Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería Escuela de ingeniería mecánica Departamento de energética Laboratorio de termodinámica II Preparador: Gonzalo Ramírez
INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA N°1: TORRE DE ENFRIAMIENTO
INTEGRANTES: ANGULO, Diorlen CI. 20638826 (SecciónBracamonte) ARIZA, Karina CI. 19334837(SecciónHerrera) MONTERO, Klay CI. 24221430(SecciónBracamonte)
Caracas, Marzo de 2016
Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería Escuela de ingeniería mecánica Departamento de energética Laboratorio de termodinámica II Preparador: Gonzalo Ramírez
INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA N°1: TORRE DE ENFRIAMIENTO INTEGRANTES: ANGULO, Diorlen CI. 20638826 ARIZA, Karina CI. 19334837 MONTERO, Klay CI. 24221430
RESUMEN En el presente informe se explicara, el principio de funcionamiento de las torres de enfriamiento. La práctica consiste en la visita de las torres de enfriamiento del sistema de refrigeración del edificio de la biblioteca central de la Universidad Central de Venezuela, dichas torres se encuentran ubicadas en la parte exterior del edificio, justo enfrente del pasillo de las banderas. Se explicaron de manera detallada las partes o elementos que conforman el proceso y se realizaron medidas puntuales para obtener los resultados de transferencia de calor y la masa de reposición de agua que tiene como objetivo el laboratorio. Las medidas realizadas se obtienen mediante un instrumento denominado tri-sen que nos permite obtener valores de humedad relativa, velocidad y temperatura del aire en los puntos de expulsión e inyección del sistema, así como un termómetro bimetálico para obtener la temperatura del agua de expulsión dentro de la torre. Esta agua, se dirige al depósito subterráneo o reservorio para luego ser utilizado en el proceso de refrigeración.
Palabras claves: Refrigeración, humedad, velocidad, temperatura, agua, aire.
INTRODUCCIÓN
Las máquinas y los procesos industriales generan enormes cantidades de calor que deben ser disipadas de manera continua si se quiere que estos procesos operen eficientemente. Aunque los intercambiadores finales son los ríos, lagos e inclusive océanos; el proceso natural de evaporación los hace muy efectivos aunque sin control. Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, reduciendo así la cantidad de agua consumida. El propósito de estudio en las torres de enfriamiento es un análisis de transferencia de calor por convección, que se refiere al transporte de energía pro medio externo, en este caso el aire y el agua. Ésta transferencia se da por contacto directo del aire-agua y se caracteriza por la difusión de calor y vapor de agua al aire en la interface que existen entre ambos. Debido a estas situaciones y por el intercambio continuo de temperatura que se produce a través de las torres de enfriamiento, se tienen dos tipos de transferencias: A) Transferencia de calor latente debido a la evaporación de una pequeña porción de agua B) B)Transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el aire y el agua En términos generales, podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia térmica. La mayor parte de la información disponible para las torres de enfriamiento es de selección, no de diseño y el cliente no puede nunca determinar "a priori" si una torre está bien o mal diseñada y si a esto se le agrega que en mayor o menor grado las torres siempre enfrían, entendemos el por qué la dificultad para evaluar éstos equipos.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Conocer y estudiar de forma detallada el funcionamiento de las torres de enfriamiento del edificio de la biblioteca central de la Universidad Central de Venezuela.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS -
Calcular la transferencia de calor que se tiene en el sistema. Calcular la masa de reposición de agua.
MARCO TEÓRICO Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor, donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, en el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. Como ya hemos dicho, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares. Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga, así como torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Para enfriar y recircular agua en procesos industriales de refrigeración o en instalaciones de aire acondicionado.
Con relación al mecanismo utilizado para la transferencia de calor los principales tipos son: -
Torres de refrigeración húmedas funcionan por el principio de evaporación. Torres de refrigeración secas funcionan por transmisión del calor a través de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente.
En una torre de refrigeración húmeda el agua caliente puede ser enfriada a una temperatura inferior a la del ambiente, si el aire es relativamente seco. Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeración: -
Tiro natural, que utiliza una chimenea alta. Tiro inducido, en el que el ventilador se coloca en la parte superior de la torre (impulsan el aire creando un pequeño vacío en el interior de la torre). Tiro mecánico (o tiro forzado), que utiliza la potencia de motores de ventilación para impulsar el aire a la torre (colocándose en la base).
Bajo ciertas condiciones ambientales, nubes de vapor de agua (niebla) se pueden ver que salen de una torre de refrigeración seca. Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generación de energía eléctrica. Las torres de enfriamiento varían en tamaño desde pequeñas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 220 metros de altura y 100 metros de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren.
MARCO METODOLÓGICO La práctica consiste en la toma de forma experimental de los datos de entrada de salida del aire y agua del sistema; utilizando instrumentos para esta toma de medidas, un termómetro biometálico para las temperaturas del agua y el Tri-Sen para la toma de datos de humedad, velocidad y temperatura de aire: -
Inyección de aire, se toman medidas aleatorias a lo largo de la pared que se encuentra de lado derecho de la torre. Se tomara en cuenta valores de humedad relativa y temperatura.
Ubicación Derecha Centro Izquierda -
-
Temperatura (°C) 25 25,4 25,8
Expulsión de aire, se toman medidas en la parte superior de la torre de enfriamiento. En el ventilador tomaremos los valores de velocidad y temperatura y humedad.
Ubicación Centro Medio Extremo -
Humedad relativa 54,9 55,7 56,4
Velocidad (m/s) 2,09 13,20 10,7
Temperatura (°C) 24,5 23,6 24,9
Humedad relativa 76,6 87,6 89,6
El valor de la temperatura de agua en la parte superior de la torre es de 25,5. Temperatura del agua dentro de la torre
Ubicación Derecha Centro Izquierda
Temperatura (°C) 20 19 19
Resultados Estados 1(entrada aire) 2(salida aire) 3(entrada agua) 4(salida agua) Presión(kPa) 101,49 101,49 Temp(°C) 18 24,33 25,5 19,33 Presión sat(kPa) 2,06938 3,05233 Humedad rel.(%) 55,667 84,6 Humedad abs.(Kg/Kg aire) 0,0071 0,0162 Entalpia aire(KJ/Kg) 291,306 297,66 Entalpia agua (KJ/Kg) 2533,56 2545,1 106,286 80,3376 Entalpia por aire seco(KJ/Kg aire) 309,29 338,99
Cálculos tipo Humedad absoluta ω1= 0.622 −(°) = 0.622 .−(.∗.) = 0.0071 ⁄ ∗(°)
.∗.
Entalpia por Kg de aire seco ḣ1= ℎ ∗ ℎ = 291.306 (0.0071 ∗ 2533.56) = 309.29 ⁄
Flujo de aire ṁ2= . . = 8.663 ∗ ((1.2) ) ∗ 1.192 = 46.71 ⁄
Flujo de aire seco ṁ
.
ṁa= + = +. = 45.972
⁄
Flujo de agua de reposición ṁR= ṁ(2 1) = 45.972 ∗ (0.0162 0.0071) = 0.418 ⁄
Flujo de agua ṁagua=
ṁ[(ḣ−ḣ)+(−)] −
=
.[(.−.)+(.−.)(.)] .−.
Transferencia de calor Q= ṁ(ℎ ℎ) = 51.32(106.286 80.3376) = 1331.67 ⁄
= 51.32 ⁄
Análisis de resultados Las torres de enfriamiento tienen como objetivo extraer de un entorno calor a través de una tubería y expulsarlo al ambiente por un ventilador, según los datos obtenidos y los estados termodinámicos de ellos se puede apreciar que la humedad absoluta en la entrada de aire (0.0071) es menor a la de la salida de la torre (0.0162), esto se debe a que parte del agua que entra a la torre se evapora y humedece el aire dentro de ella. La transferencia de calor en el sistema es de 1331.67 kW, esta transferencia se puede observar intuitivamente en la temperatura de entrada y de salida del agua en la torre (la temperatura de entrada es mayor que a la salida). La tasa de reposición de agua es 0.418 Kg/s, es 0.0081% el flujo de agua que se necesita para que la torre de enfriamiento funcione correctamente, es una cantidad muy pequeña que verifica que es un método viable de extracción de calor por su eficiencia.
CONCLUSION Luego de la realización de la práctica se puede concluir que los resultados obtenidos tuvieron la tendencia esperada; por lo que se logró cumplir con los objetivos planteados, así como también se logró afianzar los conocimientos teóricos previos acerca de este proceso de refrigeración realizando los cálculos correspondientes al flujo de aire y agua, también se pudo observar la variación de la temperatura del aire durante el proceso y se verificó la estructura teoría de las torres con la visita de campo realizada. La eficiencia no fue la esperada y esto se puede deber al clima o en errores de medición por parte de la persona que realizo las mediciones. Se resalta la importancia del clima en la realización de las mediciones ya que el clima afecta directamente en el rendimiento de la torre.
BIBLIOGRAFÍA
Miranda, A. & Rufes, P.; Torres de Refrigeración; Ediciones CEAC; 1997 Eurovent/Cecomaf - Grupo de trabajo 9. Estándares Europeos y programa “La mejor tecnología obtenible”. Tor res de Enfriamiento. www.euroventcecomaf.org Miranda, A.L. y Rufes, P. Torres de Refrigeración. Ed. Ceac. Pizzeti, C. Acondicionamiento de aire y refrigeración. Edit. MBH. Van Wylen; Fundamentos de termodinámica; Editorial LIMUSA, S.A.; 2012. 2da. Edición.
