Download Torres de enfriamiento de circulación natural

TORRES DE
ENFRIAMIENTO
DEFINICION
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.
AIRE Y PSICROMETRÍA
El aire atmosférico es una mezcla de gases
compuesta principalmente por Nitrógeno y
oxígeno, sin embargo existen otros gases como el
vapor de agua y otros.
Temperatura de bulbo seco
Es la temperatura medida con un termómetro cuyo
bulbo o sensor se encuentra en contacto directo
con el sistema, se expresa en °C o °F.
Temperatura de bulbo húmedo
Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o
sensor se encuentra cubierto de un material humedecido con
agua. El paso del aire en contacto con el termómetro cuyo
bulbo está húmedo, provoca la evaporación del agua hasta
que se logra la saturación del aire.
Temperatura de Rocío
Es la temperatura del aire en condiciones de saturación. Se
evalúa determinando la temperatura de saturación a la
presión de vapor en la mezcla. Cuando ocurre la saturación la
temperatura de bulbo húmedo, seco y punto de rocío tienen
el mismo valor.
Presión parcial
Según la ley de Dalton, en una mezcla de gases se
denomina presión parcial de un componente a la
presión que éste ejercería si ocupara todo el
volumen que ocupa la mezcla. En el aire
atmosférico se tiene que PTotal = Pvapor + Paire seco.
Humedad Absoluta
Es la relación entre la cantidad másica de vapor de agua y la
cantidad másica de aire seco contenida en una muestra. Se
define como:
Humedad relativa
Es la relación que existe entre la presión del vapor en la
mezcla y la presión de saturación del vapor de agua a la
temperatura de bulbo seco en que se encuentra la mezcla.
Se expresa como:
Entalpía
Es el contenido energético de cierta sustancia. Para el caso
del aire atmosférico es la suma de la energía asociada al
aire seco y la energía asociada al vapor de agua, se expresa
por unidad de kg de aire seco y viene dado por:
CARTA PSICROMÉTRICA
Es una representación gráfica de las propiedades
termodinámicas de una mezcla aire-vapor de agua. En ellas
se puede dibujar un proceso ubicando los diferentes
estados.
ACERCAMIENTO
El acercamiento, aproximación o approach es la diferencia
de temperatura entre el agua que sale de la torre y la
temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. Mientras
menor sea el acercamiento mayor será el tamaño de la
torre. Un acercamiento típico está por el orden de los 7ºC,
llegando hasta 3 ó 4ºC. En la figura a se muestra una gráfica
sencilla donde se distingue el acercamiento.
SALTO TÉRMICO
Es la diferencia de temperatura entre el agua fría que sale
de la torre y el agua caliente que entra. El salto térmico
determina la carga térmica de la torre y es un parámetro de
selección importante.
Componentes básicos de una
torre de enfriamiento
• Sistema de distribución de agua
Componentes básicos de una
torre de enfriamiento
• Relleno o empaques
Componentes básicos de una
torre de enfriamiento
• Eliminadores de gotas
Componentes básicos de una
torre de enfriamiento
• Ventiladores
Clasificación de las torres de
enfriamiento
• Circulación natural
 Atmosféricas
 Tiro natural
• Circulación mecánica
 Tiro inducido
 Tiro forzado
• Flujo cruzado
Torres de enfriamiento de
circulación natural
• Atmosféricas
• Tiro natural
Torres de enfriamiento de
circulación natural
• Atmosféricas
Torres de enfriamiento de
circulación natural
• Tiro natural
Torres de enfriamiento de
circulación natural
• Tiro natural
 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.
Torres de enfriamiento de
circulación mecánica
• Tiro inducido
• Tiro forzado
Torres de enfriamiento de
circulación mecánica
• Tiro inducido
Torres de enfriamiento de
circulación mecánica
• Tiro forzado
Torres de enfriamiento de flujo
cruzado
• Tiro inducido flujo cruzado
Torres de enfriamiento de flujo
cruzado
• Tiro forzado flujo cruzado
Ecuaciones características
La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar
mediante la siguiente ecuación:
𝐿 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑇1 − 𝑇2 = 𝐺 ∗ (𝐻2 − 𝐻1 )
Donde:
L: Flujo másico de agua en kg/h
T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en °C
G: Flujo másico de aire en kg/h
H1 y H2: Entalpía de entrada y salida del aire en Kcal/kg°C
Cp: Calor específico del agua, puede tomarse como Cp=1 kCal/kg°C
Ecuaciones características
Es posible evaluar el anterior balance de energía en forma diferencial
entre dos puntos internos de la torre de tal manera que
𝐿 ∗ 𝑑𝑇 = 𝐺 ∗ 𝑑𝐻
Al interior de la torre existe un volumen efectivo de transferencia,
compuesto tanto por los rellenos como por los espacios vacíos por los
que fluye el agua y el aire y define un área total de transferencia
conocida como a. Con base en ésta área puede calcularse la
transferencia de energía de la siguiente forma:
Ecuaciones características
𝐿 ∗ 𝑑𝑇 = 𝐾𝑎 ∗ dV ∗ 𝐻𝑤 − 𝐻𝑎 = G ∗ dH
Donde:
K: Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el fabricante.
Ha: Entalpía del aire en cada punto calculada con base en la temperatura de bulbo
húmedo.
Hw: Entalpía del aire saturado a la temperatura del agua en cada punto de la torre.
De la ecuación anterior se obtiene por integración dos expresiones
independientes:
𝑇2
𝐾𝑎 𝑉
𝑑𝑇
=
𝐿
𝑇1 𝐻𝑤 − 𝐻𝑎
𝐾𝑎 𝑉
=
𝐺
𝐻2
𝐻1
𝑑𝐻
𝐻𝑤 − 𝐻𝑎
Ecuaciones características
Mediante un balance de masa es posible obtener una expresión para el
agua de reposición, valor importante cuando se desean evaluar los
costos de operación de la torre, la reposición se calcula como:
𝑚𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗ (𝑤2 − 𝑤1 )
donde w2 y w1 son las humedades específicas del aire a la salida y la
entrada de la torre respectivamente.
Ecuaciones características
• Altura de la torre
𝐿𝑠 ∗ 𝐶𝑝𝐿
𝑍=
∗
𝐾𝑎 ∗ 𝐴
𝑇2
𝑇1
𝑑𝑇
𝐻 ∗ 𝐺 − 𝐻𝐺
Donde:
L: Flujo másico de agua en kg/h
T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en ºC
H*G: Entalpia del aire en equilibrio Kcal/kg°C
HG: Entalpía del aire Kcal/kg°C
CpL: Calor específico del agua, puede tomarse como Cp=1 kCal/kg°C
K: Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el
fabricante.
A: Área de transferencia
Ecuaciones características
Ecuaciones características
• Rendimiento y eficiencia
ɳ=
𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎−𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑇𝑏ℎ 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
Una eficiencia superior al 60% refleja un buen desempeño de la torre,
valores inferiores a este indican posibles problemas en los rellenos,
flujos inadecuados de aire debido a fallas de los ventiladores o flujos
inadecuados de agua debidos a fallas de operación en las bombas.
Ejercicio
• Del condensador de una central eléctrica sale agua de
enfriamiento y entra a una torre de enfriamiento húmedo a
35°C, con un flujo másico de 100Kg/s. El agua se enfría hasta
22°C en la torre de enfriamiento con aire que entra a la torre a
1 atm, 20°C, con 60% de humedad relativa y sale saturado a
30°C. Ignore la entrada de potencia al ventilador y determine
a) EL flujo volumétrico del aire en la torre de enfriamiento.
b) El flujo másico del agua de reposición requerido.
Ejercicio
Ejercicio
• La entalpia del agua liquida saturada es 92,28 Kj/Kg a 22°C y
de 146,64 Kj/Kg a 35°C (Tabla A-4 Cengel 6 Edic.)
• De la carta psicrométrica se tiene:
𝐾𝑗
𝐾𝑗
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜𝐻2 = 100
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝐾𝑔
𝐾𝑔
𝐻2 𝑂
𝐻2 𝑂
𝑤1 = 0,0087
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑤2 = 0,0273
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝐾𝑔
𝐾𝑔
𝑚3
𝑣1 = 0,842
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝐾𝑔
𝐻1 = 42,2
Ejercicio
a) Al aplicar los balances de energía y de masa en la torre de
enfriamiento se obtiene:
Balance de masa de aire seco:
𝑚 𝑎 1 = 𝑚 𝑎2 = 𝑚 𝑎
Balance de masa de agua:
𝑚3 + 𝑚𝑎1 ∗ 𝑤1 = 𝑚4 + 𝑚𝑎2 ∗ 𝑤2
𝑚3 − 𝑚4 = 𝑚𝑎 ∗ 𝑤2 − 𝑤1 = 𝑚𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛
Ejercicio
Balance de energía:
𝑚𝐻 =
𝑒𝑛𝑡
𝑚𝐻
𝑠𝑎𝑙
𝑚𝑎1 ∗ 𝐻1 + 𝑚3 ∗ 𝐻3 = 𝑚𝑎2 ∗ 𝐻2 + 𝑚4 ∗ 𝐻4
𝑚3 ∗ 𝐻3 = 𝑚𝑎 ∗ 𝐻2 − 𝐻1 + 𝑚3 − 𝑚𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 ∗ 𝐻4
Despejando 𝑚𝑎 resulta:
𝑚3 ∗ (𝐻3 − 𝐻4 )
𝑚𝑎 =
𝐻2 − 𝐻1 − 𝑤2 − 𝑤1 ∗ 𝐻4
Ejercicio
Sustituyendo los valores:
𝐾𝑔
∗ 146,64 − 92,28 𝐾𝑗/𝐾𝑔
𝑠
100 − 42,2 𝐾𝑗/𝐾𝑔 − 0,0273 − 0,0087 ∗ 92,28 𝐾𝑗/𝐾𝑔
100
𝑚𝑎 =
𝐾𝑔
𝑚𝑎 = 96.9
𝑠
Entonces, el flujo volumétrico del aire de la torre de enfriamiento es:
𝐾𝑔
0,842𝑚3
𝑚3
𝑉1 = 𝑚𝑎 ∗ 𝑣1 = 96,9
∗
= 81,6
𝑠
𝐾𝑔
𝑠
Ejercicio
• b) El flujo másico de reposición se determina:
𝑚𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑚𝑎 ∗ 𝑤2 − 𝑤1 = 96,9
𝐾𝑔
∗ 0,0273 − 0,0087
𝑠
𝐾𝑔
𝑚𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 1,80
𝑠
Por consiguiente, mas del 98% del agua de enfriamiento se recupera y
recircula en este caso.