UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. - Departamento de Aeronáutica -

“Torre de Enfriamiento de Tiro Forzado.”

Resumen de los siguientes informes.

− Torre de enfriamiento de tiro forzado. Primera etapa. Dpto. Aeronáutica. U.N.C. Año 1996. − Torre de enfriamiento de tiro forzado. Segunda etapa. Dpto. Aeronáutica. U.N.C. Año 1997.

- Resumen completo. -

Marzo de 2000. 1/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

INDICE Resumen completo. − Carátula.

1

− Indice.

2

− Nomenclatura.

4

− 1. Introducción.

6

− 2. Fundamentos teóricos.

9

− 2. 1. Descripción del proceso de enfriamiento del agua.

9

− 2. 2. Integral de Merkel.

10

− 3. Características de funcionamiento de torres.

15

− 3. 1. Curva de funcionamiento.

15

− 3. 2. Punto de diseño.

16

− 4. Ensayos de torres de enfriamiento.

17

− 4. 1. Generalidades.

17

− 4. 2. Condiciones generales para la realización del ensayo

18

− 4. 2.1. Condiciones de equipamiento.

18

− 4. 2.2. Condiciones operativas.

18

− 4. 2.2.1. Límites de variación de las condiciones operativas

19

− 4. 2.3. Condiciones generales del equipamiento de ensayo.

20

− 4. 3. Parámetros que se deberán medir durante el ensayo de una torre para enfriamiento de agua según el código ATC-105.

20

− 4. 3.1. Caudales de agua.

20

− 4. 3.2. Temperaturas.

20

− 4. 3.2.1. Agua.

20

− 4. 3.2.2. Aire.

20

− 4. 3.3. Otros parámetros a medir.

20

− 4. 3.4. Requerimientos generales para la medición de los parámetros

21

− 4. 3.5. Duración del ensayo.

21

− 4. 3.6. Lectura de los parámetros.

22

− 4. 3.7. Localización de los puntos de medición de los parámetros.

22

− 4. 3.8. Monitoreo de las condiciones de viento y del aire sin perturbar.

23

− 4. 3.9. Potencia de entrada al ventilador.

23

− 4. 3.10. Presión total de entrada.

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

− 4. 3.11. Análisis del agua circulante.

24

− 4. 3.12. Temperatura del aire de admisión – Bulbo seco y húmedo.

24

− 4. 3.13. Temperaturas del agua.

25

− 4. 3.14. Temperatura del agua caliente.

25

− 4. 3.15. Temperatura del agua fría.

25

− 4. 3.16. Temperatura del agua de Make-up.

25

− 4. 3.17. Temperatura del agua de Bloow-down.

26

− 4. 3.18. Mediciones de caudal de agua.

26

− 4. 3.18.1. Caudal de agua.

26

− 4. 3.18.2. Flujo de agua de Make-up.

26

− 4. 3.18.3. Flujo de agua de Bloow-down.

26

− 4. 3.19. Cálculo de la presión total a la entrada.

27

− 5. Sistema de adquisición de datos.

28

− 5. 1. Generalidades.

28

− 5. 2. Descripción.

29

− 5. 3. Sensor de caudal de agua.

29

− 5. 3.1. Calibración del caudalímetro.

30

− 6. Evaluación experimental de torres de enfriamiento.

32

− 6. 1. Generalidades.

32

− 6. 2. Torre de enfriamiento de gran porte.

32

− 6. 3. Torre de enfriamiento de pequeño porte.

37

− Bibliografía

40

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

NOMENCLATURA A

Constante adimensional en la ecuación que describe el funcionamiento de una torre.

Aent

Area de entrada del aire, desde el ambiente, hacia el interior a la torre. [m2]

a

Superficie de transferencia equivalente por unidad de volumen de torre. [1/m]

aH

Superficie de transferencia total de calor por unidad de volumen de torre. [1/m]

aM

Superficie de transferencia total de masa por unidad de volumen de torre. [1/m]

B

Constante adimensional en la ecuación que describe el funcionamiento de una torre.

C

Constante adimensional, antilogaritmo de la constante A ya mencionada.

CL

Calor específico del agua. [KJ/(Kg ºK)]

Cs

Calor húmedo. [KJ/(Kg ºK)]

CT

Carga típica del relleno. [m/s]

G

Caudal volumétrico de aire. [m3/s]

HDU

Altura de la unidad de difusión. [m]

HR

Humedad relativa ambiente. [%]

hg

Coeficiente de transmisión de calor entre la interfase y la masa gaseosa. [KJ/(hr m2 ºK]

hL

Coeficiente de transmisión de calor entre la interfase y la masa de agua. [KJ/(hr m2 ºK]

i

Entalpía específica. [KJ/Kg]

iL

Entalpía específica del aire húmedo a la temperatura del líquido. [KJ/Kg]

iv

Entalpía específica del vapor de agua. [KJ/Kg]

Kg

Coeficiente de transferencia másica a través de la película gaseosa. [Kg de vapor condensado/(hr m2)]

K’g

Coeficiente de transferencia másica a través de la película gaseosa basado en la diferencia absoluta de humedades entre la interfase y la masa gaseosa. [Kg de vapor condensado/(hr m2)]

L

Caudal volumétrico de agua. [m3/s]

Le

Número de Lewis. [-]

n

Coeficiente adimensional en la ecuación de funcionamiento de la torre.

Patm

Presión atmosférica. [mmHg.]

Q

Flujo de calor. [W]

0

Superficie total de la sección transversal de la torre. [m2]

T

Temperatura. [°C o °K]

T0

Temperatura de referencia. [°C o °K]

V

Volumen activo de la torre (S0 . Z). [m3]

Vg

Velocidad del aire. [m/s]

W

Caudal másico. [Kg/s]

Xw

Humedad absoluta. [gr. de vapor/ gr de aire seco]

Z

Altura del relleno de la torre. [m]

Griegas λ0

Entalpía de vaporización para la temperatura de referencia T0 4/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo ηd

Número de unidades de difusión.(adimensional)

ρ

Densidad. [Kg/m3]

Subindices a

Aire seco.

cw

Agua fría.

ent

Entrada.

db

Bulbo seco.

g

Gas, aire.

hw

Agua caliente.

i

Interfase liquido-gaseosa.

L

Liquido, agua.

r

Relleno

sal

Salida

wb

Bulbo húmedo.

1

Entrada

2

Salida

NOTA: En el texto se explicita la nomenclatura utilizada y que no se encuentra en esta lista.

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

1. INTRODUCCION. A medida que una sociedad se desarrolla tecnológicamente es necesario incrementar los conocimientos que permitan controlar que tal desarrollo sea eficiente en cuanto al consumo de energía se refiere. En ese contexto este trabajo tiene como objetivo implementar la tecnología que permita evaluar experimentalmente las performances térmicas de torres para enfriamiento de agua y desarrollar la metodología que permita realizar un diseño más eficiente de dichas torres. Las torres para enfriamiento de agua son dispositivos cuya finalidad es extraer calor del agua a través del contacto directo con el aire. Estas torres tienen múltiples aplicaciones, desde relativamente pequeñas instalaciones de aire acondicionado hasta en grandes complejos de generación de energía eléctrica. Se puede decir que su uso esta justificado en sistemas que utilizan agua como medio refrigerante, donde sea necesario disipar grandes cantidades de calor a bajo costo y el salto de temperatura requerido sea del orden de 10°C. Componentes importantes de las torres son: la carcaza, a través de la cual circulan todos los fluidos y contiene, en general, todos los elementos que la componen, el relleno, cuya finalidad principal es aumentar la superficie de intercambio por unidad de volumen de la torre, el grupo impulsor de aire y el sistema de distribución de agua ( ver Figura 1). El sistema impulsor de aire está integrado por: ventilador, motor, transmisión y en ciertos casos el subsistema de control de velocidad. El sistema de distribución de agua incluye las cañerías de distribución internas, los picos rociadores y el depósito o cuba de recolección con control del nivel de agua. De acuerdo a como se genera el movimiento de aire pueden distinguirse dos tipos de torres: las de tiro natural y las de tiro mecánico. Las primeras pueden ser atmosféricas y de chimenea, estas últimas con o sin asistencia mecánica. Las de tiro mecánico pueden ser de flujo forzado (aire impulsado al interior) o bien de flujo inducido (aire aspirado desde el interior). En este último tipo de torres el flujo de aire respecto al del agua puede ser cruzado o a contracorriente ( Ref. 1, Cap. I ). El dominio de la metodología de cálculo de torres de enfriamiento de agua implica conocer los fundamentos teóricos del proceso de termotransferencia que tiene lugar en su interior como así también las características del flujo interno y la correspondiente ponderación de las pérdidas de carga para poder seleccionar o diseñar un ventilador eficiente. Ello permitirá obtener torres de enfriamiento con una alta eficiencia termodinámica y un bajo consumo energético del grupo moto-propulsivo.

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Fig. 1. Torre de enfriamiento de tiro forzado El estado actual del arte no permite que las características de termotransferencia del relleno como así también la pérdida de carga que ocasiona el mismo puedan ser obtenidos analíticamente ya que no existe un modelo que describa el funcionamiento del relleno. Por lo tanto para diseñar una torre que funcione eficientemente en determinadas condiciones operativas es necesario recurrir a datos experimentales para determinar las prestaciones térmicas y aerodinámicas del relleno. Surge así la necesidad de disponer de una instalación experimental que permita evaluar dichas prestaciones en distintos tipos de relleno.

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

La determinación experimental de la performance térmica de torres de enfriamiento operando en condiciones reales, brindará la información empírica necesaria para analizar el comportamiento del relleno y la características del flujo interno. Esta información utilizada en nuevos diseños, permitirá obtener productos con mayor eficiencia térmica y energética. Si se pretende que los resultados de una evaluación experimental sean confiables, representativos y además comparables con otros ensayos es necesario que se obtengan con técnicas experimentales que satisfagan requisitos determinados, previamente establecidas. Estos requisitos condicionan la calidad y el estado del equipamiento involucrado, los procedimientos de ejecución de los ensayos, la adquisición y el procesamiento de datos experimentales a los efectos de elaborar conclusiones. En este estudio se optó por seguir los patrones y normas del Cooling Tower Institute (CTI) para la ejecución de los ensayos pertinentes en razón del prestigio a nivel internacional de esa organización y por disponerse de la bibliografía necesaria. Por ello las evaluaciones realizadas en torres de pequeño y gran porte se realizaron de acuerdo con la metodología descripta en el Código AT-105 del CTI. Si bien este trabajo se realiza para torres de tiro mecánico, sus resultados o logros podrán aplicarse a otros tipos de torres o instalaciones para intercambiar calor, que se basen en los mismos principios de funcionamiento.

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2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. El proceso de termotransferencia que se produce en una torre para enfriamiento de agua, cualquiera fuese su tipo, es el resultado de la interacción entre el medio gaseoso refrigerante (aire) y el fluido a enfriar (agua). En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el aire que la enfría y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por intercambio de calor sensible entre la fase líquida y la gaseosa, pero en mayor medida por la formación de vapor de agua en la interfase líquido/gas y su posterior difusión en el aire que la circunda. El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire, está íntimamente conectado con el de transferencia de calor. En efecto, con el cambio de fase desde líquido a vapor se absorbe calor lo cual da lugar a gradientes de temperatura en el aire adyacente a la superficie líquida. En muchos casos prácticos, las condiciones en que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que la difusividad térmica y el coeficiente de difusión másico son iguales, es decir el número de Lewis es igual a la unidad. 2. 1. Descripción del proceso de enfriamiento del agua. El estudio del proceso de enfriamiento en una torre, implica el análisis del intercambio de calor por contacto directo entre un líquido (agua) y un gas (aire). Comparado con el de transferencia de calor entre un gas y un medio líquido a través de una pared rígida que los separa, el caso de la torre es más complejo porque es difícil evaluar la superficie real de transferencia. No obstante, mediante la formulación de esquemas idealizados descriptivos del proceso y de algunas hipótesis justificadas por el relativo buen funcionamiento del esquema, es posible arribar a un procedimiento de cálculo que permite evaluar rápidamente si la torre puede satisfacer el servicio requerido. Un esquema idealizado del fenómeno de transferencia que tiene lugar entre la masa liquida y la gaseosa en una torre de enfriamiento se muestra en la Figura 2. Puede suponerse que a uno y otro lado de la interfase 2-2' se forman una película de aire y otra de agua. Los gradientes de temperatura existentes en ambas películas promueven la transferencia de calor necesaria para producir la evaporación y difusión de una pequeña porción del agua que esta en circulación.

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3

2

Película del gas

1

TL masa líquida

masa gaseosa

Distribución de temperatura

Tg 3’

2’

1’

Película del líquido

Interfase

Fig. 2. Idealización del fenómeno de transferencia

La hipótesis de la película líquida permite, en cualquier sección de la torre, expresar la transferencia de calor desde la corriente líquida a una temperatura local media TL hacia la interfase con temperatura Ti de la siguiente forma: WL CL dL = hL aH S0 dZ . ( TL - Ti )

(1)

A su vez la película del lado del aire permite expresar la transferencia de calor desde la interfase hacia la masa gaseosa con temperatura local media Tg como: Wg Cs dg = hg aH S0 dZ . ( Ti - Tg)

(2)

Por otra parte, el vapor de agua que se forma en la interfase se difunde hacia la masa gaseosa. Dicha difusión, en cualquier sección de la torre, es proporcional a la humedad específica del aire saturado en contacto con la interfase Xwi, menos la humedad específica de la masa de aire Xwg. Resulta entonces: Wg dXw = K’g aM S0 dZ . ( Xwi - Xwg )

(3)

donde K'g es el coeficiente de transferencia másica y aM es el área a través de la cual se produce dicha transferencia. 2. 2. Integral de Merkel. El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire esta íntimamente vinculado con el de transferencia de calor entre ambos medios. En muchos casos prácticos las condiciones en que se desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que las difusividades térmica y másica son iguales, es decir el número de Lewis es igual a uno (Le = 1).

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Si además de Le = 1 se acepta que aM = aH = a, en Ref. T.F. 1 se demuestra que las ec. 2 y 3 pueden combinarse para obtener: Wg dig = K’g a S0 dZ . ( ii - ig )

(4)

Como no puede conocerse con exactitud la temperatura de la interfase agua-aire, ya que resulta muy difícil de determinar experimentalmente, se acepta que sea igual a la temperatura local media TL del líquido. Entonces la ec. 4 se escribe: Wg dig = Kg a S0 dZ . ( iL - ig )

(5)

donde iL es la entalpía del aire saturado a la temperatura TL del agua e ig es la entalpía del aire húmedo. Nótese que suponer Ti = TL implica aceptar que hL . aH es infinito, lo cuál, lógicamente no es cierto. Además, la utilización en la ec. 5 de un coeficiente de transferencia de masa aparente Kg distinto del verdadero K'g es permisible, siempre que exista entre ambos una relación constante. Si la cantidad de agua que se evapora es pequeña comparada con el total de agua que se desea enfriar ( ~ 2 %), siguiendo el análisis de Ref. T.F. 1 puede suponerse que: Wg . dig ~ WL . CL . dTL

(6)

Si se tiene en cuenta esta última expresión, la ec. 5 se puede escribir: ( K G .a. S 0 .Z) WL

x dZ = C L x dT L ( iL - i g )

(7)

e integrando se obtiene la expresión de Merkel (Ref. T.F. 1):

ηd =

( K G .a. S 0 .Z) WL

T hw

= CL x

∫ (i

T cw

dT L L - ig )

(8)

Esta integral permite calcular el numero de unidades de difusión necesarias, ηd, para que la torre cumpla con el servicio requerido. Por otra parte se define la altura de la unidad de difusión, HDU, a través de la siguiente expresión:

HDU =

Z ηd

(9)

No es casual que la simplificación de Merkel (Le = 1) funcione razonablemente bien, 11/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

ello es así como consecuencia de que el Cp del aire es aproximadamente 0.24 y el calor sensible transferido en una torre de contacto directo es solamente una cuarta parte del calor transferido por evaporación. De esta manera para transferir un número dado de calorías de calor sensible, se requiere un potencial cuatro veces mayor que para transferir igual número de calorías mediante la transferencia de masa. Por ello, aunque se cometa un error del 50% en el coeficiente de transferencia de calor, esto influirá solamente en un 10% de error en el total. Evidentemente si el fluido al cual se transfiere calor tiene un Cp más alto, la situación no será tan simple. La entalpía actual de la masa de aire húmedo ig en cualquier sección de la torre se puede expresar en términos de la relación entre la masa líquida y la del aire WL /Wg . En efecto integrando la ec. 6 se obtiene: i g ( T L ) = i g ( T wb ) + C L x

WL x( T L T cw ) Wg

(10)

El término independiente se elige igual a la entalpía del aire a la entrada de la torre, la cual es dato o puede determinarse en función de sus propiedades psicrométricas. La ec. 10 relaciona el cambio de entalpía en la masa de aire con el cambio de temperatura del agua, por lo tanto define la "línea de operación del aire" que acompaña al agua. El diagrama entálpico de la Fig.3 ha sido construido con el propósito de facilitar la interpretación física de la integral ec. 8. Con la curva CF se grafican las entalpías iL del aire saturado en función de la temperatura ,TL, del agua. De conformidad con las hipótesis formuladas, la saturación del aire puede darse únicamente sobre la interfase agua-aire. El punto C corresponde a la temperatura de bulbo húmedo Twb del aire que entra a la torre. En la parte inferior de la torre, el agua enfriada puede poseer una temperatura Tcw igual o menor que la temperatura de bulbo seco del aire con el que se pone en contacto, pero no más abajo que el bulbo húmedo de este aire. El aire a la temperatura Tcw se representa por el punto “A” el cuál posee la misma entalpía que el aire saturado (temp. Twb). A la diferencia entre las temperaturas del aire Twb y Tcw se la denomina aproximación y a la diferencia entre la temperatura de entrada del agua Thw y la de salida Tcw se la denomina salto térmico. El aire que deja la torre adquiere la entalpía que resulta de introducir en la ec. 10 la temperatura Thw, es decir la correspondiente a la del agua caliente que entra por la parte superior. Cuando el contenido de humedad con que sale el aire más se aproxime al de saturación, mejor será la performance térmica de la torre, ya que en principio se generaría un número de unidades de difusión superior. De la Fig. 3 se desprende que dicha saturación se consigue con la línea de operación que une “A” con “B”, que además es la de mayor pendiente (máximo valor de WL /Wg). Pero por estar “B” sobre la curva de aire saturado, dicha operación es posible

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25 0

F 20 0

B

i, ig [ KJ/Kg ]

Aire saturado 15 0

G

B’

Linea operativa del aire

10 0

H C

WL/Wg

A

50

Aproximación

Salto térmico

0 10

Twb

15

20

Tcw

25

T,T [`C ]

30

Tg2

35

Thw

40

45

Fig. 3. Diagrama entálpico del proceso de enfriamiento. únicamente con una torre de altura infinita (Ref. T.F. 1). Por lo tanto es necesario disminuir la relación agua-aire y conseguir una línea menos empinada como la AB'. El área encerrada entre la curva de saturación iL (TL) y la línea de operación ig (TL) cuyos vértices son A,B',B y H, es indicativa del potencial que promueve la transferencia de calor total entre el agua y el aire. La resolución de la integral ec. 8 permite obtener el número de unidades de difusión ηd necesario para producir el cambio en la temperatura del agua. A este efecto se ha desarrollado un programa de cómputo que permite la resolución numérica de dicha integral a partir de datos de funcionamiento de la torre preestablecidos, p.ej. la temperatura y porcentaje de humedad del aire en el ambiente y el salto de temperatura deseado para el agua. Resultados típicos obtenidos con el programa se presentan en la Fig. 4. Volviendo a la Fig. 3, se observa cómo se determina la temperatura de bulbo húmedo Twb para el aire a la salida de la torre, pero no es posible conocer su temperatura de bulbo seco. Esto requiere de un procedimiento numérico (o gráfico) adicional al aquí expuesto que permita determinar el contenido de humedad que va adquiriendo a medida que atraviesa el relleno. No obstante, por ser el porcentajes de humedad relativa del aire a la salida de la torre muy alto ( > 90 %), suele aceptarse que sale saturado, particularmente cuando se calcula la potencia requerida por el ventilador.

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Temperatura de bulbo húmedo = 25.0 °C Presión ambiente = 98.0665 kPa Salto térmico = 10 °C

Ka.V/W L

10

1

0,1 0,1

1

W L/W G

Aproximación 5 °C Aproximación 10 °C

Fig. 4. Ejemplos del cálculo del número de unidades de difusión.

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5.

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3. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE TORRES. La naturaleza de los fenómenos de transferencia que tienen lugar en una torre de tiro forzado, no permite, a la luz del estado actual del arte, plantear un procedimiento que permita determinar el número de las unidades de difusión que produce una torre para una determinada condición operativa y por lo tanto tampoco se puede predecir analíticamente el comportamiento del ηd en función de la relación de caudales másicos agua/aire. 3. 1. Curva de funcionamiento. El C.T.I. encontró una ecuación que vincula muy satisfactoriamente a WL/Wg con KaV/WL, Referencia 1, deducida a partir de la correlación estadística de datos obtenidos de ensayos realizados a numerosas torres de enfriamiento comerciales de tipos y marcas variadas. La misma se escribe: -n

ηD =

K . a .V WL

  = C .  W L   Wg 

(11)

Se hacer notar que cuando WL/Wg = 1, la altura Z del relleno de la torre dividida por la constante C, permite determinar el HDU, es decir el valor de la altura de la unidad de difusión. De acuerdo a lo expresado anteriormente no hay un procedimiento que permita la evaluación de la constante “C” y el exponente “n” en base a consideraciones puramente teóricas. Sí es factible su evaluación mediante ensayos efectuados con configuraciones similares. Por lo tanto el HDU sólo puede obtenerse experimentalmente. Dado el HDU, la altura total de la torre requerida para un servicio determinado puede calcularse, previa estimación del ηd necesario. Casi todas las torres modernas utilizan como relleno láminas de diversos tipos de plásticos, específicamente configuradas y adecuadamente dispuestas con el propósito de conseguir en la menor distancia el mayor contacto posible entre la película gaseosa y la líquida. Con esto se incrementa su efectividad y se reduce considerablemente la potencia necesaria para impulsar el aire a través del relleno. La información técnica con respecto a los rellenos empleados en las torres modernas es muy limitada, ya que es considerada propiedad del fabricante. Resulta entonces de interés fundamental, contar con equipos experimentales que permitan determinar las performances características (térmicas y de pérdida de presión) de los rellenos que podrían ser propuestos por los fabricantes nacionales. Además, para que los estudios que se efectúen con dichos equipos sean aplicables al mundo real, es necesario contar con células de ensayo cuyo diseño haya sido efectuado respetando los parámetros de similitud que caracterizan los fenómenos físicos involucrados. 15/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

Utilizando los valores de n y C obtenidos experimentalmente, las función dada por la ecuación (11) puede graficarse usando en ambas coordenadas escalas logarítmicas. De este modo la ecuación representada resulta:  K aV Log   WL donde : A = Log ( C )

W    = A + B x Log  L   W g 

(12)

y B=-n

3. 2. Punto de diseño. La gráfica de la ecuación (12) resulta una línea recta y la intersección de ella con la curva que representa en el mismo gráfico las unidades de difusión necesarias en función de WL/Wg, para determinadas condiciones ambientales, salto térmico y acercamiento, determina el punto de diseño o de funcionamiento de la torre que producirá en el agua el salto térmico deseado con el acercamiento y condiciones ambientales fijados. Una ilustración de lo expuesto se presenta en la Fig. 5. El comportamiento lineal de la curva de funcionamiento de las torres de enfriamiento de agua en función de la relación de caudales másicos se mantendrá en la medida que se sostengan las condiciones del flujo de aire y del agua que garanticen la similitud dinámica del proceso. CONDICIONES Twb=23.9ºC – Salto Termico=11.1 ºC – Patm=1 atm. 10

Curva de diseño

KaV/WL

Operación de la torre

1

Punto de funcionamiento

Aproximación = 8.33 ºC

0,1 0,1

1 W L/W g

Fig. 5. Punto de diseño o de funcionamiento de la torre.

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10

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

4. ENSAYOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO

4. 1. Generalidades. Cuando se ejecuta un ensayo, cualquiera sea su tipo o elemento sobre el cual se realiza, es importante que los resultados obtenidos sean confiables, representativos y además puedan ser comparados con los de otros ensayos. Ello implica la necesidad de ejecutarlos bajo 1

determinadas condiciones estandarizadas . Para satisfacer estos requisitos la manera mas idónea es establecer los procedimientos para ejecutar el ensayo, definir las condiciones que debe reunir el equipamiento involucrado, es decir la torre de enfriamiento y el instrumental de medición y fijar las condiciones generales bajo las cuales se llevará a cabo la evaluación experimental. En general la solución no proviene exclusivamente de quien ejecuta el ensayo, sino que se recurre a fuentes con mayor experiencia y que además, tienen una autoridad reconocida en la materia. Dichas fuentes nos son otras que los Estándares Internacionales, entre los que se podrían mencionar: ISO, ASME, SAE, DIN; JIS, IRAM y muchos otros que han elaborado normas sobre diversas áreas del quehacer industrial (p.ej: Petróleo, Corrosión, Ensayos No Destructivos, Torres para Enfriamiento de Agua, etc.). De acuerdo a lo expuesto es necesario entonces escoger un estándar aplicable a nuestro interés: Las Torres para Enfriamiento de Agua. En éste ámbito es numerosa la información que existe y entre otras podrían mencionarse las normas japonesas (JIS), las norteamericanas (ASME y CTI), y las alemanas (DIN). Para la realización de éste trabajo se decidió optar por los estándares del Cooling Tower Institute (CTI). Esta elección obedeció al elevado prestigio internacional de dicho instituto, además sus publicaciones e informes constituyen la mayor fuente bibliográfica. Dentro de los estándares del CTI, el código ATC-105 es el que se aplica para realizar los ensayos para la determinación de las performances térmicas y las pruebas de aceptación. El citado código abarca a distintos tipos de torres, a saber: - Torres de circulación mecánica. - Torres de circulación natural. - Torres de circulación natural asistida por un ventilador. - Torres Húmedas/Secas de circulación mecánica. Los requerimientos y procedimientos son generales para todos los tipos de torres, mientras que los métodos para la evaluación de las performances son distintos para cada tipo de torre. 1 Referencia Trabajo Final 2.

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

4. 2. Condiciones generales para la realización del ensayo. 4. 2.1. Condiciones del equipamiento. La torre deberá estar en buenas condiciones operativas y cumplir con los siguientes requisitos: A - Los sistemas de distribución de agua deberán estar limpios y libres de materiales extraños que puedan impedir el flujo normal del agua. B - Los equipamientos mecánicos, si existen, deberán estar en buenas condiciones operativas. Los ventiladores deberán rotar en la dirección correcta. Las paletas del ventilador deberán tener el calaje especificado, pudiendo entregar una potencia dentro del ± 10 % de la potencia nominal de trabajo. Además en los ventiladores centrífugos, deberá verificarse que el difusor esté libre de materiales extraños y que estén instalados apropiadamente. C - Los conductos de circulación de aire deberán estar libres y que no haya algas u otros sedimentos que puedan impedir la normal circulación del aire. D - El relleno debe estar esencialmente libre de materiales extraños, incluyendo algas, aceites, alquitrán o incrustaciones metálicas. E - Los caudales de Make-up y/o Bloow-down podrán ser cerrados durante el ensayo, si los parámetros necesarios para evaluar la performance ensayada no se ven afectados en forma adversa. F - El nivel de agua, en la cuba de agua fría, deberá ser el de operación normal y mantenido esencialmente constante durante el ensayo. G - El aire de enfriamiento, tanto el interno como el externo, debe estar esencialmente libre de materiales extraños y deberá satisfacer criterios de limpieza acordadas entre el usuario y el fabricante con anterioridad al ensayo. 4. 2.2. Condiciones operativas. El ensayo se debe desarrollar dentro de las siguientes limitaciones: A - Las temperaturas de bulbo seco y húmedo deberán ser los valores del aire a la entrada y deberán ser medidas en concordancia con el Párrafo 2-1-5, del Código ATC-105. B - La velocidad del viento deberá ser medida de conformidad con el párrafo 2-1-1 de dicho código y no deberán excederse los valores siguientes: - Velocidad promedio del viento:

16 km/h (10 mph); 18/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

- Ráfagas de un minuto de duración:

24 km/h (15 mph);

C - Los valores de los siguientes parámetros, no deberán variar respecto de las condiciones de diseño, por encima de: - Temperatura de bulbo seco: - Temperatura de bulbo húmedo: - Rango de enfriamiento: - Caudal de agua: - Presión barométrica:

± ± ± ± ±

2.5 ºC 1.5 ºC 20 % 10 % 3,385 kPa (± 1 Hg)

D - Para torres multi-celdas, una o mas celdas pueden ser sacadas de funcionamiento, con la condición que el caudal de agua para cada celda activa, esté dentro de los limites operativos establecidos según norma. E - El agua debe ser distribuida a todas las celdas operativas y/o partes de la torre recomendadas por el fabricante. F - El total de sólidos disueltos en el agua de circulación, determinados por evaporación, no debe exceder los valores: a - 5.000 p.p.m. b - 1,1 veces la concentración de diseño Además el agua de circulación no debe contener mas de 10 p.p.m. de aceite, óxidos o sustancias grasas (determinada por los procedimientos de la American Public Heath Asoc.). 4. 2.2.1 Límites de variación de las condiciones operativas. Para que los resultados del ensayo sean validados, la variación de las condiciones operativas durante el ensayo deberá estar dentro de los siguientes límites: - Caudal de agua: - Carga térmica: - Salto térmico

± 5% ± 5% ± 5%

Las lecturas instantáneas de temperatura pueden variar, pero el rango de variación de los promedios durante el período de ensayo no deberá exceder: - Temperatura de bulbo seco: 2,78 ºC/hr (5 ºF/hr) - Temperatura de bulbo húmedo: 1,12 ºC/hr (2 ºF/hr)

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4. 2.3. Condiciones generales del equipamiento de ensayo. La ejecución de un ensayo del tipo que se está tratando hace necesario que los instrumentos tengan una elevada precisión y además estén calibrados previamente a la realización del ensayo. Si los ensayos son ejecutados para ser homologados por el CTI, los instrumentos deberán ser revisados y aprobados por el CTI previamente a la realización del ensayo. 4. 3. Parámetros que se deberán medir durante el ensayo de una torre para enfriamiento de agua según el código ATC-105. 4. 3.1. Caudales de agua. Deberán medirse los siguientes caudales de agua: - Caudal de agua. - Caudal de agua de Make-up. - Caudal de agua de Bloow-down. Estos dos últimos se medirán, solo si están operativos durante el ensayo (se pueden interrumpir sino se afectan otras performances de funcionamiento de la torre). 4. 3.2. Temperaturas. 4. 3.2.1. Agua. - Temperatura de agua caliente. - Temperatura de agua fría. - Temperatura del caudal de Make-up. - Temperatura del caudal de Bloow-down. 4. 3.2.2. Aire. - Temperatura de bulbo seco del aire de admisión. - Temperatura de bulbo húmedo del aire de admisión. 4. 3.3. Otros parámetros a medir: - Presión estática, para determinar la presión total en la entrada (párrafo 4. 3.10.). - Presión barométrica. - Potencia a la entrada del ventilador. - Velocidad y dirección del viento de la atmósfera local. - Deberá tomarse una muestra del agua circulante (párrafo 4. 3.11.).

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4. 3.4. Requerimientos generales para la medición de los parámetros. En los instrumentos para la medición de los parámetros se deberán cumplir los requerimientos de precisión, apreciación y frecuencia de toma de lecturas dados en la Tabla 1. 4. 3.5. Duración del ensayo. Luego de alcanzadas las condiciones de régimen térmico, el tiempo de ensayo debe ser por lo menos, de 1 hora. Si la inercia térmica es mayor a 5 minutos, el tiempo de ensayo cronometrado deberá ser de 1 hora+inercia térmica y en el cómputo de los resultados del ensayo no se tendrán en cuenta los valores de los parámetros relevados durante el período de la inercia térmica. Si la inercia térmica es menor que 5 minutos, entonces no es necesario que se incremente el tiempo del ensayo, ni tampoco se eliminen los parámetros medidos durante éste período en el momento de la evaluación de los resultados. Tabla 1 PARÁMETRO Caudal de agua circulante Caudal de agua de Make-up Caudal de agua de Bloow-down Temperatura de agua caliente Temperatura de agua fría Temperatura del caudal de Make-up Temperatura de caudal de Blowdown Temperatura de admisión de bulbo seco Temperatura de admisión de bulbo húmedo Velocidad y dirección del viento

PRECISION

APRECIACIÓN 3,785 lts/min (1 g.p.m) 3,785 lts/min (1 g.p.m) 3,785 lts/min (1 g.p.m)

± 1,25 % ± 1,25 % ± 1,25 % ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF) ± 0,055 ºC (± 0,1 ºF)

CANTIDAD DE LECTURAS (*) 3 2 2

0,11 ºC (0,2 ºF)

12

0,11 ºC (0,2 ºF)

12

0,11 ºC (0,2 ºF)

2

± 0,055 ºC (± 0,1 ºF)

0,11 ºC (0,2 ºF)

2

± 0,055 ºC (± 0,1 ºF)

0,11 ºC (0,2 ºF)

± 0,055 ºC (± 0,1 ºF)

0,11 ºC (0,2 ºF)

----- (1)

1,61 km/h (1 mph.)

Presión barométrica

----- (1)

33,85 Pa (0,01 Inch Hg)

1

Presión total a la entrada

----- (1)

0,03048 m (0,1 ft.)

1

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(*) Numero mínimo de mediciones por hora y por estación. (1) La precisión no está especificada en el Código ATC-105 del CTI

El tiempo de inercia térmica se estima mediante la fórmula: s = (0,12 . Vb . w)/(gpm)t donde: s = inercia térmica (minutos). Vb = volumen de agua en la cuba durante el ensayo (ft.3). 3 w = densidad del agua de la cuba (lbm/ft. ). (gpm)t = caudal de agua (galones/minuto). 4. 3.6. Lectura de los parámetros. La lectura de todos los parámetros debe ser realizada a intervalos regulares durante el período que dura el ensayo (ver párrafo 7.5), según se detalla en los párrafos subsiguientes. 4. 3.7. Localización de los puntos de medición de los parámetros. Uno de los aspectos claves para el éxito del ensayo es la elección de los puntos de ubicación de los sensores, ya que de ella dependerá la representatividad del valor obtenido respecto al valor real del parámetro y por ende influenciará la precisión final de las mediciones. En este sentido el Código ATC-105 no establece una única posibilidad de ubicación para cada parámetro, sino que para algunos, enumera una serie de posibles localizaciones mientras que para otros (p.ej: temperaturas del aire de admisión) fija zonas donde la instalación de los sensores está permitida. Para la implementación del sistema de medición que se está tratando, se optó por elegir entre todas las posibles ubicaciones para los sensores, las descriptas en los puntos siguientes, tratando que se adapte a la configuración de una torre típica, es decir aquella que sería mas frecuente de encontrar en el mercado argentino. Una probable representación esquemática de la ubicación de los sensores es la que se muestra en la Figura 6. Tal vez algunos puntos de localización elegidos no resultan óptimos para otro tipo o configuración de torre, en cuyo caso deberán adecuarse a las particularidades que se planteen, las cuales deberán evaluarse en el momento de implementar el ensayo.

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Entrada de agua

Temperatura de agua Caliente.

Caudal de agua Temperatura Bulbo Seco Temp. Bulbo húmedo.

Presión estática

Ingreso de agua caliente

M

Potencia de Accionamineto del ventilador

Temperatura de Bloow-down

B Ingreso caudal Make-up

Caudal de Bloow-down

Temperatura Make-up Salida de Agua fria Caudal de Make-up

Temperatura de agua fria

Salida caudal Bloow-down

Fig. 6. Esquema de la posición de los sensores montados en la torre. 4. 3.8. Monitoreo de las condiciones de viento y del aire sin perturbar. La localización de los sensores de la central meteorológica, deberá ser en un sitio abierto y que no posea obstrucciones a su alrededor; además debe estar fuera de la influencia del aire de admisión de la torre. Ésta ubicación surgirá de un acuerdo entre las partes que ejecuten el ensayo. De todos modos deberá cumplirse para: - Torres de altura menor o igual a 6,096 m (20 ft).: los sensores se deberán posicionar a una altura de 1,524 m (5 ft.) por encima de la envolvente superior de la torre y a una distancia de entre 15,24 m y 30,48 m (50 y 100 ft.) de la torre (ésta última condición se cumplirá si es posible). - Torres de altura mayor a 6,096 m (20 ft).: los sensores se deberán posicionar a una altura por encima de la envolvente superior de la torre de 1,5 veces la distancia entre dicha envolvente y la descarga; a una distancia de al menos 30,48 m (100 ft.) desde la torre (ésta última condición se cumplirá si es posible). 4. 3.9. Potencia de entrada al ventilador. La medición de la potencia de accionamiento del ventilador, deberá realizarse mediante un VATÍMETRO, midiendo la potencia eléctrica consumida por el/los motor/es que 23/38

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acciona/an el/los ventilador/es. También puede realizarse la medición indirecta, a través de la tensión a la entrada E (Voltios), la intensidad de corriente I (Amperes) y el factor de potencia, calculando entonces la potencia eléctrica activa consumida (no se especifica la precisión de la medición). 4. 3.10. Presión total de entrada. Normalmente es un parámetro que no se determina en los ensayos corrientes destinados sólo a la evaluación de las performances térmicas. De todas maneras cuando sea necesaria su determinación (p. ej. para utilizarla en los cálculos de diseño), deberá colocarse un sensor de presión estática en el conducto de subida de agua a la torre (en cualquier punto de éste conducto) y para la determinación del valor de la Presión Total a la Entrada deberá cumplirse el procedimiento indicado en el Párrafo 4. 3.19. 4. 3.11. Análisis del agua circulante. Una muestra del agua circulante deberá ser tomada durante el ensayo (p.ej: agua de la cuba o pileta). Se analizará si surge alguna disputa en relación a las condiciones de la misma. En éste caso la muestra deberá ser analizada por un laboratorio de ensayos de agua, de reputación reconocida, para determinar si cumple con lo establecido en el párrafo 7.2- F. 4. 3.12. Temperatura del aire de admisión - Bulbo seco y bulbo húmedo. Los sensores de temperatura del aire de admisión deberán encontrarse a una distancia menor a 1,22 m (4 ft.) de la entrada de aire. Deberá ubicarse la cantidad que surja de la aplicación de la siguiente fórmula: N = 0,2 (Aent)0,4 donde: N: Número mínimo de puntos de medición de temperaturas (N estaciones para bulbo seco y N estaciones para bulbo húmedo). Aent: Area de la entrada de aire en ft2

Cada punto de medición (de bulbo seco y húmedo) se ubicará en el centro de un rectángulo imaginario, que se obtendrá tomando el área de la entrada de aire y dividiéndola en tantas partes iguales, como puntos de medición de temperatura se tomen (como mínimo el número dado arriba).

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4. 3.13. Temperaturas de agua. Los sensores deberán estar ubicados en puntos donde se asegure un correcto mezclado del agua. La medición de la temperatura del agua caliente se podrá realizar en distintos puntos, por ejemplo: -

En la entrada del conducto de entrada de agua. En la descarga del conducto de entrada. En los colectores (previos a los rociadores). En los sistemas de distribución. Para torres multiceldas en el suministro principal, justo antes del primer rociador.

Si el suministro es la mezcla de dos o más caudales a diferentes temperaturas, en el punto de medición deberá asegurarse el mezclado completo, o bien realizar el promedio ponderado entre temperaturas y caudales de mezcla. 4. 3.14. Temperatura de agua caliente. La temperatura de agua caliente se tomará a través de un sensor que será colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el cual se colocará en una T, montada en el conducto de subida de agua caliente a la entrada de la torre. La profundidad de inmersión de la vaina en el conducto será de aproximadamente 0,5 del diámetro del mismo. 4. 3.15. Temperatura de agua fría. La temperatura de agua fría se deberá tomar a través de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el cual se colocará en una T, montada en el conducto de salida de agua fría, después de la bomba de circulación de agua (si hubiese), a una distancia de 5 diámetros (desde la bomba) para disminuir las perturbaciones en el flujo. La profundidad de inmersión de la vaina en el conducto será de aproximadamente 0,5 del diámetro del mismo, según lo recomendado por el fabricante del sensor. La temperatura del agua deberá ser corregida por el calor agregado por la bomba, si hubiese, de acuerdo al procedimiento descripto en Ref. 2. Si no está presente la bomba en el circuito de agua fría, el inserto se montará tan próximo a la salida como sea posible. 4. 3.16. Temperatura del agua de Make-up. La temperatura del caudal de agua de Make-up (si no está cerrado) se tomará a través de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el cual se colocará en una T, ubicada en el conducto del agua de Make-up, antes que éste ingrese al sistema y a la menor distancia posible de la entrada, para asegurar que el valor sea lo más representativo del real. La profundidad de inmersión de la vaina en el conducto deberá ser de aproximadamente ½ diámetro del mismo.

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4. 3.17. Temperatura del agua de Bloow-down. La temperatura del caudal de agua de Bloow-down (si no está cerrado) se tomará a través de un sensor colocado en un inserto roscado de 12.7 mm (½ inch), el cual se colocará en una T, ubicada en el conducto del agua de Blow-down, después que este abandone el sistema y a la menor distancia posible de la salida (para asegurar que el valor sea lo más representativo posible del real). La profundidad de inmersión de la vaina en el conducto deberá ser de aproximadamente ½ diámetro del mismo. 4. 3.18. Mediciones de caudal de agua. En el código ATC-105 se establecen diferentes dispositivos mediante los cuales se puede efectuar la medición de los caudales de agua. Para el sistema del presente trabajo se optó por efectuarlas con flujómetros a turbina. 4. 3.18.1. Caudal de agua. La medición del caudal de agua se efectuará a través de un flujómetro a turbina, de 101,6 mm de diámetro (4 inch), que deberá ser instalada en el conducto de subida de agua a la torre. Según las recomendaciones del fabricante del sensor para asegurar una elevada precisión en la medición es necesario mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del sensor, cuyas longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo, respectivamente. Esto tiene un doble efecto, proveer un flujo ordenado al sensor y así evitar la colocación de rectificadores de flujo; por otro lado facilitar una buena circulación con bajas pérdidas de carga. 4. 3.18.2. Flujo de agua de Make-up. El flujo de agua circulante se efectuará a través de un flujómetro a turbina de 19,05 mm de diámetro (¾ inch), que deberá ser instalada en el conducto de entrada de agua a la torre. Para asegurar una adecuada precisión en la medición también se recomienda mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del sensor, cuyas longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo, respectivamente. 4. 3.18.3. Flujo de agua de Bloow-down. La determinación del flujo de agua de Blow-down se efectuara a través de un flujómetro a turbina de 19,05 mm de diámetro (¾ inch), que deberá ser instalada en el conducto de salida de dicho flujo de agua de la torre. Para asegurar una adecuada precisión en la medición se recomienda mantener tramos rectos, aguas arriba y aguas abajo del sensor, cuyas longitudes sean por lo menos 10 y 5 diámetros del tubo, respectivamente.

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4. 3.19. Cálculo de la presión total a la entrada. La presión total a la entrada se calcula siguiendo el procedimiento que se detalla en éste párrafo. Su valor resulta de la suma de tres términos: Pht = SPt + VPt + D La presión total corregida por la diferencia entre el caudal de diseño y el real se calcula mediante la expresión: Pht = [(SPt + VPt)*(Ld/Lt)2]+ D donde: Pht: Presión total en la entrada, valor de ensayo (ft). SPt: Presión estática en la entrada de la torre, valor de ensayo (ft). VPt: Presión dinámica en la entrada de la torre, valor de ensayo (ft). D: Distancia vertical entre la línea central a la entrada de la torre y a la curva de base (ft). Lt : Flujo de agua de diseño (lb/hr). Ld: Flujo de agua de ensayo (lb/hr). El procedimiento para determinar la presión total corregida a valores del caudal de agua de diseño a partir de los valores medidos en el ensayo se puede ver en el Capítulo V de Referencia 1.

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5. SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS 5. 1. Generalidades. El Sistema de Adquisición de Datos (SAD) desarrollado en el proyecto permite procesar, visualizar y registrar las señales que surgen de los sensores instalados en las torres de enfriamiento durante los ensayos para determinar las prestaciones termodinámicas. El SAD puede ser utilizado en instalaciones de laboratorio o en los lugares de operación de las torres, ya que sólo requiere una plataforma tipo PC 486, IBM compatible y bajo Windows. El código de computación que controla el SAD fue desarrollado en VC++, lenguaje de programación orientado a objetos y trabaja en un entorno Windows. La función del software es configurar el hardware del SAD, recibir las señales generadas por los sensores de los parámetros que se desean registrar, regular el proceso de medición, convertir y corregir las señales enviadas por los sensores, para luego grabarlos en archivos específicos para cada ensayo. El proceso de adquisición de datos, en función del tiempo, se puede realizar sin ninguna clase de control o bien satisfaciendo los requisitos de los ensayos de torres de enfriamiento establecidos en el Código ATC-105 del CTI.

Fig. 7. Sistema de adquisición de datos.

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5. 2. Descripción. El SAD esta integrado por un conjunto de módulos de adquisición de datos, los cuales están conectados a los respectivos sensores para obtener los parámetros a medir. Esto módulos toman la señal analógica y la convierten en digital para trasmitirla a la PC , a través de un conversor RS 485 - RS 232. EL control de la secuencia para la adquisición, procesamiento y registro de datos se realiza mediante el código de cómputos automáticos desarrollado específicamente para este sistema. El software visualiza simultáneamente en pantalla los valores instantáneos de los parámetros medidos y los promedios correspondientes al tiempo de ensayo transcurrido. Los requisitos de norma en lo que respecta a la variación de los parámetros que caracterizan el funcionamiento son controlados durante el tiempo que dura el ensayo y señales de alarma notifican si se activa alguna de ellas. Una descripción detallada del SAD se puede ver en Referencia 7. La interfase usuario nos muestra en su pantalla principal, Figura 8, el valor instantáneo de las principales variables que se están midiendo, en forma analógica y digital, los botones de ejecución de las opciones: sólo adquisición y ensayo bajo norma, el número de alarmas que hubo hasta ese momento del ensayo y el tiempo transcurrido desde que comenzó la ejecución. La barra del menú desplegable presenta: Salir

: Salida del programa.

Conexión

: Conecta las opciones de ejecución del SAD.

Ver. : Habilita una pantalla en la cual se muestra los valores instantáneos de las variables que se están midiendo en todos los sensores habilitados y también, para cada uno de ellos, el valor promedio correspondiente al tiempo de ensayo transcurrido. Param.Dis. : Permite introducir los valores de diseño de la torre a ensayar, valores que se utilizan para calcular el tiempo al cual se debe comenzar la adquisición de datos ( inercia térmica ) y también para controlar y registrar si durante el ensayo se sale fuera de las condiciones impuesta por norma. Configurar : Establece el puerto de comunicación y configura los módulos de adquisición de: temperatura, caudal de agua, potencia y parámetros del aire ambiente, habilitando los módulos respectivos y estableciendo la función de corrección para cada uno de los sensores utilizados.

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5. 3. Sensor de caudal de agua. El caudalímetro seleccionado para medir el caudal de agua es del tipo a rotor, Marca TECMEC, modelo TS410 y tiene un amplio rango de operación; la velocidad angular del rotor

Fig. 8: Pantalla principal. genera una f.e.m. cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del agua en el interior del caño de 1,25 pulgadas de diámetro, en el cual se instaló el sensor. El indicador electrónico Marca TECMEC, modelo C2, recibe la señal del sensor y la convierte en una visualización digital que permite tener un control directo del caudal de agua In Situ y además, mediante un circuito conversor frecuencia-corriente desarrollado y construido para tal fin, envía la señal analógica al modulo Adams 4017.

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6. EVALUACION EXPERIMENTAL DE TORRES DE ENFRIAMIENTO 6. 1. Generalidades. Las torres de enfriamiento pueden ser de diversos tamaños, las hay de gran porte, lo cual implica que se mueven grandes volúmenes de aire para enfriar grandes cantidades de agua, entre ellas puede mencionarse las que se utilizan en las centrales de generación eléctrica y cuyas dimensiones en planta cubren áreas importantes, por ejemplo 500 m2. También existen torres de dimensiones mucho más pequeñas, que se utilizan en sistemas de aire acondicionado, para viviendas familiares, con áreas hasta 1000 veces menores. Los problemas que se plantean para la ejecución de los ensayos de performances térmicas en torres de dimensiones tan variadas son distintos a pesar de que la metodología a utilizar debe ser la misma. La instrumentación requerida para realizar las mediciones de algunos parámetros es diferente como también lo es la factibilidad de acceso a los lugares de medición. A partir de la colaboración prestada por la Empresa Provincial de Energía Eléctrica de Córdoba y la Firma del mercado, se tuvo oportunidad de realizar ensayos para la determinación de la curva de operación de una torre de enfriamiento de gran porte utilizada en una Central de Generación Eléctrica 2 y la de una torre de dimensiones reducidas. Estos ensayos se realizaron con el objeto de adquirir experiencia en el manejo de la técnica de medición y metodología de ensayo en torres de dimensiones tan diferentes. La determinación de la curva de operación de la torre de enfriamiento se realiza a partir de la evaluación experimental del número de unidades de difusión ( η d ) para distintas relaciones de caudal másico de agua respecto al de aire, lo que lleva a la necesidad de ejecutar varios ensayos con diferentes caudales de agua, mientras el de aire permanece constante. 6. 2. Torre de enfriamiento de gran porte. Para evaluar las performances térmicas de la torre de enfriamiento de la Central Térmica "Dean Funes" (Figura 9) y calcular el número de unidades de difusión, fue necesario medir "in situ" y durante las horas de funcionamiento los siguientes parámetros : -

Caudal de agua y su temperatura de entrada y salida en cada una de las celdas.

-

Caudal de aire, sus temperaturas de bulbo seco y húmedo a la entrada y salida en cada una de las celdas.

2 Referencia Trabajo Final 3.

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-

Condiciones atmosféricas, presión, temperatura de bulbo seco y húmedo e intensidad y dirección del viento.

Fig.9. Torre de enfriamiento de agua de la ventral térmica “Dean Funes”. Como consecuencia de las grandes masas de aire y agua que circulan por el equipo y el gran tamaño de este se presentaron dificultades muy particulares a la hora de decidir la instrumentación y metodología de medición del caudal de agua y de aire. En ambos casos se decidió realizar un relevamiento de velocidades en los conductos respectivos para obtener los caudales mediante la integración de las velocidades en las respectivas secciones de pasaje. La medición simultanea de velocidades, para obtener los caudales de agua y aire no se pudo hacer, en razón del tiempo que demandaban las mediciones de las velocidades del aire, por ello se decidió determinar en primer lugar el caudal de aire efectuando una serie de ensayos en una celda. Un peine de sondas totales fue utilizado para determinar del perfil de velocidades en cada uno de los ensayos, obteniéndose luego el promedio del caudal de aire volumétrico, para utilizar este valor como constante en todos los ensayos posteriores. El caudal y velocidad promedio resultaron ser: Vm = 7.975 m/s y g = 400.9 m3/s Una vez obtenido el caudal de aire volumétrico se realizó otra serie de ensayos con distintos caudales de agua para obtener, en cada caso, el número de unidades de difusión que nos permitirá determinar las performances térmicas de la torre ensayada. Atendiendo a condiciones operativas de la Central y posibilidades de ejecución se realizaron los siguientes 32/38

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ensayos, variando el numero de celdas operativas y de bombas de agua en funcionamiento, para lograr la relación de caudales másicos adecuada: a) 2 Bombas - 3 Celdas b) 2 Bombas - 2 Celdas c) 1 Bomba - 3 Celdas En cada ensayo se determinó el caudal de agua relevando la distribución de velocidades en el conducto de entrada del agua a las celdas, utilizando una sonda Pitot. La temperatura de bulbo húmedo del aire al ingreso y salida de la torre se obtuvo a partir de los resultados de la medición de la temperatura de bulbo seco y humedad relativa. Se determinaron 3 puntos de funcionamiento y utilizando la técnica de la regresión lineal, en el plano logarítmico, se obtuvo la curva de funcionamiento de la torre que responde a una ecuación del tipo:

w  η d = C ×  L   wg 

−n

encontrándose para los coeficientes C y n los siguientes valores: C = 0.4105 y n = - 0.7337 con lo que la curva de funcionamiento resulta:

w  ηd = 0.4105 ×  L   wg 

−0.7337

En la Figura 10 se muestran los puntos obtenidos y la curva representativa del funcionamiento de la torre. Asimismo se representan en el gráfico las curvas que dan el número de unidades de difusión necesarios, en función de la relación de caudales másicos, para satisfacer las condiciones operativas de cada ensayo. Luego de efectuar el procesamiento de datos de cada ensayo se procedió a verificar por medio del balance entálpico (utilizando los parámetros medidos y promediados) los caudales másicos de aire, los cuales fueron determinados a partir del caudal volumétrico promedio medido y adoptado como constante para todos los ensayos. Los resultados obtenidos de estos cálculos mostraron una buena correspondencia entre los caudales másicos de aire calculados mediante el balance entálpico y los caudales másicos obtenidos a partir del caudal de aire volumétrico medido y adoptado como constante en este trabajo. 33/38

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Para explicitar el comportamiento de la torre se trazaron las curvas de temperatura de agua fría vs. temperatura de bulbo húmedo para dos relaciones de caudales másicos ( WL/Wg = 0.9 y 1 ) y tres saltos térmicos ( ∆T = 3, 6 y 9 C ), estas curvas se muestran en la Figura 11. 1

K.a.v/wL

Ensayo 3

Ensayo 1

Ensayo 2

Curva de funcionamiento

0,1 0,1

1

10

wL/wg

Fig. 10: Curva de funcionamiento – Torre de la central térmica Dean Funes.

35

Delta T = 9ºC 30

Tcw [ ºC ]

Delta T = 6ºC

25

-------- -- --

Delta T = 3ºC

wL/wg = 0.9 wL/wg = 1.0

20

15 4

9

14

19

24

T w b [ ºC ]

Fig. 11: Performance de la torre de la central Térmica “Deán Funes”.

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6. 3. Torre de enfriamiento de pequeño porte. La evaluación experimental de la torre de una firma del mercado local (Figura 12), se realizó en las instalaciones del Laboratorio del Departamento de Máquinas de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - U.N.C., sitio en el cual se disponía de la fuente de calor necesaria para la operación de la torre. La fuente de agua caliente durante los ensayos fue un tanque de agua con una capacidad de 1.5 m3, el cual fue utilizado para almacenar el agua que era calentada mediante un motor alternativo de 70 HP. Durante los ensayos se traspasaba el agua del tanque a una cisterna de 1 m3 a través de la torre. Esta situación sumada a la condición de local cerrado del laboratorio no permitía tiempos de ejecución de los ensayos prolongados por lo que fue necesario determinar el caudal volumétrico de aire en forma previa a la ejecución de los ensayos de performance térmica y utilizar este valor como constante para todos los ensayos posteriores. El caudal de aire se determinó integrando las velocidades locales del flujo a la salida de la torre. El caudal y velocidad promedio obtenidos son los siguientes: Vm = 2.67 m/s y g = 1.308 M3/s

Fig.12. Torre de enfriamiento de pequeño porte.

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Luego de obtener el caudal de aire se realizó otra serie de ensayos con distintos caudales de agua para obtener, en cada caso, el número de unidades de difusión que nos permitiera determinar la curva de funcionamiento de la torre ensayada. Las relaciones de caudales másicos adoptada para la realización de los ensayos, teniendo en cuenta el tiempo de operación y la capacidad del equipo instalado fueron las siguientes: WL / Wg: 0.75, 1.0, 1.25 y 1,5 La determinación del caudal se agua se realizó mediante un Tubo Venturi, midiendo la diferencia de presiones entre sus tomas de presión estática. Luego de la puesta en funcionamiento de la torre y a partir de la entrada en régimen de la misma, para una determinada relación de caudales másicos de agua-aire, se midió: - Temperatura, humedad y presión atmosférica en el flujo de aire de ingreso. - Temperaturas de entrada y salida de agua. - Diferencia de presiones estáticas en el tubo Venturi. Los valores leídos de temperatura y humedad relativa se corrigieron de acuerdo con los valores obtenidos a partir de la calibración de los instrumentos respectivos Para evaluar la torre se tomo el valor de los parámetros una vez que en el ensayo se alcanzó el régimen estacionario de funcionamiento. Con los resultados de los ensayos se calculó el número de unidades de difusión para cada uno de ellos y a partir de los puntos de funcionamiento determinados, utilizando la técnica de regresión lineal en el plano logarítmico, se obtuvo la curva de funcionamiento de la torre. En la figura 13 se muestran los puntos obtenidos y se representó la curva de funcionamiento de la torre obtenida. Dicha curva presenta una variación media standard del 8 %.

ηd

w L/w g

Fig. 13. Curva de operación de la torre de pequeño porte.

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Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

BIBLIOGRAFIA

1. "Cooling Tower Manual", Cooling Tower Institute. 1994 2. "Acceptance Test Code for Water-Cooling Tower", Cooling Tower Institute, CTI Code ATC105; Revised February 1990. 3. "Heat and Mass Transfer", Eckert, E.R.G.; McGraw-Hill Book Company, Inc., 1959. 4. "Determination of the turbulent Lewis Number from experimental data for Wet Cooling Tower Fill", Benton, D.J., CTI TP90-07, Cooling Tower Institute, 1990. 5. "Influence of the Fill Type and Flow orientation on the Lewis Number", Benton, D.J., CTI TP93-08, Cooling Tower Institute, 1993. 6. "Review of Cooling Tower Calculations", Glover, W., CTI TP78-06, Cooling Tower Institute, 1978. 7. "Film fill recent research and aplication data", Micsky, G.R. y Monjoie, M.; CTI-TP 90-11. 1990. 8. Trans. Am. Inst. Chem. Engrs; Pag 1, 184-202; Grosvenor, W.M.. 1908. 9. Chem. Eng. Progr., pag. 45, 739-745; Mickley, H.S.. 1949. 10. "Comparative evaluation of counterflow cooling tower fills", Fulkerson, R.D.; CTI-TP 8805. 1988. 11. "CTI Water Cooling Tower Thermal Performance - Testing Procedures and Instrumentation", Doll, C.K. y Midwest Research Institute; CTI-TP 77-12, 1977. 12. “The flow and level handbook – Vol 28”, OMEGA Technologics Compasny, USA, 1994. 13. “The Pressure and Force Handbook – Vol 28”, OMEGA Technologics Compasny, USA, 1994. 14. :The Temperature Handbook – Vol 28”, OMEGA Technologics Compasny, USA, 1994.

Trabajos Finales: T.F.1) "Determinación de performances de torres de enfriamiento"; Ferrara, N.H.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Octubre 1995. 37/38

Torres para enfriamiento de agua – Resumen completo

T.F.2) "Ensayos de torres para enfriamiento de agua de tiro mecánico"; Olmos, D.E.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Diciembre 1995. T.F.3) "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 Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Febrero 1996. T.F.4) "Proyecto de un equipo experimental para la determinación de las performances térmicas de rellenos de torres para enfriamiento de agua"; Pavoni, H.D.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingeniería Mecánica Aeronáutica, Marzo 1996. T.F.5) "Determinación experimental de las performances térmicas de una torre de enfriamiento"; Pavón, H., D.; Univ. Nac. de Córdoba - Escuela de Ingenieria Mecánica Aeronáutica, Abril 1996.

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