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∗ 𝐶 𝑝 ∗ 𝑇 1 − 𝑇 2 =𝐺∗( 𝐻 2 − 𝐻 1 ) 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= 𝐾 𝑎 ∗dV∗ 𝐻 𝑤 − 𝐻 𝑎 =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:  𝐾 𝑎 𝑉 𝐿 = 𝑇 1 𝑇 2 𝑑𝑇 𝐻 𝑤 − 𝐻 𝑎 𝐾 𝑎 𝑉 𝐺 = 𝐻 1 𝐻 2 𝑑𝐻 𝐻 𝑤 − 𝐻 𝑎

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: 𝑚 𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗( 𝑤 2 − 𝑤 1 ) 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 𝑍= 𝐿 𝑠 ∗ 𝐶 𝑝𝐿 𝐾 𝑎 ∗𝐴 ∗ 𝑇 1 𝑇 2 𝑑𝑇 𝐻 ∗ 𝐺 − 𝐻 𝐺 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= 𝑇 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎− 𝑇 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑇 𝑏ℎ 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: 𝐻 1 =42,2 𝐾𝑗 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝐻 2 =100 𝐾𝑗 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑤 1 =0,0087 𝐻 2 𝑂 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑤 2 =0,0273 𝐻 2 𝑂 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑣 1 =0,842 𝑚 3 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

Ejercicio 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 𝑎 2 = 𝑚 𝑎 Balance de masa de agua: 𝑚 3 + 𝑚 𝑎 1 ∗ 𝑤 1 = 𝑚 4 + 𝑚 𝑎 2 ∗ 𝑤 2 𝑚 3 − 𝑚 4 = 𝑚 𝑎 ∗ 𝑤 2 − 𝑤 1 = 𝑚 𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛

Ejercicio Balance de energía: 𝑒𝑛𝑡 𝑚 𝐻= 𝑠𝑎𝑙 𝑚 𝐻 𝑚 𝑎 1 ∗ 𝐻 1 + 𝑚 3 ∗ 𝐻 3 = 𝑚 𝑎 2 ∗ 𝐻 2 + 𝑚 4 ∗ 𝐻 4 𝑚 3 ∗ 𝐻 3 = 𝑚 𝑎 ∗ 𝐻 2 − 𝐻 1 + 𝑚 3 − 𝑚 𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 ∗ 𝐻 4 Despejando 𝑚 𝑎 resulta: 𝑚 𝑎 = 𝑚 3 ∗( 𝐻 3 − 𝐻 4 ) 𝐻 2 − 𝐻 1 − 𝑤 2 − 𝑤 1 ∗ 𝐻 4

Ejercicio Sustituyendo los valores: 𝑚 𝑎 = 100 𝐾𝑔 𝑠 ∗ 146,64−92,28 𝐾𝑗/𝐾𝑔 100−42,2 𝐾𝑗/𝐾𝑔 − 0,0273−0,0087 ∗ 92,28 𝐾𝑗/𝐾𝑔 𝑚 𝑎 =96.9 𝐾𝑔 𝑠 Entonces, el flujo volumétrico del aire de la torre de enfriamiento es: 𝑉 1 = 𝑚 𝑎 ∗ 𝑣 1 = 96,9 𝐾𝑔 𝑠 ∗ 0,842 𝑚 3 𝐾𝑔 =81,6 𝑚 3 𝑠

Ejercicio b) El flujo másico de reposición se determina: 𝑚 𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑚 𝑎 ∗ 𝑤 2 − 𝑤 1 = 96,9 𝐾𝑔 𝑠 ∗ 0,0273−0,0087 𝑚 𝑟𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 =1,80 𝐾𝑔 𝑠 Por consiguiente, mas del 98% del agua de enfriamiento se recupera y recircula en este caso.