UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. - Departamento de Aeronáutica - Publicación de la revista del Colegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba. - Edición N 26 - Evaluación experimental de torres para enfriamiento de agua Ing. José Alberto Sirena. Marzo de 2000. 1/6
1. Desarrollo. Las torres para enfriamiento de agua son equipos cuya finalidad es extraer calor del agua del sistema de enfriamiento mediante el contacto directo con un flujo de aire. Estas torres tienen múltiples aplicaciones, desde su uso en pequeñas instalaciones de aire acondicionado de uso doméstico, en refrigeración de instalaciones industriales, hasta en grandes complejos de generación de energía eléctrica; su utilización esta justificada en sistemas que usan agua como medio refrigerante y en los cuales se requiera disipar con bajo costo, grandes cantidades de calor con saltos térmicos del orden de 10 C. El correcto funcionamiento de las torres es un punto sumamente importante y tiene una gran trascendencia dentro de los procesos que las utilizan, puesto que si opera inapropiadamente se generan problemas de diversa naturaleza; por ejemplo: aumento del costo de operación, disminución de la eficiencia en los sistemas de apoyo, pérdidas de rendimientos en los procesos productivos, rechazos de piezas, etc. Cuando se instala una torre de enfriamiento o se modifica la carga térmica en el sistema que la utiliza, se puede presentar el inconveniente de no lograrse la diferencia de temperatura requerida entre la temperatura del agua caliente (Thw) o de ingreso y la temperatura de agua fría (Tcw) o de salida, denominándose esta diferencia salto térmico, o bien no se alcanza la aproximación deseada, siendo esta la diferencia entre Tcw y la temperatura de bulbo húmedo del aire (Twb), lo cual plantea el siguiente interrogante (Ref. 3): - El enfriamiento es insuficiente? o - El enfriamiento es ineficiente? Aunque parezca un juego de palabras la diferencia entre ambas situaciones y las soluciones posibles es conceptualmente diferente. El problema de enfriamiento ineficiente, deriva del funcionamiento de la torre fuera de sus prestaciones de diseño, probablemente inducido por: obstrucciones en la torre, suciedades en el relleno, etc.; mientras que el de enfriamiento insuficiente obedece a un problema en la elección del sistema de refrigeración adecuado, ya sea por errores en la estimación de las cargas térmicas o bien en la selección de la torre de enfriamiento. La respuesta al interrogante mencionado en el punto anterior se puede obtener mediante ensayos para evaluar la carga térmica de la instalación; si esta es la prevista resultará necesario determinar las performances térmicas de la torre para conocer si su funcionamiento es eficiente o si fue correcta la selección de la misma. La evaluación experimental de una torre de enfriamiento permite saber si satisface las condiciones de diseño y/o conocer las performances térmicas de las mismas. Para el Cooling Tower Institute (CTI), Ref. 2, la eficiencia o capacidad de una torre se define por la relación: 2/6
η CTI = (WL/W g) red. *100 / (WL/W g) ens. donde: (WL/Wg)ens.: Relación del caudal másico del agua al caudal másico del aire durante el ensayo de la torre. (WL/Wg)red.: Relación del caudal másico del agua al caudal másico del aire del ensayo, reducida a las condiciones de diseño de la torre: Salto térmico, Aproximación y Twb. Generalmente los ensayos se realizan fuera de la condiciones de diseño de la torre, es decir que la temperatura de bulbo húmedo y la presión atmosférica (Patm) del aire ambiente no corresponden a los valores especificados, por lo que se hace necesario reducir los resultados de la evaluación a las condiciones de diseño. (WL/Wg)red. se obtiene a partir de los resultados del ensayo y de la curva de equilibrio para el acercamiento, salto térmico y temperatura de bulbo húmedo de diseño de la torre. A partir del punto definido por la relación (WL/Wg)ens. y el número de unidades de difusión (KaV/L) obtenidos experimentalmente se traza una curva paralela a la curva de funcionamiento o de diseño de la torre, el punto donde esta última curva intercepta la curva de equilibrio para las condiciones de diseño (Ref. 1.) nos da la relación (WL/Wg)red., que significa reducida a las condiciones de diseñó (Fig. 1.). 1 Diseño K.a.v/wL Curva de diseño 0,1 0,1 1 10 wl/wg [ w L w g ] red [ w L w g ] ens Fig. 1. Resultados de ensayos de torres de enfriamiento. 3/6
La eficiencia o capacidad definida por el CTI indica el porcentaje de caudal de agua, respecto al de diseño, que la torre puede enfriar satisfaciendo los requerimientos operativos previstos, es decir salto térmico y temperatura de agua fría para una dada temperatura de bulbo húmedo del aire. Cuando la curva de funcionamiento de la torre en estudio no es conocida es necesario realizar varios ensayos, a diferentes caudales de agua, para obtener un conjunto de pares de valores de la relación de caudales másicos agua/aire y las correspondientes unidades de difusión lo cual permitirá trazar dicha curva. En la Fig. 2 se muestran los puntos obtenidos en una serie de ensayos realizados en una torre y su curva de funcionamiento. 1 Curva de funcionamiento K.a.v/wL 0,1 0,1 1 10 wl/wg Fig. 2. Curva de funcionamiento de una torre de enfriamiento. La información suministrada a través de las curvas mostradas precedentemente no siempre es de aplicación rápida. Puede resultar conveniente representar la temperatura de salida del agua (TCW) en función de la temperatura de bulbo húmedo del aire que ingresa a la torre, tomando como parámetros la relación de caudales másicos WL/Wg y el salto térmico del agua. La representación en estos términos de la performance térmica de una torre de enfriamiento de agua se puede ver el la Fig. 3, la cual ha sido tomada de Ref. 4. 4/6
35 Delta T = 9ºC 30 Tcw [ ºC ] 25 Delta T = 6ºC Delta T = 3ºC 20 ------- wl/wg =1.2 -- -- -- wl/wg = 1.4 15 4 9 14 19 24 Twb [ ºC ] Fig. 3. Curvas características de una torre de enfriamiento. 2. Conclusiones La evaluación experimental de las performances térmicas de una torre de enfriamiento de agua es el único procedimiento válido para determinar las condiciones de funcionamiento de las mismas. Se recomienda su uso para la recepción de nuevas instalaciones, el diagnóstico de equipos en uso y la certificación de nuevos productos. 3. Referencias. 1. "Torres de enfriamiento de agua - Evaluación de performances térmicas"; Ferrara, N.H.; Revista Mediterránea - Ingeniería & Tecnología. Nro. 20, Marzo de 1996. Córdoba. 2. "Acceptance Test Code for Water-Cooling Tower", por Cooling Tower Institute, CTI Code ATC-105; February 1990. 3. "s de torres para enfriamiento de agua de tiro mecánico"; Olmos, D.E.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Diciembre 1995. 4. "Evaluación de una de torre de enfriamiento de agua que funciona en una central térmica de generación de corriente eléctrica"; Antunez, E.F. e Isa, B.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ing. Mecánica Aeronáutica, Febrero 1996. 5/6
5. "Evaluación experimental de las performances térmicas de una de torre de enfriamiento de agua"; Pavon, H.D.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ing. Mecánica Aeronáutica, Abril 1996. Nota: Este trabajo se realizó en el marco del Proyecto "Torres de enfriamiento de Tiro Forzado", aprobado por la Secretaría de Ciencia y Tecnología (SeCyT) de la Univ. Nac. de Córdoba y el Consejo de Investigación Científica de Córdoba (CONICOR). * Univ. Nac. de Córdoba, Facultad de Ciencias Exactas Fís. y Nat., Departamento de Aeronáutica, Ciudad Universitaria, Pabellón Ingeniería. 6/6