3/Kg de aire seco, viene dado por

PTYV 082.0

18291

+=

Calor específico del gas húmedo. Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1ºC su temperatura, manteniendo constante la presión:

YCpCpC vg +=

Para el caso de aire-vapor de agua:

FlbmolBTUYC

CKgKcalYC

º10.895.6

º46.024.0

⇒+=

⇒+=

Entalpía especifica. Es la suma de calor sensible de 1 Kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene a la misma temperatura a la que se refieren las entalpías.

( ) ( )[ ]

( ) oYToTCH

oToTCvYToTCgH

λ

λ

+−=

+−+−=

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, la entalpía específica se calcula de la siguiente forma:

( ) ( )[ ]lbmolBTUToTYToTH ⇒+−+−= 1935010.895.6


Ec. 4-9

Ec. 4-10

Ec. 4-11

Ec. 4-12

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Temperatura húmeda o temperatura de bulbo húmedo. Es la temperatura límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto con una masa mucho mayor de gas húmedo.

La determinación de esta temperatura se efectúa pasando con rapidez el gas por un termómetro cuyo bulbo se mantiene húmedo con el líquido que forma el vapor en la corriente gaseosa. Por lo general el bulbo del termómetro se envuelve en una mecha saturada. Durante este proceso si el gas no está saturado, se evapora algo de líquido de la mecha saturada hacia la corriente gaseosa en movimiento, llevándose el calor latente asociado. La eliminación de calor latente da lugar a una disminución en la temperatura del bulbo del termómetro y la mecha, produciéndose una transferencia de calor sensible hacia la superficie de la mecha por convección desde la corriente gaseosa y por radiación desde los alrededores. La temperatura de bulbo húmedo es la que se obtiene ha estado estable con un termómetro expuesto a un gas que se mueve con rapidez.

Puede determinarse con alguna de las siguientes relaciones:

( )

( )twtwkykcYYw

twtwMvk

hpp

G

cvw

−=−

−=−

λ

λ

/

*

Donde:

pw* = tensión de vapor del líquido a la temperatura húmeda

pv = presión parcial del vapor en el gas

hc = coeficiente de convección líquido-gas

kG = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusión la presión de vapor

ky = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusión la saturación absoluta


Ec. 4-14

Ec. 4-15

7


Mv = masa molecular del vapor

λW = calor latente de vaporización del líquido a la temperatura húmeda

t = temperatura de la masa gaseosa

tw = temperatura húmeda

Yw= humedad absoluta de saturación a la temperatura húmeda

Y = humedad absoluta de la masa gaseosa

Temperatura de saturación adiabática. Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas.

( )SS

S ttCYY −=−λ

Ys = humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabatica.

ts= temperatura de saturación adiabatica.

λs= calor latente de vaporización del líquido a ts.

C= calor especifico de la masa húmeda.

Y = humedad absoluta de la masa gaseosa.

t = temperatura de la masa gaseosa.

Todos estos conceptos y ecuaciones se conjugan para poder realizar una operación en una torre de enfriamiento y nos ayuda a comprender su operación y funcionamiento, así como también predecir datos y experimentar cosas nuevas.


Ec. 4-18

8

Diagrama psicrométrico. Es una representación gráfica de las ecuaciones analíticas indicadas anteriormente.

Enseguida se muestra la figura 1, un diagrama psicrométrico el cual nos permitirá explicar las ecuaciones anteriores. Este diagrama es para las mezclas de aire y vapor de agua a una atmosfera de presión:



Figura 1

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1.2.- Componentes de una Torre

Las torres de enfriamiento tal como se muestra en la figura 2 poseen las siguientes partes constitutivas:

Equipo Mecánico: Conformado por una estructura para el ventilador, un motor, un reductor de velocidad, un ventilador de aspas de diferentes tipos y materiales, una flecha de transmisión y bujes reductores de vibración entre otros componentes.

Torres de enfriamiento Componentes de una Torre

Figura 2

Estructura del Ventilador

Motor Eléctrico

Aspas del Ventilador 10

Cuerpo: Es la estructura que le da forma a la torre y puede ser metálica, de madera incorruptible o de hormigón.

Reductor de Velocidad

Bujes (amortiguadores)

Flecha de Transmisión


Estructura Metálica Estructura de Hormigón

Estructura de Madera

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Los rociadores: Se encuentran en la parte superior de la torre y permiten que el agua caliente ingrese a la torre en forma de gotas para aumentar su superficie de contacto.

Rociadores tipo boquilla Instalación y Posicionamiento

Rociadores tipo boquilla y tobera Rociadores tipo esprea

Rociadores tipo aspersor y ejemplo de niebla


12

Empaquetadura: La empaquetadura es una estructura que se encuentra en el interior de la torre y puede ser metálica, plástica o de madera.

Su función es obligar a que el agua que cae en forma de gotas permanezca la mayor cantidad de tiempo dentro del cuerpo de la torre, a fin de garantizar una óptima transferencia de calor.

Así también ayuda a que el flujo de aire se distribuya uniformemente en el interior del cuerpo.

Eliminadores de Acarreo o Roció: Es una estructura ubicada en la parte superior de la torre y tiene la finalidad de evitar que las gotas pequeñas sean arrastradas por la corriente de aire fuera del sistema.


Empaque de Madera, de Plástico y Metálico

Eliminadores de Roció

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Reservorio: Se encuentra en el fondo de la torre y es un tanque en el cual se recoge el agua enfriada para regresar nuevamente al sistema.

En la figura 3 se muestra un diagrama DTI de tubería del reservorio dela torre:


Figura 3

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Tubería de restitución del agua: Conforme se produce la evaporación del agua es necesario ir restituyéndola, para este propósito existe una tubería que mantiene el nivel del reservorio constante. En la figura 3 se puede apreciar un corte de una torre de enfriamiento típica y los diagramas de tubería del reservorio.

Escalera de acceso. La escalera de acceso está en un todo de acuerdo a las especificaciones de la OSHA y permite fácil inspección y mantenimiento, además de estar compuesta normalmente del mismo material de la estructura de la torre, puede ser en fibra de vidrio reforzada con resina poliéster o en madera tratada químicamente.


Tubería de entrada de agua a la torre

Tubería para aspersión de agua

Escalera de Metal o Mixta

Escalera de Madera

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2.-Clasificacion de torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de muchas maneras. Una

de ellas hace referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de goteo). Otro tipo se da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio entre el agua y el aire. La clasificación que estudiaremos será la de tipo Natural y Mecánica entre otras.

2.1.- Circulación Natural

Tiro natural (Contracorriente):

Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el húmedo caliente y el atmosférico.

Óptimo para grandes caudales de agua. Bajos costes de mantenimiento Formación de nieblas (contaminante térmico). Aplicación fundamental: centrales térmicas.

Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica (Ver figura 4). En ellas el agua caliente proveniente del proceso se pone en contacto con el aire, provocando su calentamiento y su ascenso como consecuencia de la disminución de su densidad. El aire ascendente provoca una depresión en la parte inferior de la torre generándose la posibilidad de la admisión de aire fresco.

Estos equipos presentan bajos costos de mantenimiento y de operación debido a que no tienen consumo eléctrico, se emplean para manejar grandes capacidades de enfriamiento y requiere bajas temperaturas de aire a la entrada, son comúnmente utilizadas en centrales eléctricas o industrias de gran tamaño.

Torres de enfriamiento Clasificación de torres de enfriamiento

Figura 4 16

Es posible también encontrar una modificación sobre este tipo de torres que se conoce como tiro natural asistido, consiste en mejorar el flujo de aire por medio de ventiladores de tiro forzado que se instalan en la parte inferior de la misma.

Torres Atmosféricas (Flujo Cruzado):

En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire (Ver figura 5). Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos.

Las Torres atmosféricas tienen en mismo principio que las torres de tiro natural pero estas son de Flujo Cruzado y presentan otro tipo de estructura y no del tipo chimenea hiperbólica.

Figura 5


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2.2.- Circulación Mecánica El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas

aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios.

El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las dos 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.

Tiro Inducido flujo contracorriente


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Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior.

Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre.

El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y además permite una distribución interna más uniforme del aire.

Tiro Forzado flujo contracorriente


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2.3.- Otros tipos Torres de flujo cruzado: El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope. Las torres de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente.

Tiro Forzado flujo cruzado

Tiro Inducido flujo cruzado


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3.-Tipos de empaques Parte del sistema interno de la torre puede consistir en:

Barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones y materiales; con el objeto de fragmentar el agua, aumentar el tiempo de contacto entre esta y el aire frío que fluye dentro de la torre de enfriamiento.

3.1.- Relleno Laminar Consiste en unas delgadas y cercanamente espaciadas superficies

plásticas (PVC) sobre las cuales el agua es dispersada formando una película en contacto con el aire. Estas superficies pueden ser planas, corrugadas en forma de colmena (honeycomb) o de otros patrones de configuración y disposición, la eficiencia de éste tipo de relleno es mayor debido a la uniformidad para la transferencia de calor y además disminuye el volumen.

El diseño en el relleno celular proporciona cambios direccionales en el flujo de aire y agua para aumentar el enfriamiento y promover la eficiencia térmica que a su vez reduce sustancialmente la aparición de incrustaciones

Torres de enfriamiento Tipos de Empaques

Circulación en el Empaque

21

3.2.- Relleno Salpiqueo El agua cae continuamente sobre sucesivas capas de barras horizontales,

rompiéndose en pequeñas gotas, mientras que humedecen la superficie del relleno. Rellenos plásticos tipo salpique favorecen la transferencia de calor mucho mejor que los fabricados en madera.

Su configuración hace que el agua se escurra en la forma de micro salpiqueo con efecto de auto lavado, lo que le permite operar con aguas contaminadas por productos químicos o con sólidos en suspensión y está especialmente diseñado para obtener gran eficiencia en el cambio térmico con muy baja tendencia a la incrustación.

Diseño de baja eficiencia:

Utilizados juntos, se puede optimizar la eficiencia y a la vez mantener el relleno libre de incrustaciones.

Alta Eficiencia:

El material utilizado es polipropileno color negro, 100% virgen Tiene una resistencia a la temperatura de hasta 75 ºC (167 ºF). Cumple con lo especificado en el CTl-H-9 Cumple con la autoextinguibilidad y extinción de flama especificadas en la norma ASTM-E-84


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Un diagrama del empaque en una torre de enfriamiento


23

3.3.- Análisis del Relleno

Análisis superficial: Si cada hoja se corruga en diagonal, la superficie de contacto se incrementa un 40% a 50%.

Esto resulta en un paquete de alta eficiencia con una superficie de contacto de hasta 157.5 m2/m3 (48 ft2/ft3).

A la superficie de la hoja de PVC se le plasma un diseño que mejora la turbulencia entre el aire y agua y maximiza la transferencia de calor por evaporación y convección

Geometría de empaque:

Distribución del flujo de agua en los empaques laminares depende de la estructura en 3D del empaquetado y este a su vez aumenta el tiempo de

contacto entre el aire y el agua.

Torres de enfriamiento Análisis del Relleno

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Comportamiento del fluido en un empaque con estructura:

Análisis del movimiento, del flujo térmico y flujo másico dependiendo el tipo de lámina estructural que posee el empaque

Se observa la mejor distribución térmica cuando el empaque es corrugado ya que existe turbulencia en el aire aumentando el intercambio de calor, produciendo una delta T a menos temperatura.

Taponamiento de Rellenos:

Análisis del Agua (criterios)

• PPM: Partes por millón (1 ppm = 1 mg/l)

• TSS: “Total suspended solids” (sólidos en suspensión)

• Turbidez (NTU): Measure of water cloudiness

• TDS: “Total dissolved solids” (minerales en solución)

• Contenido de Bacteria: No. de colonias (cfu/ml)

• cfu = “colony forming units”


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Causas del Taponamiento

Sólidos en suspensión altos. Alto contenido bacterial. Altos niveles de nutrientes. Sólidos disueltos altos. Altos ciclos de concentración. Contaminación del proceso. Aceites y grasas. Combinaciones de las anteriores.

Saturación del Relleno (porcentajes)

Anatomía de una superficie obstruida

Con velocidades bajas del agua, hay crecimiento biológico y los sólidos se adhieren. Por lo tanto se afecta la transferencia de calor.


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Efecto Memoria

En los métodos tradicionales de fabricación (usados por la gran mayoría

de fabricantes), las hojas son extruidas como hojas planas, y estas son recalentadas para posteriormente darles su forma eventual. La deformación inicial durante la extrusión causa cierta tensión en la hoja que permanece en la hoja. Cuando la hoja se forma a su configuración final la tensión en la hoja permanece puesto que la temperatura a la que se forma es más baja que la temperatura a la cual fue hecha la hoja inicial.

En casos donde hay algún accidente en la torre, o cuando el relleno es expuesto a la luz solar, este efecto memoria resulta, lo cual causa una deformación en el relleno y por consecuencia baja la eficiencia de la torre

Con el método de producción de GEA 2H Water Technologies GmbH donde la hoja ya se fabrica a su forma final empezando con la masa total derretida, esto no sucede, y por lo tanto no hay tensión en la hoja evitando estos problemas.

Análisis de diferentes tipos de materiales


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4.- Historia

Torres de enfriamiento Historia

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Torres de enfriamiento Historia

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5.- Bibliografía 1. FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Second Edition,

Chapter 15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980 2. [2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag, Fundamentos de Termodinámica, (19º

edición, México, editorial Limusa, 1995), pp. 461 3. Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GARCIA & GABRIEL

TOJO BERREIRO 4. Torres de refrigeración, Manuales técnicos y de inducción para conservación

de energía, Centro de estudios de la energía Madrid esp, 1983. 177p. 5. “Cooling Water Calculations”, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical

Engineering, Agosto 1, 1977 6. Manual del ingeniero químico, tomo 1. John H. PerryEd. Hisopanoamericano

3 ed.

Torres de enfriamiento Bibliografía

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