PRACTICA Nº2 TEMA : ENSAYOS EN TORRES DE ENFRIAMIENTO I OBJETIVO : 1.1 OBJETIVOS GENERALES: Aplicar los fundamentos de la psicrometria en un prototipo experimental de Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado. 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: Realizar un Balance de Materia y Energia en una Torre de enfriamiento, determinabdo su performance. Hacer uso y leer correctamente los Diagramas Psicrometricos Reconocer las partes de una Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado. Investigar acerca de las aplicaciones industriales de las Torres de Enfriamiento en nuestra localidad a traves de una visita técnica. II TIEMPO : 3 horas III FUNDAMENTO TEORICO : Los sistemas de enfriamiento son de gran importancia para todo tipo de procesos, sobre todo en el sector industrial, tal es así que se utilizan las torres de enfriamiento. Una torre de enfriamiento, es un dispositivo cuya finalidad es extraer calor del agua a través del contacto directo con el aire, teniendo múltiples aplicaciones. El proceso de termotransferencia que se produce en una torre de enfriamiento de agua, cualquiera que 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 fase 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 relacionado 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. CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento modernas se clasifican de acuerdo por los medios por los que se les suministra aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre el aire y el agua. Si el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre, a esto se llama tiro inducido. Si el aire se fuerza por un ventilador en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior, es un tiro forzado. Las torres de circulación natural son de dos tipos: atmosféricas y de tiro natural. TORRES DE TIRO MECANICO Actualmente las torres de esta clase son las más comunes y de éstas la gran mayoría son las torres de tiro inducido. La preferencia hacia las torres de tiro inducido han sido muy pronunciada durante estos diez años, pero representa una transición lógica, puesto que en su uso hay ventajas que exceden a todas las otras, excepto en condiciones muy especiales. En las torres de tiro inducido por otra parte, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre y como resultado, la altura requerida de la torre para entrada de aire es muy pequeña. En la torre de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad a través de una gran abertura en la parte superior de la torre. En estas condiciones el aire posee una cabeza de velocidad pequeña y tiende a sentarse en la trayectoria de entrada del ventilador. Esto significa que la succión del aire fresco se contamina con aire parcialmente saturado que ya ha pasado a través de la torre con anterioridad. Cuando esto ocurre se conoce como recirculación y reduce la capacidad de trabajo de las torres de enfriamiento. En las torres de tiro inducido el aire se descarga a través del ventilador a alta velocidad, de manera que se proyecta hacia arriba (hacia las corrientes naturales del aire) que evitan su asentamiento posterior. Sin embrago las torres de tiro inducido presentan caída de presión en la toma del ventilador, lo que aumenta los requerimientos totales de energía. La alta velocidad de descarga de las torres de tiro inducido causa también algo más de arrastre o pérdidas de agua por gotas que son arrastradas por la corriente de aire. Fig.1. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro inducido Fig.2. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro forzado TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL Son usadas mayormente en Europa y en el oriente. La torre atmosférica aprovecha las corrientes atmosféricas de aire. El aire penetra a través de los rompevientos en una sola dirección, cambiando con la estación del año y las condiciones atmosféricas. En lugares expuestos que tienen vientos con velocidades promedio de 5 ó 6 millas por hora, la torre atmosférica puede ser la más económica y donde los costos de energía pueden ser altos, pueden ser preferibles a velocidades de aire tan bajas como 2 ½ a 3 mph. Puesto que las corrientes atmosféricas penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual. Fig.3. Esquema de una torre de enfriamiento de circulación natural DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento utilizan calor latente de los líquidos para enfriarlos. El proceso es fácilmente explicable de la siguiente manera: Cuando un líquido a cierta temperatura TL, entra en contacto con un gas inerte a temperatura TG, más baja que TL, la película de líquido que está en contacto directo con el líquido se evapora. Para que este líquido pueda cambiar de fase, necesita obtener energía de algún lugar disponible; la fuente más cercana es el seno del líquido, así que, al tomar esa energía se produce una disminución de la temperatura de este fluido. Este es el principal proceso de los enfriadores por evaporación tal como se muestra en la figura Nº 4. La característica más importante para lograr un enfriamiento efectivo es el área de contacto entre el gas y el líquido, siendo la forma más eficiente de hacerlo al fraccionar el agua en la mayor cantidad de gotas posibles. Sin embargo se debe tener en cuenta de no reducir exageradamente el tamaño porque entonces estas gotas pueden ser acarreadas por la corriente de aire que atraviesa la torre con la siguiente pérdida de agua del sistema. El agua que se pierde por evaporación dentro de una torre de enfriamiento generalmente no llega al 3% del total. Fig.4. Esquema de enfriamiento por evaporación IV DE ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO BALANCE CALOR. El proceso que ocurre en el interior de la torre normalmente se le conoce como proceso de transferencia de masa, y se basa en la siguiente ecuación: (q- Lo) * C * T0 = G * (H2-H1) ......... (1) Donde : q L0 C T0 G H1 H2 : : : : : : : Cantidad total de calor extraída del agua Calor latente de evaporación del agua Calor específico del agua Temperatura de ingreso del agua Cantidad de aire que circula por el interior de la torre Entalpía del aire a la entrada de la torre de enfriamiento Entalpía del aire a la salida de la torre de enfriamiento La ecuación (1) se podría evaluar fácilmente sino fuera porque el valor de H 2 no se puede calcular teóricamente. Esto se debe a que no se pueden predecir las condiciones de salida del aire de la torre, lo que depende de la geometría de la empaquetadura y se mide como el factor de transferencia de calor total Kxd . Este factor depende de la superficie de contacto en el interior de la empaquetadura, es decir, mientras mayor sea el área de contacto efectiva entre el aire y el agua, el K xd de la torre será mayor. DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO Primero tenemos que conocer la cantidad de caudal total de agua que se desea enfriar, desde una temperatura de entrada a la torre de enfriamiento T e hasta una temperatura de salida del sistema Ts donde Ts < Te. Normalmente de acuerdo a la experiencia de muchos fabricantes, las torres de enfriamiento trabajan con cargas de aire que oscilan entre los 900 a 1800 lb/hft2, y con cargas de agua entre 500 y 2000 lb/hft2. Entonces se puede empezar a definir los parámetros de la torre de la siguiente manera: - Primero especificar una carga de agua para el diseño: esto se hace basándose en factores como la capacidad de los rociadores. - Para estimar el área de la torre se divide la carga total de agua de la torre por hora para la carga de agua de diseño. - Se puede definir una carga de aire fija como factor de diseño, recomendándose que dicha carga sea como mínimo la mitad de la carga de agua para rangos de enfriamiento de 10 ºC, aunque se pueden utilizar factores entre 0.5 y 1.5 que pueden aumentar significativamente el costo del equipo. - Para la altura de la empaquetadura de la torre depende de su capacidad de transferencia de calor, y esta solo se puede determinar experimentalmente. Por otro lado la caída de presión dentro de la empaquetadura se puede medir utilizando un manómetro diferencial, esta caída de presión determinará la presión estática mínima que debe producir un ventilador para permitir que el aire pase a través de la empaquetadura. Las empaquetaduras pueden ser de diversos materiales y arreglos; generalmente son de plástico o de madera incorruptible. Su función primordial es crear una película uniforme para la transferencia de calor y mantener el agua el mayor tiempo posible dentro de la torre. Para calcular el factor de transferencia de calor total de la empaquetadura se utilizará la siguiente expresión: K = V / L =∫ (d T / ( H´- H ) ......... (2)) Donde : V : Volumen de la empaquetadura L : Caudal o gasto de agua a la entrada H’ : Entalpía de saturación del aire Cabe mencionar que la entalpía de saturación del aire no es la misma para el aire de entrada que el de salida. Sin embargo conocemos que la ecuación (2) no se puede resolver analíticamente por cuanto H’ como H son variables; se deben utilizar métodos gráficos o numéricos. Para calcular la altura de la torre una vez conocida el valor de K xd despejamos el valor de las unidades de difusión nd, de la ecuación: nd = Kxd * V/L =∫ (d T / ( H´- H )......... (3) y la altura Z de la torre será igual a: Z = (nd * L) / Kxd ......... (4) Para construir la torre de tamaño real basta solamente utilizar los parámetros de empaquetadura anteriormente mostrados, es decir, el área de la torre no debe ser menor que la calculada y la altura de su empaquetadura no debe ser inferior que el valor de Z. CÁLCULO Y ESCALONAMIENTO DE LOS VENTILADORES De acuerdo a lo calculado anteriormente el caudal de aire debe ser del orden de G, como se tiene un área de transferencia A en ft2, entonces el gasto total de aire será: G total = G * A ......... (5) El valor de GTotal es una cantidad considerable como para pensar en un solo ventilador, normalmente se recomienda utilizar más de un ventilador por razones de mantenimiento; en caso de fallar uno, la torre eventualmente podría seguir operando con menor capacidad. DISEÑO Y SELECCIÓN DE VENTILADORES Para el diseño y selección de ventiladores, se tiene dos opciones: La primera es diseñarlos “desde cero”, utilizando la teoría de turbomáquinas, y la segunda es utilizar un ventilador como modelo y luego escalarlo hasta las dimensiones requeridas. ESCALONAMIENTO DE VENTILADORES Las fórmulas que permiten el escalonamiento de ventiladores por similitud dinámica son las siguientes: Q1 Q2 3 1 D1 2 D23 ......... (6) H1 H 2 2 2 2 D1 2 D2 ......... (7) 2 1 P1 1 D 3 1 3 1 Donde: Q : Caudal de aire : Velocidad angular D : Diámetro del rotor P2 2 23 D23 ......... (8) P : Potencia : Densidad del aire Se pueden utilizar estas fórmulas siempre y cuando el modelo y el prototipo sean geométricamente (proporcionales), cinemáticamente y dinámicamente similares. Para escalar los ventiladores del problema propuesto se toma como modelo un ventilador centrífugo. Utilizando las fórmulas (6), (7) y (8) se puede construir una torre de enfriamiento para un determinado caudal de agua que pueda lograr un T del orden de los 10ºC. El método de diseño es una mezcla entre el análisis teórico y el método práctico, que muchas veces utiliza la prueba y error para llegar a conclusiones válidas. V. EQUIPOS Y MATERIALES: 01 Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado 01 Ventilador con motor electrico de 12V. 01 Transformador de 220 v/12v cc/ca. 02 Termistores, uno para TBH y otra para TBS. Para el aire. 02 Termistores para temperatura de agua caliente y agua fria. 01 Diagrama Psicrométrico. 01 Linea de agua caliente (incluye generación y ductos de agua caliente a enfriar) 01 Bandeja o Sistema de Recepciomn de agua enfriada. VII PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y DATOS POR CONSIGNAR : 1. Preparar la generación de agua caliente a enfriar para esto hacer uso de una fuente de calor de generación de agua caliente a traves del calcdero pirotubular o una cocinilla electrica del Laboratorio de Termofluidos de la Escuela. 2. Preparar correctamente el equipo ,verificando que la torre de enfriamiento , tenga sus deflectores , ductos , rociadores y eliminadores de acarreo seencuentren en buen estado . 3. Verifucar el funcionamiento del ventilador de tiro forzado , encendiéndolo , dejar operando unos 3 minutos antes del ingreso de agua caliente. 4. Ingresar agua caliente a traves de loas rociadores , dejando que el proceso de adicion de vapor al aire humedo tenga un regimen permanente ,por lo menos unos 5 minutos 5. Como observaremos el aire es absorbido(inducido ) por el ventilador hacia arriba , parte del agua se va con el aire humedo . Asi tenemos el siguiente esquema: VENTILADOR AIRE Ma , X2 , t2 AIRE ATMOSFÉRICO Ma , X1 , t1 Mw1 , Mw2 , tw2 El Balance de materia para el agua sera : Mw1 + ( Ma * X1 ) = Mw2 + ( Ma * X2 ) El Balance de Energia para el volumen de control (Mw1 * hw1 ) + ( Ma * h1 ) = ( Mw2 * hw2 ) + ( Ma * h2 ) tw1 Luego tenemos que : Mw2 = Mw1 + ( Ma * X1 ) - ( Ma * X2 ) Mw2 = Mw1 + Ma * ( X1 - X2 ) ............( &) Reemplazando (&) en la ecuación de Balance de Energia para el volumen de Control (Mw1 * hw1 ) + ( Ma * h1 ) = ( Ma * h2 ) + [ Mw1 + Ma * ( X1 - X2 )]* hw2 Reduciendo convenientemente : Ma = [Mw1 *( hw2 - hw1 ] / [ (h1 - h2 ) - (X1 - X2 )* hw2 ] ............( *.* ) 6. Seguidamente debemos determinar los valores de los parámetros leidos , asi tenemos : Mw1 = Masa de agua entrante. tw1 = Temperatura de ingreso del agua a la Torre. t w2 = Temperatura de salida del agua de la Torre. Ta1BS = Temperatura de ingreso del aire(Bulbo seco) Ta1BH = Temperatura de ingreso del aire(Bulbo humedo) Ta2BS = Temperatura de salida del aire(Bulbo seco) Ta2BH = Temperatura de salida del aire(Bulbo humedo) P= presión atmosferica =101.4 KP φ1= Humedad relativa de ingreso del aire φ2= Humedad relativa de salida del aire Para lo cual debera tomar la lectura promedio de 3 valores para obtener un valor característico , los valores deberan ser presentados en la Tabla N° 1 TABLA N° 1 Valores Medidos en la Torre de enfriamiento Parametro Mw1 tw1 tw2 Ta1BS Ta1BH Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 PROMEDIO Ta2BS Ta2BH φ1 φ2 VIII CUESTIONARIO : 1. Se debera realizar la Practica tomando tres temperaturas distintas de temperatura de ingreso de agua , para lo cual los grupos deberan realizar la toma de datos correctos previa coordinación con el Profesor de Practica. , se pueden trabajar con temperaturas de ingreso de agua de 40°C , 50°C y 60°C . Luego cada grupo debera tener por lo menos un conjunto de tres grupos de medidas para poder realizar la graficación del comportamiento de la torre de enfriamiento del Laboratorio de Termofluidos. 2. Determinar los valores de X1 y X2 humedades absolutas en funcion a Ps (Presiones de saturación en los estados 1 y 2 ) o tambien haciendo uso de la carta psicrometrica. 3. Hallar los valores teóricos de : hw2 , hw1 , h1 , h2.. 4. Calcular el valor de la masa de aire aplicando la formula ( *.* ) Ma 5. Determinar teóricamente el flujo de aire seco 6. Determinar teóricamente el valor de la masa de agua que se evapora . 7. Describir que es un proceso de deshumidificacion y humidificacion.Detallarlo haciendo uso de la carta psicrometrica. 8. Describir las características , diferencias y aplicaciones industriales de las Torres de Enfriamiento de Tiro forzado y Tiro inducido. 9. Graficar Masa de agua caliente vs Temperatura ( inicial y final del agua ) Masa de aire vs Temperatura ( inicial y final del agua ) Masa de agua evaporada vs Temperatura ( inicial y final del agua ) 10. Graficar Masa de agua caliente vs TBS -TBH Masa de aire vs TBS - TBH Masa de agua evaporada vs TBS - TBH 11. Graficar Masa de agua caliente vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2 Masa de aire vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2 Masa de agua evaporada vs Humedad Relativa 1 , Humedad Relativa 2 12. Interpretar Racionalmente Graficos de los items 9 , 10 ,. 11. IX BIBLIOGRAFÍA : - PUCP.Laboratorio de Termodinámica. - Robert Guevara.Apuntes del Curso de Laboratorio de Energia I. - Calderon Torres .Apuntes del Curso Termodinámica II - Daniel Herencia : Refrigeración y Aire acondicionado - Donald Kern. Transferencia de Calor. - Silva Victor , Melgarejo ,Lau Pineda , Vergaray , Cano . Informe : Diseño de una Torre de Enfriamiento.2003.