Laboratorio de Torres 2014..

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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERLABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS GRUPO H1 – SUBGRUPO 02

3 DE JULIO DEL 2014, I SEMESTRE ACADÉMICO DE 2014

LABORATORIO 5: TORRES DE ENFRIAMIENTO

Juan Carlos Rodríguez Ávila2083660

Álvaro Esteban Gómez Sierra2104649

Adrián Camilo Bustos Gelvez2092703

Daniel Ernesto Rodríguez Tello2104537

Alberth Alexander Calvache Jaramillo2100066

Jhon Jairo Forero Pinzón2103068

Lady Johanna Calderón Lamus2094619

INTRODUCCIÓN

La mayoría de los sistemas de refrigeración y los procesosindustriales generan calor que se debe extraer y ser disipado.El agua puede ser utilizada como medio de transferencia decalor para disipar el calor de los intercambiadores y/o equiposen diversos procesos industriales. Las Torres de enfriamiento

son intercambiadores de calor de contacto directo que utilizanel agua como medio de enfriamiento con la ventaja de quetienen un bajo consumo energético en comparación con otrossistemas que cumplen la misma función.

En esta experiencia se estudian y aplican los principios básicosdel enfriamiento evaporativo mediante la caracterización delrelleno de una torre de enfriamiento.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Analizar el comportamiento térmico, el funcionamiento y lascaracterísticas más relevantes de una torre de enfriamiento.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudiar el proceso de enfriamiento evaporativo de una Torre deenfriamiento de tiro inducido bajo diferentes condiciones detrabajo.

Conocer la disposición y el funcionamiento de las partes ycomponentes de las torres de enfriamiento.

-Realizar la caracterización del relleno de una torre deenfriamiento.

-Establecer la influencia que tiene el flujo másico de agua y ede aire sobre el proceso de enfriamiento de la torre.

-Representar gráficamente el comportamiento de la torremediante la elaboración del diagrama entálpico H vs T de

proceso de enfriamiento.

-Graficar la característica del relleno Kx*a como función de larelación L/G y establecer la correlación existente entre estas.


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MARCO TEÓRICO

1) Describa brevemente el funcionamiento y lasaplicaciones de una Torre de enfriamiento

Específicamente las torres de enfriamiento tienen

como finalidad extraer calor de una corriente de agua por vaporización parcial de esta, con el consiguienteintercambio de calor sensible y latente de una corrientede aire seco y frío que circula por la torre, encondiciones tales que el aire se humidifica y el agua seenfría aproximadamente a la temperatura deltermómetro de bulbo húmedo.

En resumen, el agua caliente proveniente de algún proceso entra por la parte superior de la torre y sedistribuye uniformemente en el interior de la mismamediante el uso de pulverizadores. El contacto directodel aire atmosférico con el agua caliente provoca la

evaporación de una fracción de esta, la cual requierecalor de cambio de fase que es tomado de la mismaagua circundante, de esta manera se enfría y cae luegoen un recipiente para ser llevada y usada en algún

proceso de producción.

Las aplicaciones más frecuentes de las torres deenfriamiento de gua son sistemas de refrigeración yaire acondicionado, en plantas termoeléctricas, en

procesos de separación, y en algunos procesos de laindustria química, alimenticia y minera.

2) Describa los dos tipos principales de Torres deenfriamiento (De tiro natural, De tiro mecánico)

Torr es de enf ri amiento de tiro natural : están fundadasen el hecho de que el aire se calienta por el agua y deesta forma se produce una corriente de convecciónascensional.

Los lados de una torre de este tipo van completamentecerrados, desde el fondo hasta la parte superior,

llevando dispuestas entradas de aire cerca del fondo. Ematerial de tipo rejilla, que distribuye el agua, estáconfinado en una parte relativamente poco alta de lasección inferior de la torre, y la mayor parte de laestructura es necesaria para producir el tiro.

Las desventajas de las torres de tiro natural son, laaltura que es necesario darles para producir el tironatural y el hecho de que el agua debe tener unatemperatura superior a la del termómetro de bulboseco del aire para que éste pueda calentarse y producirla corriente de convección ascensional. La secciónrellena no puede ser tan alta como en la torre decirculación atmosférica, porque las pérdidas excesivas

por fricción, necesitarían una mayor altura de torre para producir el tiro.

Torres por ti ro mecánico: en estas se utilizanventiladores para producir la circulación del aire. Si el

ventilador está situado en la parte superior de la torrese denomina de “tiro inducido”, y si está en el fondo“de tiro forzado” El primero es el tipo preferido

porque evita el retorno del aire saturado al interior dela torre, lo que sucede con las de tiro forzado. Lastorres son similares en su parte inferior, y la partesuperior que actúa como chimenea no es necesario quesea tan larga

3) ¿Cuáles son los componentes de una torre deenfriamiento?

Las torres de enfriamiento se componen de 7elementos básicos, estos son


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Sistema de distribución de agua.RellenoEliminadores de gotasChimeneaVentiladores

BombasControl

4) ¿Para que se utiliza el Relleno de la Torre?

El relleno de la torre es el material empaquetado quetiene la torre en su interior, su finalidad es brindarmayor tiempo y área de contacto del aire con el agua.El relleno debe provocar poca resistencia al paso deaire y mantener una distribución uniforme del aguadurante todo su recorrido. Pueden diferenciarse dostipos de relleno: de goteo y de película o laminares. Enlos rellenos de goteo las gotas de agua caen sobre unaserie de pisos superpuestos que van haciendo la gotacada vez más pequeña. Puede presentar arrastre degotas, por lo que se recomienda el uso de eliminadoresde gota. Los rellenos laminares proporcionan mayorcapacidad de enfriamiento, son más eficientes y no

producen tanto goteo al exterior del equipo, sinembargo requiere un mantenimiento más frecuente.

5) Describa brevemente el Modelo Diferencial detransferencia de calor entre el agua y el aire (Modelode Merkel)

Merkel demostró que la transferencia total de calor esdirectamente proporcional a la diferencia entre laentalpía del aire saturado a la temperatura del agua y laentalpía del aire en el punto de contacto con el agua:

Q = K*S*(hw-ha)

Donde:Q: calor total transferido [Btu/h]K: coeficiente total de transferencia [lb/h*pie2]S: Área de transferencia [pie2] ; S= a*V

a: área interfacialV: volumen efectivo de la torrehw : Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura deaguaha : Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura de

bulbo húmedo.

Como la entalpía y temperatura del aire y el aguacambian a lo largo de la torre se tiene:

dQ = d[K*S*(hw-ha)] = K* (hw-ha)*dS

La transferencia de calor del lado del agua:dQ = Cw*L*dtw

La transferencia del lado del aire:dQ = G*dha

Luego el calor total es: K*(hw-ha)*dS = G*dha

6)

ó

K*(hw-ha)*dS=Cw*Ldtw

Esto puede rescribirse como:

O También como:

PROCEDIMIENTO

Los pasos enunciados a continuación se deben realizar paradiversos caudales de operación de la torre de enfriamiento:

Verificar que las siguientes válvulas estén inicialmentecerradas:

v. de acceso de vapor al banco de la experiencia. v. de acceso de agua al tanque de almacenamiento. v. de paso de agua hacia la caldera.

Encender la caldera y esperar que comience la producciónde vapor.

Medir las dimensiones del material de relleno de la torre.

Purgar la bomba pequeña mediante la apertura de laválvula proveniente del acueducto.

Abrir las siguientes válvulas:

v. reguladora del flujo proveniente de la bomba hacia latorre de enfriamiento.

v. de acceso de agua del tanque de almacenamiento.


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Encender la bomba y verificar el paso de agua que recorreel intercambiador para obtener la temperatura de entrada ala torre.

Abrir la válvula que permite el paso de vapor hacia la torre.

Seleccionar un caudal cualquiera regulando manualmentela válvula de paso de agua.

Tomar el valor del caudal ajustado.

Tomar las temperaturas leídas por las termocuplas, y queestán ubicadas en la entrada y salida de la torre, tanto parael agua como para el aire (bulbo seco y húmedo)

Es importante resaltar que la temperatura de entrada del agua ala torre de enfriamiento debe permanecer constante para loscaudales que se trabajen. Esto se logra controlando la entradade vapor proveniente de la caldera al intercambiador y

verificando dicha temperatura con el termómetro de caratuladispuesto a la entrada de la torre.

Nota: Para el informe del laboratorio cada grupo debe realizarsu propio procedimiento según lo explicado en la práctica yteniendo en cuenta:

a) Descripción básica de los componentes del banco b) Descripción de la secuencia del proceso para la toma dedatos.c) Esquema gráfico del banco, resaltando las partes másimportantes del mismo.

CÁLCULO TIPO

Los datos de mayor interés que se deben medir para edesarrollo de la gráfica están consignados en la siguiente tabla:

Los itéms resaltados son utilizados para calcular el caudal deagua que circula por la torre.

La secuencia recomendada para realizar los cálculos es lasiguiente:

1) Calcular el flujo Volumétrico de agua.

Qw =vtw

1000 · tw

2) Hallar la densidad del agua con P=Patm y T=Tsalida del agua.

w = ( 'Water' , T =tw2 , P = 101.3 )

3) Calcular el flujo másico de agua.

m w2 = Qw · w

4) Determinar el área de salida del flujo de aire.

asa =4

· ds a2

5) Calcular el flujo másico de aire teniendo en cuenta el área desalida y la velocidad.

En esta parte se hizo el cálculo de dos formas obteniendo e

mismo resultado una por medio de la humedad específica y laotra con la formula aconsejada para hallar la presión desaturación, acá se relacionan los pasos 6 y 7 también

Qw =vtw

1000 · tw


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w = ( 'Water' , T =tw2 , P =101.3 )

m w2 = Qw · w

asa =

4

· ds a2

psat = Psat ( 'Water' , T =tbd )

m a = vela · asa · a

6) Hallar la densidad del aire con T=Tdb, P=Patm y la humedadespecifica del aire a la entrada.

a = ( 'AirH2O' , T =tbd , w =wa1 , P = p t )

7) Hallar la presión de saturación para esto puede utilizar lasiguiente ecuación (tomada del libro de termodinámica del

profesor Maradey)

Donde :

Aca se utilizo la ecuacion recomendada para comprobar el valorde la presion de saturacion calculado de las dos formas.

psat,2 = 611.2 · exp a · tbd

tbd + b

Psatdb : Presión de saturación a la Tdb (Temperatura de bulboseco)

8) Determinar la entalpia del aire no saturado H.

ha1 = h ( 'AirH2O' , T =tbd , R = , P = p t )

9) Llenar el resto de valores de H a partir del cálculo delincremento:

cp = 4.18 [KJ/Kg*c]

t =tw1 – tw2

10

h = m w1 ·

cp

m a ·t

Al observar las tres ecuaciones anteriores se puede resaltar queya se planteo la supocion del poder calorifico constante, comolo habia recomendado el profesor en clase, ademas se toma larecomendación de la guia de dejar intervalos de delta detemperatura en 10 intervalos.

10) Determinar la entalpia del aire saturado.

hasat = h ( 'AirH2O' , T =tw2 , R =1 , P =p t )

11) Realizar la resta de las entalpias.

hh = hasat – ha1

12) Calcular los valores promedio del itém anterior.

Este procedimiento fue reailzado en una tabla en excel teniendo ya todos los datos, mas adelante se muestra la tablacon todos los valores para cada medicion.

13) Calcular el número de Unidades de difusión requeridas.

Este procedimiento también es realizado en Excel para hacer lasumatoria completa de todos los datos.

14) Calcular el volumen del relleno de la torre.Dimensiones del relleno de la Torre:

Ancho= 0,59 [m]Alto= 0,75 [m]Espesor= 0,59 [m]

an = 0.59

al = 0.75

es = 0.59

vtorre = es · al · an


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15) Calcular la característica del relleno.También se realiza en Excel sabiendo que

KX · a = NUD req · m w

vtorre

16) Determinar la capacidad de la torre.

La capacidad de la torre es determinada a partir de las tablasQue se muestran en los numerales siguientes

NUDofre=NUDreq

A continuación se muestra una a una las tablas y graficas decada una de las mediciones, con los respectivos cálculosrealizados, los cuales fueron mencionados anteriormente en los

pasos 12 y 13

Tabla para medición número 1

Grafica para la medición numero 1

Tabla para la medición numero 2

Grafica para la medecion numero 2

Tabla para la medicion numero 3


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Grafica para la medicion numero 3

Tabla de la medicion numero 4

Grafica de la medicion numero 4

Tabla para la medicion numero 5

Grafica para la medicion numero 5

Tabla comparativa para las 5 mediciones entre L/G y lacaracteristica Kx*a


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Grafica de la relacion Kx*a vs L/G

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

- La Diferencia de temperatura entre la entrada y la salida delagua, disminuye de medición en medición lo que hace que elvalor del número de unidades requerida tienda a disminuir paracada caso en particular

- En cada una de las tablas se puede notar que la diferenciaentre las entalpias es mayor en la parte superior de la torre, loque da indicar que estas tienen mayor transferencia de calor enla parte superior

- A medida que el número de unidades requeridas se hace menoren cada medición, también disminuye la cantidad de flujomásico de aire que se necesita, pues la cantidad de agua quecircula también tiende a disminuir.

- Es de resaltar que la el valor de kx*a disminuyo entre lamedición 1 y la medición 5 un 81.05%, tan solo con una

variación del rango de temperatura de 2.93 grados Celsius.

-..el valor de kx*a y el valor de la relación L/G estánrelacionados directamente a medida que la relación L/Gdisminuye el valor de Kx*a tiende a valores menores.

BIBLIOGRAFÍA

http://tangara.uis.edu.co/biblioweb/tesis/2011/142022.pdf

http://www.lenntech.es/procesos/desinfeccion/refrigeracion/torr es-enfriamiento.htm#ixzz389h75Uws

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