UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. - Departamento de
Aeronáutica -
“Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado.”
Resumen de los siguientes informes.
− Torre de enfriamiento de tiro forzado. Primera etapa. Dpto.
Aeronáutica. U.N.C. Año 1996. − Torre de enfriamiento de tiro forzado.
Segunda etapa. Dpto. Aeronáutica. U.N.C. Año 1997.
- Resumen completo. -
Marzo de 2000.
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INDICE Resumen completo. − Carátula. − Indice. − Nomenclatura. − 1.
Introducción. − 2. Fundamentos teóricos. − 2. 1. Descripción del proceso
de enfriamiento del agua. − 2. 2. Integral de Merkel. − 3. Características
de funcionamiento de torres. − 3. 1. Curva de funcionamiento. − 3. 2.
Punto de diseño. − 4. Ensayos de torres de enfriamiento. − 4. 1.
Generalidades. − 4. 2. Condiciones generales para la realización del
ensayo − 4. 2.1. Condiciones de equipamiento. − 4. 2.2. Condiciones
operativas. − 4. 2.2.1. Límites de variación de las condiciones operativas
− 4. 2.3. Condiciones generales del equipamiento de ensayo. − 4. 3.
Parámetros que se deberán medir durante el ensayo de una torre para
enfriamiento de agua según el código ATC-105. − 4. 3.1. Caudales de
agua. − 4. 3.2. Temperaturas. − 4. 3.2.1. Agua. − 4. 3.2.2. Aire. − 4. 3.3.
Otros parámetros a medir. − 4. 3.4. Requerimientos generales para la
medición de los parámetros − 4. 3.5. Duración del ensayo. − 4. 3.6.
Lectura de los parámetros. − 4. 3.7. Localización de los puntos de
medición de los parámetros. − 4. 3.8. Monitoreo de las condiciones de
viento y del aire sin perturbar. − 4. 3.9. Potencia de entrada al ventilador.
− 4. 3.10. Presión total de entrada − 4. 3.11. Análisis del agua circulante.
− 4. 3.12. Temperatura del aire de admisión – Bulbo seco y húmedo. − 4.
3.13. Temperaturas del agua. − 4. 3.14. Temperatura del agua caliente. −
4. 3.15. Temperatura del agua fría. − 4. 3.16. Temperatura del agua de
Make-up. − 4. 3.17. Temperatura del agua de Bloow-down. − 4. 3.18.
Mediciones de caudal de agua. − 4. 3.18.1. Caudal de agua. − 4. 3.18.2.
Flujo de agua de Make-up. − 4. 3.18.3. Flujo de agua de Bloow-down. −
4. 3.19. Cálculo de la presión total a la entrada. − 5. Sistema de
adquisición de datos. − 5. 1. Generalidades. − 5. 2. Descripción. − 5. 3.
Sensor de caudal de agua. − 5. 3.1. Calibración del caudalímetro. − 6.
Evaluación experimental de torres de enfriamiento. − 6. 1.
Generalidades. − 6. 2. Torre de enfriamiento de gran porte. − 6. 3. Torre
de enfriamiento de pequeño porte. − Bibliografía
Constante adimensional en la ecuación que describe el funcionamiento
de una torre. Área de entrada del aire, desde el ambiente, hacia el
interior a la torre. [m2] Superficie de transferencia equivalente por unidad
de volumen de torre. [1/m] Superficie de transferencia total de calor por
unidad de volumen de torre. [1/m] Superficie de transferencia total de
masa por unidad de volumen de torre. [1/m] Constante adimensional en
la ecuación que describe el funcionamiento de una torre. Constante
adimensional, antilogaritmo de la constante A ya mencionada. Calor
específico del agua. [KJ/(Kg ºK)] Calor húmedo. [KJ/(Kg ºK)] Carga típica
del relleno. [m/s] Caudal volumétrico de aire. [m3/s] Altura de la unidad
de difusión. [m] Humedad relativa ambiente. [%] Coeficiente de
transmisión de calor entre la interfase y la masa gaseosa. [KJ/(hr m2 ºK]
Coeficiente de transmisión de calor entre la interfase y la masa de agua.
[KJ/(hr m2 ºK] Entalpía específica. [KJ/Kg] Entalpía específica del aire
húmedo a la temperatura del líquido. [KJ/Kg] Entalpía específica del
vapor de agua. [KJ/Kg] Coeficiente de transferencia másica a través de la
película gaseosa. [Kg de vapor condensado/(hr m2)] Coeficiente de
transferencia másica a través de la película gaseosa basado en la
diferencia absoluta de humedades entre la interfase y la masa gaseosa.
[Kg de vapor condensado/(hr m2)] Caudal volumétrico de agua. [m3/s]
Número de Lewis. [-] Coeficiente adimensional en la ecuación de
funcionamiento de la torre. Presión atmosférica. [mmHg.] Flujo de calor.
[W] Superficie total de la sección transversal de la torre. [m2]
Temperatura. [°C o °K] Temperatura de referencia. [°C o °K] Volumen
activo de la torre (S0 . Z). [m3] Velocidad del aire. [m/s] Caudal másico.
[Kg/s] Humedad absoluta. [gr. de vapor/ gr de aire seco] Altura del relleno
de la torre. [m] 0 T T0 V Vg W Xw Z Griegas λ0 Entalpía de vaporización
para la temperatura de referencia T0
completo ηd ρ Número de unidades de difusión.(adimensional) Densidad.
[Kg/m3]
Subindices a cw ent db g hw i L r sal wb Aire seco. Agua fría. Entrada.
Bulbo seco. Gas, aire. Agua caliente. Interfase liquido-gaseosa. Liquido,
agua. Relleno Salida Bulbo húmedo.
1. INTRODUCCION. A medida que una sociedad se desarrolla
tecnológicamente es necesario incrementar los conocimientos que
permitan controlar que tal desarrollo sea eficiente en cuanto al consumo
de energía se refiere. En ese contexto este trabajo tiene como objetivo
implementar la tecnología que permita evaluar experimentalmente las
performances térmicas de torres para enfriamiento de agua y desarrollar
la metodología que permita realizar un diseño más eficiente de dichas
torres. Las torres para
ento de agua son dispositivos cuya finalidad es extraer calor del agua a
través del contacto directo con el aire. Estas torres tienen múltiples
aplicaciones, desde relativamente pequeñas instalaciones de aire
acondicionado hasta en grandes complejos de generación de energía
eléctrica. Se puede decir que su uso esta justificado en sistemas que
utilizan agua como medio refrigerante, donde sea necesario disipar
grandes cantidades de calor a bajo costo y el salto de temperatura
requerido sea del orden de 10°C. Componentes importantes de las torres
son: la carcaza, a través de la cual circulan todos los fluidos y contiene,
en general, todos los elementos que la componen, el relleno, cuya
finalidad principal es aumentar la superficie de intercambio por unidad de
volumen de la torre, el grupo impulsor de aire y el sistema de distribución
de agua ( ver Figura 1). El sistema impulsor de aire está integrado por:
ventilador, motor, transmisión y en ciertos casos el subsistema de control
de velocidad. El sistema de distribución de agua incluye las cañerías de
distribución internas, los picos rociadores y el depósito o cuba de
recolección con control del nivel de agua. De acuerdo a como se genera
el movimiento de aire pueden distinguirse dos tipos de torres: las de tiro
natural y las de tiro mecánico. Las primeras pueden ser atmosféricas y
de chimenea, estas últimas con o sin asistencia mecánica. Las de tiro
mecánico pueden ser de flujo forzado (aire impulsado al interior) o bien
de flujo inducido (aire aspirado desde el interior). En este último tipo de
torres el flujo de aire respecto al del agua puede ser cruzado o a
contracorriente (Ref. 1, Cap. I ). El dominio de la metodología de cálculo
de torres de enfriamiento de agua implica conocer los fundamentos
teóricos del proceso de termotransferencia que tiene lugar en su interior
como así también las características del flujo interno y la correspondiente
ponderación de las pérdidas de carga para poder seleccionar o diseñar
un ventilador eficiente. Ello permitirá obtener torres de enfriamiento con
una alta eficiencia termodinámica y un bajo consumo energético del
grupo moto-propulsivo.
Fig. 1. Torre de enfriamiento de tiro forzado El estado actual del arte no
permite que las características de termotransferencia del relleno como
así también la pérdida de carga que ocasiona el mismo puedan ser
obtenidos analíticamente ya que no existe un modelo que describa el
funcionamiento del relleno. Por lo tanto para diseñar una torre que
funcione eficientemente en determinadas condiciones operativas es
necesario recurrir a datos experimentales para determinar las
prestaciones térmicas y aerodinámicas del relleno. Surge así la
necesidad de disponer de una instalación experimental que permita
evaluar dichas prestaciones en distintos tipos de relleno.
La determinación experimental de la performance térmica de torres de
enfriamiento operando en condiciones reales, brindará la información
empírica necesaria para analizar el comportamiento del relleno y la
características del flujo interno. Esta información utilizada en nuevos
diseños, permitirá obtener productos con mayor eficiencia térmica y
energética. Si se pretende que los resultados de una evaluación
experimental sean confiables, representativos y además comparables
con otros ensayos es necesario que se obtengan con técnicas
experimentales que satisfagan requisitos determinados, previamente
establecidas. Estos requisitos condicionan la calidad y el estado del
equipamiento involucrado, los procedimientos de ejecución de los
ensayos, la adquisición y el procesamiento de datos experimentales a los
efectos de elaborar conclusiones. En este estudio se optó por seguir los
patrones y normas del Cooling Tower Institute (CTI) para la ejecución de
los ensayos pertinentes en razón del prestigio a nivel internacional de
esa organización y por disponerse de la bibliografía necesaria. Por ello
las evaluaciones realizadas en torres de pequeño y gran porte se
realizaron de acuerdo con la metodología descripta en el Código AT-105
del CTI. Si bien este trabajo se realiza para torres de tiro mecánico, sus
resultados o logros podrán aplicarse a otros tipos de torres o
instalaciones para intercambiar calor, que se basen en los mismos
principios de funcionamiento.
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. El proceso de termotransferencia que
se produce en una torre para enfriamiento de agua, cualquiera fuese su
tipo, es el resultado de la interacción entre el medio gaseoso refrigerante
(aire) y el fluido a enfriar (agua). En las torres el agua se encuentra en
contacto directo con el aire que la enfría y el proceso de transferencia de
calor se realiza en parte por intercambio de calor sensible entre la fase
líquida y la gaseosa, pero en mayor medida por la formación de vapor de
agua en la interfase líquido/gas y su posterior difusión en el aire que la
circunda. El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire,
está íntimamente conectado con el de transferencia de calor. En efecto,
con el cambio de fase desde líquido a vapor se absorbe calor lo cual da
lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la superficie
líquida. En muchos casos prácticos, las condiciones en que se
desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que la
difusividad térmica y el coeficiente de difusión másico son iguales, es
decir el número de Lewis es igual a la unidad. 2. 1. Descripción del
proceso de enfriamiento del agua. El estudio del proceso de enfriamiento
en una torre, implica el análisis del intercambio de calor por contacto
directo entre un líquido (agua) y un gas (aire). Comparado con el de
transferencia de calor entre un gas y un medio líquido a través de una
pared rígida que los separa, el caso de la torre es más complejo porque
es difícil evaluar la superficie real de transferencia. No obstante,
mediante la formulación de esquemas idealizados descriptivos del
proceso y de algunas hipótesis justificadas por el relativo buen
funcionamiento del esquema, es posible arribar a un procedimiento de
cálculo que permite evaluar rápidamente si la torre puede satisfacer el
servicio requerido. Un esquema idealizado del fenómeno de transferencia
que tiene lugar entre la masa liquida y la gaseosa en una torre de
enfriamiento se muestra en la Figura 2. Puede suponerse que a uno y
otro lado de la interfase 2-2' se forman una película de aire y otra de
agua. Los gradientes de temperatura existentes en ambas películas
promueven la transferencia de calor necesaria para producir la
evaporación y difusión de una pequeña porción del agua que esta en
circulación.
Película del gas
TL
masa líquida masa gaseosa
Distribución de temperatura
Tg
3’ Película del líquido 2’ 1’ Interfase
Fig. 2. Idealización del fenómeno de transferencia
La hipótesis de la película líquida permite, en cualquier sección de la
torre, expresar la transferencia de calor desde la corriente líquida a una
temperatura local media TL hacia la interfase con temperatura Ti de la
siguiente forma: WL CL dL = hL aH S0 dZ . ( TL - Ti ) (1)
A su vez la película del lado del aire permite expresar la transferencia de
calor desde la interfase hacia la masa gaseosa con temperatura local
media Tg como: Wg Cs dg = hg aH S0 dZ . ( Ti - Tg) (2)
Por otra parte, el vapor de agua que se forma en la interfase se difunde
hacia la masa gaseosa. Dicha difusión, en cualquier sección de la torre,
es proporcional a la humedad específica del aire saturado en contacto
con la interfase Xwi, menos la humedad específica de la masa de aire
Xwg. Resulta entonces: Wg dXw = K’g aM S0 dZ . ( Xwi - Xwg ) (3)
donde K'g es el coeficiente de transferencia másica y aM es el área a
través de la cual se produce dicha transferencia. 2. 2. Integral de Merkel.
El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire esta
íntimamente vinculado con el de transferencia de calor entre ambos
medios. En muchos casos prácticos las condiciones en que se
desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que las
difusividades térmica y másica son iguales, es decir el número de Lewis
es igual a uno (Le = 1).
Si además de Le = 1 se acepta que aM = aH = a, en Ref. T.F. 1 se
demuestra que las ec. 2 y 3 pueden combinarse para obtener: Wg dig =
K’g a S0 dZ . ( ii - ig ) (4)
Como no puede conocerse con exactitud la temperatura de la interfase
agua-aire, ya que resulta muy difícil de determinar experimentalmente, se
acepta que sea igual a la temperatura local media TL del líquido.
Entonces la 4 se escribe: Wg dig = Kg a S0 dZ . ( iL - ig ) (5)
donde iL es la entalpía del aire saturado a la temperatura TL del agua e
ig es la entalpía del aire húmedo. Nótese que suponer Ti = TL implica
aceptar que hL . aH es infinito, lo cuál, lógicamente no es cierto. Además,
la utilización en la ec. 5 de un coeficiente de transferencia de masa
aparente Kg distinto del verdadero K'g es permisible, siempre que exista
entre ambos una relación constante. Si la cantidad de agua que se
evapora es pequeña comparada con el total de agua que se desea
enfriar ( ~ 2 %), siguiendo el análisis de Ref. T.F. 1 puede suponerse
que: Wg . dig ~ WL . CL . dTL Si se tiene en cuenta esta última
expresión, la ec. 5 se puede escribir: ( K G .a. S 0 .Z) WL x dZ = C L x dT
L ( iL - i g ) (6)
(7)
e integrando se obtiene la expresión de Merkel (Ref. T.F. 1):
ηd =
( K G .a. S 0 .Z) WL
T hw
= CL x
T cw
∫ (i
dT L L - ig )
(8)
Esta integral permite calcular el numero de unidades de difusión
necesarias, ηd, para que la torre cumpla con el servicio requerido. Por
otra parte se define la altura de la unidad de difusión, HDU, a través de la
siguiente expresión: Z ηd
HDU =
(9)
No es casual que la simplificación de Merkel (Le = 1) funcione
razonablemente bien,
ello es así como consecuencia de que el Cp del aire es
aproximadamente 0.24 y el calor sensible transferido en una torre de
contacto directo es solamente una cuarta parte del calor transferido por
evaporación. De esta manera para transferir un número dado de calorías
de calor sensible, se requiere un potencial cuatro veces mayor que para
transferir igual número de calorías mediante la transferencia de masa.
Por ello, aunque se cometa un error del 50% en el coeficiente de
transferencia de calor, esto influirá solamente en un 10% de error en el
total. Evidentemente si el fluido al cual se transfiere calor tiene un Cp
más alto, la situación no será tan simple. La entalpía actual de la masa
de aire húmedo ig en cualquier sección de la torre se puede expresar en
términos de la relación entre la masa líquida y la del aire WL /Wg . En
efecto integrando la ec. 6 se obtiene: i g ( T L ) = i g ( T wb ) + C L x WL
x( T L T cw ) Wg (10)
El término independiente se elige igual a la entalpía del aire a la entrada
de la torre, la cual es dato o puede determinarse en función de sus
propiedades psicrométricas. La ec. 10 relaciona el cambio de entalpía en
la masa de aire con el cambio de temperatura del agua, por lo tanto
define la "línea de operación del aire" que acompaña al agua. El
diagrama entálpico de la Fig.3 ha sido construido con el propósito de
facilitar la interpretación física de la integral ec. 8. Con la curva CF se
grafican las entalpías iL del aire saturado en función de la
temperatura,TL, del agua. De conformidad con las hipótesis formuladas,
la saturación del aire puede darse únicamente sobre la interfase agua-
aire. El punto C corresponde a la temperatura de bulbo húmedo Twb del
aire que entra a la torre. En la parte inferior de la torre, el agua enfriada
puede poseer una temperatura Tcw igual o menor que la temperatura de
bulbo seco del aire con el que se pone en contacto, pero no más abajo
que el bulbo húmedo de este aire. El aire a la temperatura Tcw se
representa por el punto “A” el cuál posee la misma entalpía que el aire
saturado (temp. Twb). A la diferencia entre las temperaturas del aire Twb
y Tcw se la denomina aproximación y a la diferencia entre la temperatura
de entrada del agua Thw y la de salida Tcw se la denomina salto térmico.
El aire que deja la torre adquiere la entalpía que resulta de introducir en
la ec. 10 la temperatura Thw, es decir la correspondiente a la del agua
caliente que entra por la parte superior. Cuando el contenido de
humedad con que sale el aire más se aproxime al de saturación, mejor
será la performance térmica de la torre, ya que en principio se generaría
un número de unidades de difusión superior. De la Fig. 3 se desprende
que dicha saturación se consigue con la línea de operación que une “A”
con “B”, que además es la de mayor pendiente (máximo valor de WL
/Wg). Pero por estar “B” sobre la curva de aire saturado, dicha operación
es posible
25 0F 20 0
Aire saturado i, ig [ KJ/Kg ] 15 0 B B’ G 10 0 H C 50
Linea operativa del aire WL/Wg
A Aproximación Salto térmico
0 10 Twb 15 20 Tcw 25 T,T [`C ] 30 Tg2 35 Thw 40 45
Fig. 3. Diagrama entálpico del proceso de enfriamiento. Únicamente con
una torre de altura infinita (Ref. T.F. 1). Por lo tanto es necesario
disminuir la relación agua-aire y conseguir una línea menos empinada
como la AB'. El área encerrada entre la curva de saturación iL (TL) y la
línea de operación ig (TL) cuyos vértices son A,B',B y H, es indicativa del
potencial que promueve la transferencia de calor total entre el agua y el
aire. La resolución de la integral ec. 8 permite obtener el número de
unidades de difusión ηd necesario para producir el cambio en la
temperatura del agua. A este efecto se ha desarrollado un programa de
cómputo que permite la resolución numérica de dicha integral a partir de
datos de funcionamiento de la torre preestablecida, p.ej. la temperatura y
porcentaje de humedad del aire en el ambiente y el salto de temperatura
deseado para el agua. Resultados típicos obtenidos con el programa se
presentan en la Fig. 4. Volviendo a la Fig. 3, se observa cómo se
determina la temperatura de bulbo húmedo Twb para el aire a la salida
de la torre, pero no es posible conocer su temperatura de bulbo seco.
Esto requiere de un procedimiento numérico (o gráfico) adicional al aquí
expuesto que permita determinar el contenido de humedad que va
adquiriendo a medida que atraviesa el relleno. No obstante, por ser el
porcentajes de humedad relativa del aire a la salida de la torre muy alto
( > 90 %), suele aceptarse que sale saturado, particularmente cuando se
calcula la potencia requerida por el ventilador.
Temperatura de bulbo húmedo = 25.0 °C Presión ambiente = 98.0665
kPa Salto térmico = 10 °C
10 Ka.V/W L 10,1 0,1 1 Aproximación 5 °C Aproximación 10 °C
W L/W G
Fig. 4. Ejemplos del cálculo del número de unidades de difusión.
3. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE TORRES. La
naturaleza de los fenómenos de transferencia que tienen lugar en una
torre de tiro forzado, no permite, a la luz del estado actual del arte,
plantear un procedimiento que permita determinar el número de las
unidades de difusión que produce una torre para una determinada
condición operativa y por lo tanto tampoco se puede predecir
analíticamente el comportamiento del ηd en función de la relación de
caudales másicos agua/aire. 3. 1. Curva de funcionamiento. El C.T.I.
encontró una ecuación que vincula muy satisfactoriamente a WL/Wg con
KaV/WL, Referencia 1, deducida a partir de la correlación estadística de
datos obtenidos de ensayos realizados a numerosas torres de
enfriamiento comerciales de tipos y marcas variadas. La misma se
escribe: K . a .V WL = C . W L W g –n ηD = (11)
Se hacer notar que cuando WL/Wg = 1, la altura Z del relleno de la torre
dividida por la constante C, permite determinar el HDU, es decir el valor
de la altura de la unidad de difusión. De acuerdo a lo expresado
anteriormente no hay un procedimiento que permita la evaluación de la
constante “C” y el exponente “n” en base a consideraciones puramente
teóricas. Sí es factible su evaluación mediante ensayos efectuados con
configuraciones similares. Por lo tanto el HDU sólo puede obtenerse
experimentalmente. Dado el HDU, la altura total de la torre requerida
para un servicio determinado puede calcularse, previa estimación del ηd
necesario. Casi todas las torres modernas utilizan como relleno láminas
de diversos tipos de plásticos, específicamente configuradas y
adecuadamente dispuestas con el propósito de conseguir en la menor
distancia el mayor contacto posible entre la película gaseosa y la líquida.
Con esto se incrementa su efectividad y se reduce considerablemente la
potencia necesaria para impulsar el aire a través del relleno. La
información técnica con respecto a los rellenos empleados en las torres
modernas es muy limitada, ya que es considerada propiedad del
fabricante. Resulta entonces de interés fundamental, contar con equipos
experimentales que permitan determinar las performances características
(térmicas y de pérdida de presión) de los rellenos que podrían ser
propuestos por los fabricantes nacionales. Además, para que los
estudios que se efectúen con dichos equipos sean aplicables al mundo
real, es necesario contar con células de ensayo cuyo diseño haya sido
efectuado respetando los parámetros de similitud que caracterizan los
fenómenos físicos involucrados.
Utilizando los valores de n y C obtenidos experimentalmente, las función
dada por la ecuación (11) puede graficarse usando en ambas
coordenadas escalas logarítmicas. De este modo la ecuación
representada resulta: K aV Log WL donde : A = Log ( C ) 3. 2.
Punto de diseño. La gráfica de la ecuación (12) resulta una línea recta y
la intersección de ella con la curva que representa en el mismo gráfico
las unidades de difusión necesarias en función de WL/Wg, para
determinadas condiciones ambientales, salto térmico y acercamiento,
determina el punto de diseño o de funcionamiento de la torre que
producirá en el agua el salto térmico deseado con el acercamiento y
condiciones ambientales fijados. Una ilustración de lo expuesto se
presenta en la Fig. 5. El comportamiento lineal de la curva de
funcionamiento de las torres de enfriamiento de agua en función de la
relación de caudales másicos se mantendrá en la medida que se
sostengan las condiciones del flujo de aire y del agua que garanticen la
similitud dinámica del proceso. CONDICIONES Twb=23.9ºC – Salto
Termico=11.1 ºC – Patm=1 atm.
10
W = A + B x Log L W g
(12)
y B=-n
Curva de diseño
Operación de la torre
KaV/WL
1Aproximación = 8.33 ºC
Punto de funcionamiento
0,1 0,1 1 W L/W g 10
4. ENSAYOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO
4. 1. Generalidades. Cuando se ejecuta un ensayo, cualquiera sea su
tipo o elemento sobre el cual se realiza, es importante que los resultados
obtenidos sean confiables, representativos y además puedan ser
comparados con los de otros ensayos. Ello implica la necesidad de
ejecutarlos bajo determinadas condiciones estandarizadas. Para
satisfacer estos requisitos la manera mas idónea es establecer los
procedimientos para ejecutar el ensayo, definir las condiciones que debe
reunir el equipamiento involucrado, es decir la torre de enfriamiento y el
instrumental de medición y fijar las condiciones generales bajo las cuales
se llevará a cabo la evaluación experimental. En general la solución no
proviene exclusivamente de quien ejecuta el ensayo, sino que se recurre
a fuentes con mayor experiencia y que además, tienen una autoridad
reconocida en la materia. Dichas fuentes nos son otras que los
Estándares Internacionales, entre los que se podrían mencionar: ISO,
ASME, SAE, DIN; JIS, IRAM y muchos otros que han elaborado normas
sobre diversas áreas del quehacer industrial (p.ej: Petróleo, Corrosión,
Ensayos No Destructivos, Torres para Enfriamiento de Agua, etc.). De
acuerdo a lo expuesto es necesario entonces escoger un estánd
ar aplicable a nuestro interés: Las Torres para Enfriamiento de Agua. En
éste ámbito es numerosa la información que existe y entre otras podrían
mencionarse las normas japonesas (JIS), las norteamericanas (ASME y
CTI), y las alemanas (DIN). Para la realización de éste trabajo se decidió
optar por los estándares del Cooling Tower Institute (CTI). Esta elección
obedeció al elevado prestigio internacional de dicho instituto, además sus
publicaciones e informes constituyen la mayor fuente bibliográfica. Dentro
de los estándares del CTI, el código ATC-105 es el que se aplica para
realizar los ensayos para la determinación de las performances térmicas
y las pruebas de aceptación. El citado código abarca a distintos tipos de
torres, a saber: - Torres de circulación mecánica. - Torres de circulación
natural. - Torres de circulación natural asistida por un ventilador. - Torres
Húmedas/Secas de circulación mecánica. Los requerimientos y
procedimientos son generales para todos los tipos de torres, mientras
que los métodos para la evaluación de las performances son distintos
para cada tipo de torre. 1 Referencia Trabajo Final 2.
1
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 2. Condiciones generales para la realización del ensayo. 4. 2.1.
Condiciones del equipamiento. La torre deberá estar en buenas
condiciones operativas y cumplir con los siguientes requisitos: A - Los
sistemas de distribución de agua deberán estar limpios y libres de materi
ales extraños que puedan impedir el flujo normal del agua. B - Los
equipamientos mecánicos, si existen, deberán estar en buenas
condiciones operativas. Los ventiladores deberán rotar en la dirección
correcta. Las paletas del ventilador deberán tener el calaje especificado,
pudiendo entregar una potencia dentro del ± 10 % de la potencia nominal
de trabajo. Además en los ventiladores centrífugos, deberá verificarse
que el difusor esté libre de materiales extraños y que estén instalados
apropiadamente. C - Los conductos de circulación de aire deberán estar
libres y que no haya algas u otros sedimentos que puedan impedir la
normal circulación del aire. D - El relleno debe estar esencialmente libre
de materiales extraños, incluyendo algas, aceites, alquitrán o
incrustaciones metálicas. E - Los caudales de Make-up y/o Bloow-down
podrán ser cerrados durante el ensayo, si los parámetros necesarios
para evaluar la performance ensayada no se ven afectados en forma
adversa. F - El nivel de agua, en la cuba de agua fría, deberá ser el de
operación normal y mantenido esencialmente constante durante el
ensayo. G - El aire de enfriamiento, tanto el interno como el externo,
debe estar esencialmente libre de materiales extraños y deberá
satisfacer criterios de limpieza acordadas entre el usuario y el fabricante
con anterioridad al ensayo. 4. 2.2. Condiciones operativas. El ensayo se
debe desarrollar dentro de las siguientes limitaciones: A - Las
temperaturas de bulbo seco y húmedo deberán ser los valores del aire a
la entrada y deberán ser medidas en concordancia con el Párrafo 2-1-5,
del Código ATC-105. B - La velocidad del viento deberá ser medida de
conformidad con el párrafo 2-1-1 de dicho código y no deberán
excederse los valores siguientes: - Velocidad promedio del viento:
18/38
16 km/h (10 mph);
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
- Ráfagas de un minuto de duración:
24 km/h (15 mph);
C - Los valores de los siguientes parámetros, no deberán variar respecto
de las condiciones de diseño, por encima de: - Temperatura de bulbo
seco: - Temperatura de bulbo húmedo: - Rango de enfriamiento: - Caudal
de agua: - Presión barométrica: ± ± ± ± ± 2.5 ºC 1.5 ºC 20 % 10 % 3,385
kPa (± 1 Hg)
D - Para torres multi-celdas, una o mas celdas pueden ser sacadas de
funcionamiento, con la condición que el caudal de agua para cada celda
activa, esté dentro de los limites operativos establecidos según norma. E
- El agua debe ser distribuida a todas las celdas operativas y/o partes de
la torre recomendadas por el fabricante. F - El total de sólidos disueltos
en el agua de circulación, determinados por evaporación, no debe
exceder los valores: a - 5.000 p.p.m. b - 1,1 veces la concentración de
diseño Además el agua de circulación no debe contener mas de 10
p.p.m. de aceite, óxidos o sustancias grasas (determinada por los
procedimientos de la American Public Heath Asoc.). 4. 2.2.1 Límites de
variación de las
diciones operativas. Para que los resultados del ensayo sean validados,
la variación de las condiciones operativas durante el ensayo deberá estar
dentro de los siguientes límites: - Caudal de agua: - Carga térmica: -
Salto térmico ± 5% ± 5% ± 5%
Las lecturas instantáneas de temperatura pueden variar, pero el rango de
variación de los promedios durante el período de ensayo no deberá
exceder: - Temperatura de bulbo seco: 2,78 ºC/hr (5 ºF/hr) - Temperatura
de bulbo húmedo: 1,12 ºC/hr (2 ºF/hr)
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 2.3. Condiciones generales del equipamiento de ensayo. La ejecución
de un ensayo del tipo que se está tratando hace necesario que los
instrumentos tengan una elevada precisión y además estén calibrados
previamente a la realización del ensayo. Si los ensayos son ejecutados
para ser homologados por el CTI, los instrumentos deberán ser revisados
y aprobados por el CTI previamente a la realización del ensayo. 4. 3.
Parámetros que se deberán medir durante el ensayo de una torre para
enfriamiento de agua según el código ATC-105. 4. 3.1. Caudales de
agua. Deberán medirse los siguientes caudales de agua: - Caudal de
agua. - Caudal de agua de Make-up. - Caudal de agua de Bloow-down.
Estos dos últimos se medirán, solo si están operativos durante el ensayo
(se pueden interrumpir sino se afectan otras performances de
funcionamiento de la torre). 4. 3.2. Temperaturas. 4. 3.2.1. Agua. -
Temperatura de agua calie
nte. - Temperatura de agua fría. - Temperatura del caudal de Make-up. -
Temperatura del caudal de Bloow-down. 4. 3.2.2. Aire. - Temperatura de
bulbo seco del aire de admisión. - Temperatura de bulbo húmedo del aire
de admisión. 4. 3.3. Otros parámetros a medir: - Presión estática, para
determinar la presión total en la entrada (párrafo 4. 3.10.). - Presión
barométrica. - Potencia a la entrada del ventilador. - Velocidad y
dirección del viento de la atmósfera local. - Deberá tomarse una muestra
del agua circulante (párrafo 4. 3.11.).
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 3.4. Requerimientos generales para la medición de los parámetros. En
los instrumentos para la medición de los parámetros se deberán cumplir
los requerimientos de precisión, apreciación y frecuencia de toma de
lecturas dados en la Tabla 1. 4. 3.5. Duración del ensayo. Luego de
alcanzadas las condiciones de régimen térmico, el tiempo de ensayo
debe ser por lo menos, de 1 hora. Si la inercia térmica es mayor a 5
minutos, el tiempo de ensayo cronometrado deberá ser de 1 hora+inercia
térmica y en el cómputo de los resultados del ensayo no se tendrán en
cuenta los valores de los parámetros relevados durante el período de la
inercia térmica. Si la inercia térmica es menor que 5 minutos, entonces
no es necesario que se incremente el tiempo del ensayo, ni tampoco se
eliminen los parámetros medidos durante éste período en el momento de
la evaluación de los resultados.
Tabla 1 PARÁMETRO Caudal de agua circulante Caudal de agua de
Make-up Caudal de agua de Bloow-down Temperatura de agua caliente
Temperatura de agua fría Temperatura del caudal de Make-up
Temperatura de caudal de Blowdown Temperatura de admisión de bulbo
seco Temperatura de admisión de bulbo húmedo Velocidad y dirección
del viento Presión barométrica Presión total a la entrada PRECISION ±
1,25 % ± 1,25 % ± 1,25 % ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ±
0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC
(± 0,1 ºF) ----- (1) ----- (1) ----- (1) APRECIACIÓN 3,785 lts/min (1 g.p.m)
3,785 lts/min (1 g.p.m) 3,785 lts/min (1 g.p.m) 0,11 ºC (0,2 ºF) 0,11 ºC
(0,2 ºF) 0,11 ºC (0,2 ºF) 0,11 ºC (0,2 ºF) CANTIDAD DE LECTURAS (*) 3
2 2 12 12 2 2
0,11 ºC (0,2 ºF)
0,11 ºC (0,2 ºF) 1,61 km/h (1 mph.) 33,85 Pa (0,01 Inch Hg) 0,03048 m
(0,1 ft.) 1 1
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
(*) Numero mínimo de mediciones por hora y por estación. (1) La
precisión no está especificada en el Código ATC-105 del CTI
El tiempo de inercia térmica se estima mediante la fórmula: s = (0,12 . Vb
. w)/(gpm)t donde: s = inercia térmica (minutos). Vb = volumen de agua
en la cuba durante el ensayo (ft.3). 3 w = densidad del agua de la cuba
(lbm/ft. ). (gpm)t = caudal de agua (galones/minuto). 4. 3.6. Lectura de
los parámetros. La lectura de todos los parámetros debe ser realizada a
intervalos regulares durante el período que d
ura el ensayo (ver párrafo 7.5), según se detalla en los párrafos
subsiguientes. 4. 3.7. Localización de los puntos de medición de los
parámetros. Uno de los aspectos claves para el éxito del ensayo es la
elección de los puntos de ubicación de los sensores, ya que de ella
dependerá la representatividad del valor obtenido respecto al valor real
del parámetro y por ende influenciará la precisión final de las mediciones.
En este sentido el Código ATC-105 no establece una única posibilidad de
ubicación para cada parámetro, sino que para algunos, enumera una
serie de posibles localizaciones mientras que para otros (p.ej:
temperaturas del aire de admisión) fija zonas donde la instalación de los
sensores está permitida. Para la implementación del sistema de medición
que se está tratando, se optó por elegir entre todas las posibles
ubicaciones para los sensores, las descriptas en los puntos siguientes,
tratando que se adapte a la configuración de una torre típica, es decir
aquella que sería mas frecuente de encontrar en el mercado argentino.
Una probable representación esquemática de la ubicación de los
sensores es la que se muestra en la Figura 6. Tal vez algunos puntos de
localización elegidos no resultan óptimos para otro tipo o configuración
de torre, en cuyo caso deberán adecuarse a las particularidades que se
planteen, las cuales deberán evaluarse en el momento de implementar el
ensayo.
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
Entrada de agua
Temperatura de agua Caliente.
Caudal de agua Temperatura Bulbo Seco Temp. Bulbo húmedo.
Presión estática
Ingreso de agua caliente
M
Potencia de Accionamineto del ventilador
Temperatura de Bloow-down
B
Ingreso caudal Make-up Temperatura Make-up Salida de Agua fria
Caudal de Make-up Temperatura de agua fria Salida caudal Bloow-down
Caudal de Bloow-down
Fig. 6. Esquema de la posición de los sensores montados en la torre. 4.
3.8. Monitoreo de las condiciones de viento y del aire sin perturbar. La
localización de los sensores de la central meteorológica, deberá ser en
un sitio abierto y que no posea obstrucciones a su alrededor; además
debe estar fuera de la influencia del aire de admisión de la torre. Ésta
ubicación surgirá de un acuerdo entre las partes que ejecuten el ensayo.
De todos modos deberá cumplirse para: - Torres de altura menor o igual
a 6,096 m (20 ft).: los sensores se deberán posicionar a una altura de
1,524 m (5 ft.) por encima de la envolvente superior de la torre y a una
distancia de entre 15,24 m y 30,48 m (50 y 100 ft.) de la torre (ésta última
condición se cumplirá si es posible). - Torres de altura mayor a 6,096 m
(20 ft).: los sensores se deberán posicionar a una altura por encima de la
envolvente superior de la torre de 1,5 veces la distancia entre dicha
envolvente y la descarga; a una distancia de al menos 30,48 m (100 ft.)
desde la torre (ésta última condición se cumplirá si es posible). 4. 3.9. P
otencia de entrada al ventilador. La medición de la potencia de
accionamiento del ventilador, deberá realizarse mediante un
VATÍMETRO, midiendo la potencia eléctrica consumida por el/los
motor/es que
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
acciona/an el/los ventilador/es. También puede realizarse la medición
indirecta, a través de la tensión a la entrada E (Voltios), la intensidad de
corriente I (Amperes) y el factor de potencia, calculando entonces la
potencia eléctrica activa consumida (no se especifica la precisión de la
medición). 4. 3.10. Presión total de entrada. Normalmente es un
parámetro que no se determina en los ensayos corrientes destinados
sólo a la evaluación de las performances térmicas. De todas maneras
cuando sea necesaria su determinación (p. ej. para utilizarla en los
cálculos de diseño), deberá colocarse un sensor de presión estática en el
conducto de subida de agua a la torre (en cualquier punto de éste
conducto) y para la determinación del valor de la Presión Total a la
Entrada deberá cumplirse el procedimiento indicado en el Párrafo 4. 3.19.
4. 3.11. Análisis del agua circulante. Una muestra del agua circulante
deberá ser tomada durante el ensayo (p.ej: agua de la cuba o pileta). Se
analizará si surge alguna disputa en relación a las condiciones de la
misma. En éste caso la muestra deberá ser analizada por un laboratorio
de ensayos de agua, de reputación reconocida, para determinar si
cumple con lo establecid
o en el párrafo 7.2- F. 4. 3.12. Temperatura del aire de admisión - Bulbo
seco y bulbo húmedo. Los sensores de temperatura del aire de admisión
deberán encontrarse a una distancia menor a 1,22 m (4 ft.) de la entrada
de aire. Deberá ubicarse la cantidad que surja de la aplicación de la
siguiente fórmula: N = 0,2 (Aent) 0,4 donde: N: Número mínimo de
puntos de medición de temperaturas (N estaciones para bulbo seco y N
estaciones para bulbo húmedo). Aent: Area de la entrada de aire en ft2
Cada punto de medición (de bulbo seco y húmedo) se ubicará en el
centro de un rectángulo imaginario, que se obtendrá tomando el área de
la entrada de aire y dividiéndola en tantas partes iguales, como puntos de
medición de temperatura se tomen (como mínimo el número dado
arriba).
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 3.13. Temperaturas de agua. Los sensores deberán estar ubicados en
puntos donde se asegure un correcto mezclado del agua. La medición de
la temperatura del agua caliente se podrá realizar en distintos puntos, por
ejemplo: En la entrada del conducto de entrada de agua. En la descarga
del conducto de entrada. En los colectores (previos a los rociadores). En
los sistemas de distribución. Para torres multiceldas en el suministro
principal, justo antes del primer rociador.
Si el suministro es la mezcla de dos o más caudales a diferentes
temperaturas, en el punto de medición deberá asegurarse el mezclado
completo, o bien realizar el promedio ponderado entre temperaturas y
caudales de mezcla. 4. 3.14. Temperatura de agua caliente. La
temperatura de agua caliente se tomará a través de un sensor que será
colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el cual se colocará
en una T, montada en el conducto de subida de agua caliente a la
entrada de la torre. La profundidad de inmersión de la vaina en el
conducto será de aproximadamente 0,5 del diámetro del mismo. 4. 3.15.
Temperatura de agua fría. La temperatura de agua fría se deberá tomar a
través de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch),
el cual se colocará en una T, montada en el conducto de salida de agua
fría, después de la bomba de circulación de agua (si hubiese), a una
distancia de 5 diámetros (desde la bomba) para disminuir las
perturbaciones en el flujo. La profundidad de inmersión de la vaina en el
conducto será de aproximadamente 0,5 del diámetro del mismo, según lo
recomendado por el fabricante del sensor. La temperatura del agua
deberá ser corregida por el calor agregado por la bomba, si hubiese, de
acuerdo al procedimiento descripto en Ref. 2. Si no está presente la
bomba en el circuito de agua fría, el inserto se montará tan próximo a la
salida como sea posible. 4. 3.16. Temperatura del agua de Make-up. La
temperatura del caudal de agua de Make-up (si no está cerrado) se
tomará a través de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7
mm (½ inch), el cual se colocará en una T, ubicada en el conducto del
agua de Make-up, antes que éste ingrese al sistema y a la menor
distancia posible de la entrada, para asegurar que el valor sea lo más
representativo del real. La profundidad de inmersión de la vaina en el
conducto deberá ser de aproximadamente ½ diámetro del mismo.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 3.17. Temperatura del agua de Bloow-down. La temperatura del
caudal de agua de Bloow-down (si no está cerrado) se tomará a través
de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el
cual se colocará en una T, ubicada en el conducto del agua de Blow-
down, después que este abandone el sistema y a la menor distancia
posible de la salida (para asegurar que el valor sea lo más representativo
posible del real). La profundidad de inmersión de la vaina en el conducto
deberá ser de aproximadamente ½ diámetro del mismo. 4. 3.18.
Mediciones de caudal de agua. En el código ATC-105 se establecen
diferentes dispositivos mediante los cuales se puede efectuar la medición
de los caudales de agua. Para el sistema del presente trabajo se optó por
efectuarlas con flujómetros a turbina. 4. 3.18.1. Caudal de agua. La
medición del caudal de agua se efectuará a través de un flujómetro a
turbina, de 101,6 mm de diámetro (4 inch), que deberá ser instalada en el
conducto de subida de agua a la torre. Según las recomendaciones del
fabricante del sensor para asegurar una elevada precisión en la medición
es necesario mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del
sensor, cuyas longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo,
respectivamente. Esto tiene un doble efecto, proveer un flujo ordenado al
sensor y así evitar la colocación de rectificadores de flujo; por otro lado
facilitar una buena circulación con bajas pérdidas de carga. 4. 3.18.2.
Flujo de agua de Make-up. El flujo de agua circulante se efectuará a
través de un flujómetro a turbina de 19,05 mm de diámetro (¾ inch), que
deberá ser instalada en el conducto de entrada de agua a la torre. Para
asegurar una adecuada precisión en la medición también se recomienda
mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del sensor, cuyas
longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo,
respectivamente. 4. 3.18.3. Flujo de agua de Bloow-down. La
determinación del flujo de agua de Blow-down se efectuara a través de
un flujómetro a turbina de 19,05 mm de diámetro (¾ inch), que deberá
ser instalada en el conducto de salida de dicho flujo de agua de la torre.
Para asegurar una adecuada precisión en la medición se recomienda
mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del sensor, cuyas
longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo,
respectivamente.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
4. 3.19. Cálculo de la presión total a la entrada. La presión total a la
entrada se calcula siguiendo el procedimiento que se detalla en éste
párrafo. Su valor resulta de la suma de tres términos: Pht = SPt + VPt +
D La presión total corregida por la diferencia entre el caudal de diseño y
el real se calcula mediante la expresión: Pht = [(SPt + VPt)*(Ld/Lt)2]+ D
donde: Pht: Presión total en la entrada, valor de ensayo (ft). SPt: Presión
estática en la entrada de la torre, valor de ensayo (ft). VPt: Presión
dinámica en la entrada de la torre, valor de ensayo (ft). D: Distancia
vertical entre la línea central a la entrada de la torre y a la curva de base
(ft). Lt : Flujo de agua de diseño (lb/hr). Ld: Flujo de agua de ensayo
(lb/hr). El procedimiento para determinar la presión total corregida a
valores del caudal de agua de diseño a partir de los valores medidos en
el ensayo se puede ver en el Capítulo V de Referencia 1.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
5. SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS 5. 1. Generalidades. El
Sistema de Adquisición de Datos (SAD) desarrollado en el proyecto
permite procesar, visualizar y registrar las señales que surgen de los
sensores instalados en las torres de enfriamiento durante los ensayos
para determinar las prestaciones termodinámicas. El SAD puede ser
utilizado en instalaciones de laboratorio o en los lugares de operación de
las torres, ya que sólo requiere una plataforma tipo PC 486, IBM
compatible y bajo Windows. El código de computación que controla el
SAD fue desarrollado en VC++, lenguaje de programación orientado a
objetos y trabaja en un entorno Windows. La función del softw
are es configurar el hardware del SAD, recibir las señales generadas por
los sensores de los parámetros que se desean registrar, regular el
proceso de medición, convertir y corregir las señales enviadas por los
sensores, para luego grabarlos en archivos específicos para cada
ensayo. El proceso de adquisición de datos, en función del tiempo, se
puede realizar sin ninguna clase de control o bien satisfaciendo los
requisitos de los ensayos de torres de enfriamiento establecidos en el
Código ATC-105 del CTI.
Fig. 7. Sistema de adquisición de datos.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
5. 2. Descripción. El SAD esta integrado por un conjunto de módulos de
adquisición de datos, los cuales están conectados a los respectivos
sensores para obtener los parámetros a medir. Esto módulos toman la
señal analógica y la convierten en digital para trasmitirla a la PC , a
través de un conversor RS 485 - RS 232. EL control de la secuencia para
la adquisición, procesamiento y registro de datos se realiza mediante el
código de cómputos automáticos desarrollado específicamente para este
sistema. El software visualiza simultáneamente en pantalla los valores
instantáneos de los parámetros medidos y los promedios
correspondientes al tiempo de ensayo transcurrido. Los requisitos de
norma en lo que respecta a la variación de los parámetros que
caracterizan el funcionamiento son controlados durante el tiempo que
dura el ensayo y señales de alarma fican si se activa alguna de ellas.
Una descripción detallada del SAD se puede ver en Referencia 7. La
interfase usuario nos muestra en su pantalla principal, Figura 8, el valor
instantáneo de las principales variables que se están midiendo, en forma
analógica y digital, los botones de ejecución de las opciones: sólo
adquisición y ensayo bajo norma, el número de alarmas que hubo hasta
ese momento del ensayo y el tiempo transcurrido desde que comenzó la
ejecución. La barra del menú desplegable presenta: Salir Conexión :
Salida del programa. : Conecta las opciones de ejecución del SAD.
Ver. : Habilita una pantalla en la cual se muestra los valores instantáneos
de las variables que se están midiendo en todos los sensores habilitados
y también, para cada uno de ellos, el valor promedio correspondiente al
tiempo de ensayo transcurrido. Param.Dis. : Permite introducir los valores
de diseño de la torre a ensayar, valores que se utilizan para calcular el
tiempo al cual se debe comenzar la adquisición de datos ( inercia
térmica) y también para controlar y registrar si durante el ensayo se sale
fuera de las condiciones impuesta por norma. Configurar: Establece el
puerto de comunicación y configura los módulos de adquisición de:
temperatura, caudal de agua, potencia y parámetros del aire ambiente,
habilitando los módulos respectivos y estableciendo la función de
corrección para cada uno de los sensores utilizados.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
5. 3. Sensor de caudal de agua. El caudalímetro seleccionado para medir
el caudal de agua es del tipo a rotor, Marca TECMEC, modelo TS410 y
tiene un amplio rango de operación; la velocidad angular del rotor
Fig. 8: Pantalla principal. genera una f.e.m. cuya frecuencia es
proporcional a la velocidad del agua en el interior del caño de 1,25
pulgadas de diámetro, en el cual se instaló el sensor. El indicador
electrónico Marca TECMEC, modelo C2, recibe la señal del sensor y la
convierte en una visualización digital que permite tener un control directo
del caudal de agua In Situ y además, mediante un circuito conversor
frecuencia-corriente desarrollado y construido para tal fin, envía la señal
analógica al modulo Adams 4017.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
6. EVALUACION EXPERIMENTAL DE TORRES DE ENFRIAMIENTO 6.
1. Generalidades. Las torres de enfriamiento pueden ser de diversos
tamaños, las hay de gran porte, lo cual implica que se mueven grandes
volúmenes de aire para enfriar grandes cantidades de agua, entre ellas
puede mencionarse las que se utilizan en las centrales de generación
eléctrica y cuyas dimensiones en planta cubren áreas importantes, por
ejemplo 500 m2. También existen torres de dimensiones mucho más
pequeñas, que se utilizan en sistemas de aire acondicionado, para
viviendas familiares, con áreas hasta 1000 veces menores. Los
problemas que se plantean para la ejecución de los ensayos de
performances térmicas en torres de dimensiones tan variadas son
distintos a pesar de que la metodología a utilizar debe ser la misma. La
instrumentación requerida para realizar las mediciones de algunos
parámetros es diferente como también lo es la factibilidad de acceso a
los lugares de medición. A partir de la colaboración prestada por la
Empresa Provincial de Energía Eléctrica de Córdoba y la Firma del
mercado, se tuvo oportunidad de realizar ensayos para la determinación
de la curva de operación de una torre de enfriamiento de gran porte
utilizada en una Central de Generación Eléctrica 2 y la de una torre de
dimensiones reducidas. Estos ensayos se realizaron con el objeto de
adquirir experiencia en el manejo de la técnica de medición y
metodología de ensayo en torres de dimensiones tan diferentes. La
determinación de la curva de operación de la torre de enfriamiento se
realiza a partir de la evaluación experimental del número de unidades de
difusión ( η d ) para distintas relaciones de caudal másico de agua
respecto al de aire, lo que lleva a la necesidad de ejecutar varios
ensayos con diferentes caudales de agua, mientras el de aire permanece
constante. 6. 2. Torre de enfriamiento de gran porte. Para evaluar las
performances térmicas de la torre de enfriamiento de la Central Térmica
"Dean Funes" (Figura 9) y calcular el número de unidades de difusión,
fue necesario medir "in situ" y durante las horas de funcionamiento los
siguientes parámetros : Caudal agua y su temperatura de entrada y
salida en cada una de las celdas. Caudal de aire, sus temperaturas de
bulbo seco y húmedo a la entrada y salida en cada una de las celdas.
2 Referencia Trabajo Final 3.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
Condiciones atmosféricas, presión, temperatura de bulbo seco y húmedo
e intensidad y dirección del viento.
Fig.9. Torre de enfriamiento de agua de la ventral térmica “Dean Funes”.
Como consecuencia de las grandes masas de aire y agua que circulan
por el equipo y el gran tamaño de este se presentaron dificultades muy
particulares a la hora de decidir la instrumentación y metodología de
medición del caudal de agua y de aire. En ambos casos se decidió
realizar un relevamiento de velocidades en los conductos respectivos
para obtener los caudales mediante la integración de las velocidades en
las respectivas secciones de pasaje. La medición simultanea de
velocidades, para obtener los caudales de agua y aire no se pudo hacer,
en razón del tiempo que demandaban las mediciones de las velocidades
del aire, por ello se decidió determinar en primer lugar el caudal de aire
efectuando una serie de ensayos en una celda. Un peine de sondas
totales fue utilizado para determinar del perfil de velocidades en cada uno
de los ensayos, obteniéndose luego el promedio del caudal de aire
volumétrico, para utilizar este valor como constante en todos los ensayos
posteriores. El caudal y velocidad promedio resultaron ser: Vm = 7.975
m/s y g = 400.9 m3/s Una vez obtenido el caudal de aire volumétrico se
realizó otra serie de ensayos con distintos caudales de agua para
obtener, en cada caso, el número de unidades de difusión que nos
permitirá determinar las performances térmicas de la torre ensayada.
Atendiendo a condiciones operativas de la Central y posibilidades de
ejecución se realizaron los siguientes
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
ensayos, variando el numero de celdas operativas y de bombas de agua
en funcionamiento, para lograr la relación de caudales másicos
adecuada: a) 2 Bombas - 3 Celdas b) 2 Bombas - 2 Celdas c) 1 Bomba -
3 Celdas En cada ensayo se determinó el caudal de agua relevando la
distribución de velocidades en el conducto de entrada del agua a las
celdas, utilizando una sonda Pitot. La temperatura de bulbo húmedo del
aire al ingreso y salida de la torre se obtuvo a partir de los resultados de
la medición de la temperatura de bulbo seco y humedad relativa. Se
determinaron 3 puntos de funcionamiento y utilizando la técnica de la
regresión lineal, en el plano logarítmico, se obtuvo la curva de
funcionamiento de la torre que responde a una ecuación del tipo:
w ηd = C × L w g
−n
encontrándose para los coeficientes C y n los siguientes valores: C =
0.4105 y n = - 0.7337 con lo que la curva de funcionamiento resulta:
w ηd = 0.4105 × L w g
−0.7337
En la Figura 10 se
stran los puntos obtenidos y la curva representativa del funcionamiento
de la torre. Asimismo se representan en el gráfico las curvas que dan el
número de unidades de difusión necesarios, en función de la relación de
caudales másicos, para satisfacer las condiciones operativas de cada
ensayo. Luego de efectuar el procesamiento de datos de cada ensayo se
procedió a verificar por medio del balance entálpico (utilizando los
parámetros medidos y promediados) los caudales másicos de aire, los
cuales fueron determinados a partir del caudal volumétrico promedio
medido y adoptado como constante para todos los ensayos. Los
resultados obtenidos de estos cálculos mostraron una buena
correspondencia entre los caudales másicos de aire calculados mediante
el balance entálpico y los caudales másicos obtenidos a partir del caudal
de aire volumétrico medido y adoptado como constante en este trabajo.
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
Para explicitar el comportamiento de la torre se trazaron las curvas de
temperatura de agua fría vs. temperatura de bulbo húmedo para dos
relaciones de caudales másicos ( WL/Wg = 0.9 y 1 ) y tres saltos
térmicos ( ∆T = 3, 6 y 9 C ), estas curvas se muestran en la Figura 11.
1
Ensayo 3
K.a.v/wL
Ensayo 1
Ensayo 2
Curva de funcionamiento
0,1 0,1 1 wL/wg 10
Fig. 10: Curva de funcionamiento – Torre de la central térmica Dean
Funes.
35
Delta T = 9ºC
30
Delta T = 6ºC
Tcw [ ºC ] 25
Delt
a T = 3ºC
20
-------- -- --
wL/wg = 0.9 wL/wg = 1.0
15 4 9 14 T w b [ ºC ] 19 24
Fig. 11: Performance de la torre de la central Térmica “Deán Funes”.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
6. 3. Torre de enfriamiento de pequeño porte. La evaluación experimental
de la torre de una firma del mercado local (Figura 12), se realizó en las
instalaciones del Laboratorio del Departamento de Máquinas de la
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - U.N.C., sitio en el
cual se disponía de la fuente de calor necesaria para la operación de la
torre. La fuente de agua caliente durante los ensayos fue un tanque de
agua con una capacidad de 1.5 m3, el cual fue utilizado para almacenar
el agua que era calentada mediante un motor alternativo de 70 HP.
Durante los ensayos se traspasaba el agua del tanque a una cisterna de
1 m3 a través de la torre. Esta situación sumada a la condición de local
cerrado del laboratorio no permitía tiempos de ejecución de los ensayos
prolongados por lo que fue necesario determinar el caudal volumétrico de
aire en forma previa a la ejecución de los ensayos de performance
térmica y utilizar este valor como constante para todos los ensayos
posteriores. El caudal de aire se determinó integrando las velocidades
locales del flujo a la salida de la torre. El caudal y velocidad promedio
obtenidos son los siguientes: Vm = 2.67 m/s y g = 1.308 M3/s
Fig.12. Torre de enfriamiento de pequeño porte.
Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
Luego de obtener el caudal de aire se realizó otra serie de ensayos con
distintos caudales de agua para obtener, en cada caso, el número de
unidades de difusión que nos permitiera determinar la curva de
funcionamiento de la torre ensayada. Las relaciones de caudales
másicos adoptada para la realización de los ensayos, teniendo en cuenta
el tiempo de operación y la capacidad del equipo instalado fueron las
siguientes: WL / Wg: 0.75, 1.0, 1.25 y 1,5 La determinación del caudal se
agua se realizó mediante un Tubo Venturi, midiendo la diferencia de
presiones entre sus tomas de presión estática. Luego de la puesta en
funcionamiento de la torre y a partir de la entrada en régimen de la
misma, para una determinada relación de caudales másicos de agua-
aire, se midió: - Temperatura, humedad y presión atmosférica en el flujo
de aire de ingreso. - Temperaturas de entrada y salida de agua. -
Diferencia de presiones estáticas en el tubo Venturi. Los valores leídos
de temperatura y humedad relativa se corrigieron de acuerdo con los
valores obtenidos a partir de la calibración de los instrumentos
respectivos Para evaluar la torre se tomo el valor de los parámetros una
vez que en el ensayo se alcanzó el régimen estacionario de
funcionamiento. Con los resultados de los ensayos se calculó el número
de unidades de difusión para cada uno de ellos y a partir de los puntos
de funcionamiento determinados, utilizando la técnica de regresión lineal
en el plano logarítmico, se obtuvo la curva de funcionamiento de la torre.
En la figura 13 se muestran los puntos obtenidos y se representó la curva
de funcionamiento de la torre obtenida. Dicha curva presenta una
variación media standard del 8 %.
ηd
w L/w g
Fig. 13. Curva de operación de la torre de pequeño porte.
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
BIBLIOGRAFIA
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14. :The Temperature Handbook – Vol 28”, OMEGA Technologics
Compasny, USA, 1994.
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Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Octubre 1995.
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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo
T.F.2) "Ensayos de torres para enfriamiento de agua de tiro mecánico";
Olmos, D.E.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica
Aeronáutica, Diciembre 1995. T.F.3) "Evaluación de una de torre de
enfriamiento de agua que funciona en una central térmica de generación
de corriente eléctrica"; Antunez, E.F. e Isa, B.; Univ. Nac. de Córdoba
Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Febrero 1996. T.F.4)
"Proyecto de un equipo experimental para la determinación de las
performances térmicas de rellenos de torres para enfriamiento de agua";
Pavoni, H.D.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica
Aeronáutica, Marzo 1996. T.F.5) "Determinación experimental de las
performances térmicas de una torre de enfriamiento"; Pavón, H., D.; Univ.
Nac. de Córdoba - Escuela de Ingenieria Mecánica Aeronáutica, Abril
1996.
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