La transferencia de calor por convección es el transportare de energía por medio externo, en este caso el aire y el agua.

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN. La alimentación, la salud y la generación de potencia han sido `problemas de preocupación vital para la humanidad a lo largo de su historia. El progreso de estas áreas han llevado al desarrollo de la transferencia de calor, como una ciencia, por lo cual el conocimiento de esta disciplina de transporte es de suma importancia para el ingeniero. Existen tres formas de transferencia de calor: 1. Por conducción 2. Por convección 3. Por radiación Como el propósito de estudio de las torres de enfriamiento es un análisis de transferencia de calor por convección, solo nos referiremos a los puntos relacionados con la misma. La transferencia de calor por convección es el transportare de energía por medio externo, en este caso el aire y el agua. Esta 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 existente entre ambos. Debido a esta dos situaciones y por el cambio continuo de temperatura que se produce atravez 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) Transferencia de calor sensible, debido a la diferencia de temperatura entre el aire y el agua. Lo anterior indica que en una torre de enfriamiento se establece un proceso de transferencia simultánea de calor y masa.

2 OBJETIVOS. GENERALES. 1. Que en el estudiante despierte un interés por conocer mas acerca de tratamientos térmicos. 2. Reforzar y complementar los conocimientos adquiridos en clase. 3. Un conocimiento mas profundo sobre un tema especifico. 4. Conocer el funcionamiento de una torre de enfriamiento. ESPECÍFICOS. 1. Investigar lugares donde existen e implementan torres de enfriamiento. 2. Determinar cual es el uso adecuado de las torres de enfriamiento en las diferentes áreas. 3. Describir las partes que componen una torre de enfriamiento y el mecanismo de operación de las mismas. 4. Describir el principio de funcionamiento de las torres de enfriamiento.

3 DEFINICIÓN DE TORRES DE ENFRIAMIENTO. La torre de enfriamiento es un dispositivo que emplea el contacto directo entre el elemento disipador y el elemento a disipar (agua y aire atmosférico). El objetivo no es el procesamiento del aire, sino el procesamiento térmico en el enfriamiento del agua en el estado en que se encuentre. Es por este fenómeno que la torre de enfriamiento es un sistema ampliamente utilizado en la industria, para el control de la temperatura de los refrigerantes que diversos equipos utilizan en los procesos que generan calor, por su constante uso, los cuales para un funcionamiento efectivo necesitan disipar el exceso de calor. Una torre de enfriamiento es un sistema útil y funcional y en algunos casos económico para el tratamiento antes descrito. El no poseer un sistema de enfriamiento de este tipo podría ocasionar fatiga o desperfectos continuos en los equipos, que a largo plazo produce un desembolso de dinero que aumentaría los costos de producción, los cuales podrían evitarce instalando un equipo de enfriamiento adecuado el cual incrementaría la vida útil y mejoraría el rendimiento, reflejado en la reducción de los costos de producción.

4 DESCRIPCIÓN DEL ASPECTO FÍSICO DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO. Para una mejor descripción del aspecto físico de una torre en enfriamiento, tomaremos como referencia la torre de enfriamiento de tiro forzado, (figura 1). La torre de enfriamiento de tiro forzado, además del cuerpo vertical consta de los siguientes elementos: Empaquetaduras, sistema de distribución, deposito de colección, eliminadores de arrastre, ventilador, motor y estructura. EMPAQUETADURAS: Su función es generar una mayor área de contacto entre el aire y el agua como sea posible, con una mínima perdida en la presión del aire. Se presentan dos tipos: a- De salpicadura, que es seleccionado para torres de flujo cruzado. b- De película, que se utiliza para flujo en contracorriente. Existen variedad de empaquetaduras, que van desde sólidos muy fáciles de adquirir como piedras, botellas rotas, trozos de porcelana, hasta formas geométricas complejas y de alto costo económico. En la figura 2 se presentan los tipos de empaquetaduras antes mencionados. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN: Tiene como función principal distribuir el agua caliente en la parte alta de la torre; se recomienda atomizarla para facilitar el contacto con el aire. La importancia de un adecuado sistema de distribución sobre las empaquetaduras de una torre, es indispensable para una buena eficiencia en el enfriamiento. DEPOSITO DE COLECCIÓN: Se trata de un recipiente donde es colectada el agua fría que sale de la torre.

5 Su construcción deberá ser tal que elimine el peligro de que la bomba absorba aire cuando opera con un mínimo de agua; y accesible, para remover la suciedad acumulada en el fondo. ESTRUCTURA: Es el soporte de la torre de enfriamiento. Su forma y solidez dependen de las características de diseño de la torre, que tiene que ser con normas especificas que dependen de su capacidad de funcionamiento. VENTILADOR: Tiene como objetivo mantener el flujo constante de aire atravez de la torre. Para la torre seleccionada este aditamento se encontrara en la parte baja. MOTOR: Es el que impulsara el ventilador. La transmisión se efectuara en forma directa. Los elementos anteriores forman parte de la construcción interna de la torre de enfriamiento. Sin embargo existen otros componentes externos a la torre, que juntos constituyen el sistema de enfriamiento deseado. Estos son: BOMBA DE AGUA. Es el equipo que adicionara energía al agua, para hacerla reciclar atravez de todo el sistema. Su capacidad dependerá del sistema de operación en el que se va a utilizar. TUBERÍAS Y VÁLVULAS. Son los conductor reguladores por los cuales fluirá el agua.

6 El material de la tubería y los tipos específicos de válvulas, estarán sujetos al aspecto técnico, económico, y estético del sistema en cuestión. CONTROLES ELÉCTRICOS. Controlan el funcionamiento de los equipos eléctricos del sistema: el motor del ventilador y la bomba de agua. Su cuantía dependerá si el sistema funciona de manera automática o manual.

7 TIPOS PRINCIPALES Y FORMAS DE CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO. Los equipos de enfriamiento atmosféricos del agua incluyen, estanques de rociado, torres de enfriamiento de tiro natural y torres de enfriamiento de tiro mecánico. Cada uno de los sistemas de enfriamiento antes mencionados, tienen sus propias características de funcionamiento. A continuación mencionaremos algunas de las mas importantes. ALBERCAS O ESTANQUES DE ROCIADO. Estas son solo convenientes, para capacidades pequeñas y cuando el precio del terreno es bajo. Estos tienen las desventaja, de que aun colocando persianas en la caída libre del agua, se pierde mucha agua por la fuerza del viento; la potencia para el bombeo del agua es apreciable puesto que la producción de una pulverización satisfactoria del agua, precisa de una gran presión en la tobera de pulverización (figura 4-1). TOREES DE ENFRIAMIENTO DE TIRO NATURAL. Estas se subdividen también en torres atmosféricas, en las que los vientos dominantes proveen la ventilación; y el de tipo chimenea que de las utilizadas es la mas antigua. Este tipo de torre tiene una gran ventaja, sobre la de estanque de enfriamiento y de rociado, aunque estos son mas caros y necesitan mayor mantenimiento. La característica de la cual dependen este tipo de torres, es en la que el movimiento del aire que circula atravez de ella depende única y exclusivamente de las condiciones atmosféricas (figura 4-2). TORRE ATMOSFÉRICA: En este tipo de torre de enfriamiento, la circulación del aire atravez de ella, es esencialmente en sentido horizontal en lugar de ser de arriba hacia abajo. En si la velocidad del viento es la que hace mover el flujo de aire atravez de la torre. El agua se distribuye en la parte superior, haciéndola caer sobre secciones de madera distribuidas de manera uniforme, dejando

8 abertura entre ellas, y teniendo una serie de persianas laterales para tratar de que el viento no arrastre cantidades considerables de agua. La altura y ancho de la torre pueden variar dependiendo de la longitud y cantidad de agua a enfriar. Una de las dificultades principales que se tiene que afrontar con este tipo d torre, es una completa y uniforme distribución del agua en las superficies bajas, y tratar en la posible de impedir cuantiosas perdidas de agua por el arrastre del viento y la evaporación. TORRE TIPO CHIMENEA: El principio de funcionamiento de este tipo de torre es que el aire es calentado por el agua, y que de esta forma se produce una corriente ascencial del aire caliente hacia la parte superior de la torre. Los cuatro lados van completamente cerrados, desde el fondo de la torre hasta la parte superior de la misma, en la cual existe una gran disminución del área de la parte inferior a la superior; siendo la entrada de aire por la parte inferior y la salida por la superior. En este tipo de torre de enfriamiento la resistencia del aire debe ser mínima. Este tipo se encuentra actualmente discontinuado (figura 4-2-c).

9 DESCRIPCIÓN DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Desde el momento en que el agua es impulsada al sistema por medio del agua, desde el deposito recolector de agua caliente, su recorrido no se detendrá hasta caer al deposito de colección, que es originalmente se tiene el agua. El agua caliente es obtenida en los procesos industriales que generan calor, y luego será refrigerada en la torre de enfriamiento al contacto directo que tendrá con el aire, el cual será impulsado por el ventilador desde la parte baja de aquella. El enfriamiento podrá regularce con el incremento y decrementos en el caudal de agua y aire. El la figura (3-a) se presenta el diagrama de funcionamiento del sistema, en el cual se muestra la zona donde llega el agua caliente y la zona de enfriamiento con todos los dispositivos y elementos para su funcionamiento. El sistema de enfriamiento estará montado sobre un banco desplazable, lo que permite hubicarlo en lugares adecuados para realizar las practicas. Se recomienda que el lugar donde sea ubicado el sistema, tenga una altura considerable de techo que permita la evaporación libre de alguna cantidad de agua debido a perdidas por arrastre y por el aire mismo. En el proceso de enfriamiento del agua, la carga de enfriamiento se define como la cantidad de calor (q) a disiparce desde el agua por el contacto directo del aire (figura 3-b). El caudal del agua se puede regular por válvulas colocadas en la línea de alimentación de agua caliente a la tubería de distribución. El caudal de aire podrá regularce por medio de una compuerta en la entrada del ventilador.

10 COMENTARIOS GENERALES SOBRE LAS ÁREAS EN LAS QUE SE UTILIZAN LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO. En los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire, en los motores de combustión, en las plantas y generadores eléctricos o nucleares y en muchos otros equipos industriales, en los cuales la generación de calor es considerable, es importante la adecuada selección de un medio disipador de calor para el funcionamiento prolongado de estos. Los equipos se clasifican de acuerdo con los medios de disipación de calor que son el agua y el aire. En forma general existen tres tipos de uso corriente: 1. Enfriamiento por aire, en el que el calor es disipado directamente al aire por transferencia de calor sensible. 2. Enfriamiento por agua, en que el calor sensible es transferido directamente al agua. 3. Enfriamiento por evaporación, en el que se emplean serpentines de rociado para disipar el calor en el aire, por transferencia de calor sensible y de calor latente. En el enfriamiento por agua, debido al aprovechamiento que se le puede dar al agua, en el sentido de conservarla por un proceso de enfriamiento sensible y latente, se diseña en forma conjunta con el equipo, la torre de enfriamiento, como un solo principio de disipación de calor. Con la torre de enfriamiento se ahorra consumo o gastos del agua necesaria para enfriar el equipo que genera gran cantidad de calor en su funcionamiento diario en la industria. Algunas empresas que utilizan torres de enfriamiento en sus equipos se tiene a C.E.L. Existen torres de enfriamiento muy grandes dentro de su planta de generación en la central de Acajutla, en la central geotérmica del tronador (Berlín), y en la mayoría de instalaciones generadores de electricidad.

11 COMENTARIOS DE COMO SE APLICAN LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EN LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA. Las torres de enfriamiento funcionan con un area bastante grande de transferencia de calor, y con un pequeño volumen de agua, de tal manera que se subdivide el flujo de agua caliente en multitud de gotas finas. Cada una de estas gotas esta en contacto en toda su superficie, con una corriente de aire que circula atravez de la torre y que absorbe el calor inducido por el agua. De esta manera, el proceso de enfriamiento sensible y latente del agua se verifica para luego ser reciclada a un condensador, intercambiador de calor o cualquier equipo en que se su funcionamiento genera calor y que es necesario disiparlo. * La termodinámica se interesa en la transferencia de energía de un lugar a otro, le interesa la energía califica que disipa el sistema. El trabajo que se obtiene y la eficiencia resultante, en la transferencia de calor, es una ciencia que da respuesta sobre el tiempo necesario para transferir la energía califica, y que tanta de esta se transfiere, y que tan grande debe ser el arrea para que esta transferencia se lleve a cabo. Entonces la termodinámica y la transferencia de calor, se complementan para poder estudiar los sistemas de enfriamiento. * Desde el punto de vista termodinamico la energía que entra a la torre de enfriamiento, es igual a la energía que sale del sistema ya que parte del calor del agua es transferido al aire por contacto del aire en forma de vapor, reflejado en la disminución de la temperatura del agua. * El proceso dentro de la torre, se caracteriza por que hay difusión de calor y vapor de agua al aire, en la interface aire-agua. El proceso de transferencia calor comprende: A) Transferencia de calor latente ( evaporación del agua ). B) Transferencia de calor sensible ( diferencia entre la temperatura del agua y del aire ).

12 CONCLUSIONES. 1) Con el desarrollo de este trabajo hemos llegado a establecer que las torres de enfriamiento tienen muchas aplicaciones en la industria y que son un medio muy eficaz para hacer un uso racional de los recursos naturales como el agua. 2) Que la eficiencia de la torre de enfriamiento depende de varios factores como son: a) A mayor altura de la torre mejor enfriamiento y viceversa b) Con menor caudal de agua caliente y mayor caudal de aire se obtienen mejores resultados c) conocer las condiciones atmosféricas, y utilizarlas como condiciones iniciales puede ser un factor influyente el los resultados. 3) Con el uso de las torres de enfriamiento se incrementa el potencial de los equipos industriales que generan gran cantidad de calor a la vez que se obtiene una disminución en los gastos.

13 BIBLIOGRAFÍA. 1) MANUAL DE EL INGENIERO QUÍMICO TOMO 1, JOHN H. PERRY EDITORIAL HISPANOAMERICANO TERCERA EDICIÓN, ) TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA J.P. HOLMAN EDITORIAL CONTINENTAL, ) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO TESIS DE EDWIN ROMEO ZEPEDA Y JOSÉ FRANCISCO ZULETA (U.E.S) 4) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS DE ENFRIAMIENTO PARA LA INDUSTRIA. TESIS DE RODOLFO GUARDADO CAMPOS (U.E.S) 5) TRANSFERENCIA DE CALOR. 6) MANUAL DEL AIRE ACONDICIONADO COOLING TOWERS, INC.