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CENTRALES TÉRMICAS. CIRCUITO DE AGUA DE CIRCULACIÓN ISMAEL PRIETO

CIRCUITO DE AGUA DE CIRCULACIÓN

TORRES DE REFRIGERACIÓN

Ismael Prieto


INDICE-1

ÍNDICE DE MATERIAS

CIRCUITO DE AGUA DE CIRCULACIÓN. TORRES DE REFRIGERACIÓN

1. INTRODUCCIÓN. FUNDAMENTOS TEÓRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. AIRE Y PSICRORNETRÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

3. EL DIAGRAMA PSICROMÉTRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. ECUACIONES CARACTERÍSTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6. TIPOS DE TORRES DE REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

7. TORRES ATMOSFÉRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

8. TORRES DE TIRO NATURAL ASISTIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

9. TORRES DE TIRO FORZADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

10. SISTEMAS VINCULADOS A LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA . . . . . . . . . 2010.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DEL AGUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2010.2. RELLENO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2210.3. DEFLECTORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2410.4. ELIMINADORES DE GOTAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2410.5. CHIMENEAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2510.6. VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2510.7. EJEMPLOS DE PRUEBAS DE RENDIMIENTO DE LAS TORRES DE

REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


1

Figura 1: Sistema de refrigeración abierto

CIRCUITO DE AGUA DE CIRCULACIÓN. TORRES DE REFRIGERACIÓN

1. INTRODUCCIÓN. FUNDAMENTOS TEÓRICOSTanto en las centrales termoeléctricas como en muchos sistemas de aire acondicionado y procesos

industriales, se genera calor que es preciso extraer y disipar. Generalmente se usa agua como elementorefrigerante.

Si se puede disponer de agua en cantidad suficiente y a la temperatura adecuada, sin problemaseconómicos o ecológicos, basta verter el agua utilizada y tomar continuamente agua nueva, de un río, lagoo mar, utilizando un sistema abierto como el mostrado en la figura 1. Si por el contrario la soluciónanterior no es posible o resulta antieconómica, el procedimiento más extendido consiste en emplear unatorre de refrigeración que permite, evaporando una pequeña cantidad del agua de refrigeración, transmitirel calor al aire de tal forma que el agua puede emplearse de nuevo para refrigerar, aportando al circuitotan sólo la parte perdida por evaporación. Así, una torre de refrigeración es una instalación para elenfriamiento del agua por contacto con el aire atmosférico (figura.2).

2. AIRE Y PSICRORNETRÍAEl aire atmosférico: es una mezcla de numerosos componentes gaseosos, vapor de agua y

contaminantes (humo, polen, etc).El aire seco: Si se retiran del aire atmosférico todos los contaminantes y el vapor de agua, se tiene

el denominado aire seco que tiene una composición prácticamente constante hasta una altura de unos 150km.

Aire húmedo: El aire húmedo se define como una mezcla binaria (de dos componentes), aire secoy vapor de agua; es una simplificación teórica del aire atmosférico.

Aire saturado: La cantidad de vapor de agua en el aire húmedo puede variar desde cero (aire seco)hasta una cantidad máxima que depende de la temperatura y de la presión. Cuando el aire húmedocontiene la máxima cantidad de vapor de agua admisible (cualquier exceso se condensaílainstantáneamente), se dice que el aire está saturado.

Psicrometría: Es la ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo.


2

Figura 2: Sistema de refrigeración en circuito cerrado

p'pv%pa

Temperatura de bulbo seco: Es la temperatura medida por un termómetro normal.Temperatura de bulbo húmedo: Es la medida por un termómetro denominado de bulbo húmedo,

que tiene el bulbo recubierto por una tela empapada de agua. Haciendo pasar sobre el bulbo una corrientede aire a velocidad suficientemente elevada (3-5 m/s), se produce, si el aire no está saturado, un descensode temperatura respecto a la indicada por un termómetro normal debido a la evaporación del agua quebaña la tela. Pasado un cierto tiempo, la temperatura medida permanece constante y puede tomarse como

tal. Esta temperatura de bulbo húmedo no es sino una aproximación aceptable de una propiedadtermodinámica del aire denominada temperatura termodinámica de bulbo húmedo o de saturaciónadiabática, que no puede ser medida directamente. Este concepto es el que aparece en los diagramas yecuaciones psicrométricos; que se estudiarán a continuación ya que la temperatura de bulbo húmedo estáinfluenciada por transferencias de calor y masa y, por tanto, no es sólo función del estado del aire.

Temperatura de rocío: Si, a presión constante, enfriamos un determinado aire húmedo,llegaremos a una temperatura a la que el aire estará saturado; dicha temperatura se denomina temperaturade rocío o punto de rocío.

Presión parcial: En una mezcla de gases, se denomina presión parcial de un componente a lapresión que ejercería ese componente si ocupase él sólo todo el volumen que ocupa la mezcla. Para el airese tiene:

(1)

donde p es la presión atmosférica, pv, es la presión parcial del vapor de agua y pa es la presión parcial delaire seco.

Humedad especifica o contenido de humedad: Es la relación entre la masa de vapor de agua, mv, y la masa de aire seco, ma , en el aire atmosférico.


3

W'mv

ma

φ'pv

pvsSuele darse en tanto por ciento:

φ (%)'100pv

pvs

µ' WWs

.pv

pvs

v' Vma

(m 3/kg)

H'ma ha%mv hv

h' Hma

'ma ha%mv hv

ma

'ha%Whv

R'ma ha

H

(2)

Humedad relativa: Considerando gases perfectos, la humedad relativa del aire viene dada por larelación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire considerado y la presión parcial del vaporde agua en el aire saturado a la misma presión y temperatura.

(3)

Este valorcoincide prácticamente con el del grado de saturación, µ, que es la relación entre la humedad especificadel aire considerado y la humedad de saturación de dicho aire a la misma presión y temperatura.

(4)

Volumen específico: Es el volumen de aire húmedo por unidad de masa del aire seco.

(5)

Entalpía: La entalpía del aire húmedo, H, es una función de estado que representatermodinámicamente su contenido energético. Es la suma de las entalpías de sus dos componentes (aireseco y vapor de agua) denominados respectivamente:

(6)

siendo ha, la entalpía específica del aire seco y hv , la entalpía específica del vapor de agua.La entalpía específica del aire húmedo se obtiene refiriendo su entalpía a la masa del aire seco

ma :

(7)

Factor térmico o factor de calor sensible: Es la relación entre el calor sensible y el calor total.

(8)


4

Figura 3: Representación de las distintas variables para el aire correspondiente a un punto del diagramade Carrier

3. EL DIAGRAMA PSICROMÉTRICOLa resolución de cualquier problema relacionado con el aire húmedo puede llevarse a cabo a

través de las ecuaciones que relacionan todas sus propiedades termodinámicas. Sin embargo, resultamucho más cómodo trabajar sobre unas representaciones gráficas de dichas ecuaciones, denominadasdiagramas psicrométricos. Dichos diagramas no sólo permiten leer gráficamente las distintas propiedadesde un aire húmedo determinado sino que ofrecen además la posibilidad de resolver gráficamenteproblemas y representar diversas transformaciones.

El estado termodinámico de un aire húmedo queda determinado si conocemos dos propiedadesindependientes y la presión. La elección de las coordenadas para construir un diagrama psicrométrico esarbitraria. R. Mollier confeccionó en 1923 un diagrama en el que adoptaba como coordenadas la entalpíay la humedad especifica (diagrama de Mollier).

Aquí utilizaremos el diagrama psicrométrico Carrier. En este diagrama, los dos ejes coordenadas,el de temperatura de bulbo seco y el de humedades específicas, forman un ángulo de 90 ºC. El origen deentalpías se toma para una temperatura de 0 ºC y 0 % de humedad relativa. Está referido a 1 kg de aireseco y hay varios gráficos para diferentes presiones.

La representación de la figura 3 permite apreciar la relación entre la representación de un estadocualquiera del aire húmedo (punto A) y las diversas magnitudes contenidas en el diagrama.

En este caso, la escala æ no da el factor térmico de un estado determinado, sino queuniendo los diferentes valores de esta escala con su polo, situado en el punto representativo deun aire húmedo a 24 ºC y 50 % de H.R., se obtienen las diferentes pendientes de lastransformaciones de un determinado factor de calor sensible.

La desviación ë permite hallar la entalpía de cualquier estado a partir de lacorrespondiente al estado de saturación a su temperatura de bulbo húmedo.


5

Manejo del diagrama Carrier (según figura 4)Supongamos que un aire a una temperatura de bulbo seco de 25 ºC y con una humedad

relativa del 40 %, absorbe calor sensible y calor latente con un factor térmico R = 0,75, hastaalcanzar una humedad relativa del 30 %. Calcular el resto de las magnitudes características delnuevo estado:Paso 1: Por t = 25 ºC en la escala de temperaturas del bulbo seco se traza una vertical.Paso 2: El punto A (estado inicial) se encuentra en la intersección de la vertical anterior con

la curva correspondiente a una humedad relativa del 40 %.Paso 3: Se obtiene la pendiente de la transformación uniendo el valor 0,75 en la escala de

factor térmico con su polo.Paso 4: Se traza por el punto A una paralela a la pendiente de la transformación.Paso 5: El punto B (nuevo estado) se encuentra en la intersección de la recta anterior con la

curva correspondiente a una humedad relativa del 30 %.Paso 6: Se traza una vertical por el punto B que nos da, en la escala de temperaturas,

temperatura seca = 32 ºC.Paso 7: Se traza por el punto B una paralela a las líneas isoentálpicas (h = cte).Paso 8: Por la intersección de la recta anterior con la línea de saturación se traza una vertical

que da, en la escala de temperaturas: temperatura húmeda = 19.4 ºC.Paso 9: Se traza una horizontal por el punto B.Paso 10: Por el punto de intersección de la horizontal anterior con la línea de saturación se

traza una vertical que da, en la escala de temperaturas: temperatura de rocío 12 ºC.Paso 11: Se traza por el punto B una horizontal que en la escala de la humedad especifica, da

x = 8,8 (gr vapor de agua)/(kg aire seco).Paso 12: Se traza por el punto B una paralela a las isoentálpicas que nos da, en la escala de

entalpías, h = 55,5 (kcal)/(kg aire seco), para el aire saturado a la temperatura húmedade 19,4 ºC.

Paso 13: El punto B se encuentra situado entre las curvas de desviación d = - 0,4 y d = - 0,6.lnterpolando entre ambos valores gráficamente se obtiene para el punto B, d = - 0,43.Por lo tanto la entalpía del punto B es: h = 55,5 - 0,43 = 55,07 (kcal)/(kg aire seco).

Paso 14: El punto B se encuentra situado entre las rectas correspondientes a los volúmenesespecíficos v = 0,85 y v = 0,90. lnterpolando gráficamente se obtiene para el punto B unvolumen específico v = 0,875 (m3)/(kg aire seco).


6

Figura 4: Diagrama psicrométrico de Carrier


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Figura 5: Flujos principales de una torre de refrigeración

4. PRINCIPIOS DE OPERACIÓNEl enfriamiento sufrido por el agua en una torre de refrigeración se basa en la transmisión

combinada de masa y calor al aire que circula por el interior de la torre.El agua entra siempre por la parte superior y es distribuida de tal forma que establezca

el mejor contacto posible con el aire atmosférica que asciende procedente de la parte inferior dela torre. Para lograr este efecto el agua se reparte uniformemente, con ayuda generalmente deunos pulverizadores; sobre un relleno que aumenta el tiempo y la superficie de contacto entreambos fluidos (figura 5).

En condiciones normales de funcionamiento, este contacto conduce a una evaporaciónde parte del agua. Como el agua debe absorber calor para pasar de liquido a vapor a presiónconstante, este calor se toma del líquido restante. De esta manera, el calor de vaporación del aguaa la presión atmosférica se transfiere del agua de refrigeración al aire atmosférico (calor latente).

El resto del calor transmitido se debe a la diferencia de temperatura entre los dos fluidos(calor sensible). El calor latente supone frecuentemente más del 90 % del calor total transmitido.


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Figura 6: Diagrama de temperaturas

La figura 6 es el diagrama de temperaturas de una torre de refrigeración encontracorriente. La temperatura del aire es la de bulbo húmedo, que es la más importante de caraal funcionamiento de la torre.

El acercamiento se define como la diferencia de temperatura del agua fría que sale de latorre y la húmeda de entrada del aire (TAGS - THAIE). Es una función de la capacidad de la torre.Para una temperatura del agua fría predeterminada, si cambiamos simplemente en un grado latemperatura húmeda, puede suponer una diferencia importante en el tamaño de la torre.Normalmente se utiliza un acercamiento del orden de 7 ºC, llagándose a un mínimo de unos 3ºC.

La cantidad de calor transmitida del agua al aire es proporcional a la diferencia deentalpía entre las condiciones de entrada y salida del aire. Examinada la evolución del aire alatravesar la torre en un diagrama psicrométrico (figura 7), puede apreciarse que, como las líneasde entalpia constante, coinciden prácticamente con las líneas de temperatura de bulbo húmedoconstante, el cambio en la temperatura húmeda basta para determinar de una forma aproximadael incremento de entalpía.

En el diagrama psicrométrico pueden representarse así mismo las componentescorrespondientes al calor latente y al calor sensible transmitidos; el calor sensible transmitidoes proporcional a la diferencia de temperaturas y el calor latente es proporcional a la cantidadde agua evaporada. Se puede apreciar fácilmente que para una misma cantidad de calor totaltransmitido (evoluciones A-B y C-B), la cantidad de agua evaporada (calor latente) puede sermuy variable. En la evolución A-B, tanto el calor sensible como el latente pasan del agua al aire(el aire se calienta), mientras que en la C-B el calor sensible va del aire al agua ( el aire seenfría), de tal forma que el calor total transmitido se mantiene constante gracias a un incrementoimportante de la cantidad de agua evaporada.

En el análisis del consumo de agua en una torre de refrigeración es muy importante larelación entre el calor latente y el calor sensible transmitidos. La evaporación del agua está


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Figura 7: El proceso de la torre en un diagrama psicrométrico

L·c (t1& t2)'G (h2&h1)

Ldt'Gdh

relacionada tan sólo con el calor latente total transmitido, y es proporcional al cambio de lahumedad especifica. Como la temperatura seca del aire a la entrada afecta a la relación de caloreslatente y sensible, afecta también a la tasa de evaporación. La tasa de evaporación en lascondiciones de diseño típicas es, aproximadamente, de un 1 % del caudal de agua por cada 7 ºCde salto térmico. La media anual es inferior debido a que la fracción sensible aumenta aldisminuir la temperatura de entrada del aire.

Además de las pérdidas por evaporación es preciso tener en cuenta las debidas al arrastrede gotas por el aire saliente y a las purgas necesarias para mantener el nivel de sales disueltasen el agua, aceptable.

5. ECUACIONES CARACTERÍSTICASLa energía cedida por el agua, en el proceso de transferencia de calor y masa que tiene

lugar en la torre de refrigeración, es igual a la ganada por el aire, de tal forma que:

(9)

donde:L = caudal másico de agua (kg/h).t1, t2 = temperatura de entrada y salida del agua de la torre (ºC).G = caudal másico de aire (kg/h).h1, h2 = entalpía del aire a la entrada y a la salida (kJ/kg ó kcal/kg).c = calor específico del agua a presión constante (kJ/(kg·K) ó 1 kcal/(kg·K)).Se admite igual a la unidad cuando se expresa en kcal/(kg·K) y suele suprimiese de lasecuaciones.Para dos puntos de la torre separados por una distancia diferencial, la ecuación anterior

se expresa de la siguiente forma (prescindiendo del calor específico):


10

V

0

KadVL

'

t1

t2

dt(hw&ha)

V

0

KadVG

'

h2

h1

dh(hw&ha)

KaVL

'

t1

t2

dt(hw&ha)

KaVG

'

h2

h1

dh(hw&ha)

Gdh'Ldt'KadV(hw&ha)

Ldt'KadV(hw&ha)Gdh'KadV(hw&ha)

(10)

En el interior de la torre existe un cierto volumen efectivo de enfriamiento V, en el cualse verifica el enfriamiento y que se compone no sólo del relleno propiamente dicho, sino detodos los espacios por los que el agua cae libremente en contacto con el aire; este volumen (V)define a su vez una superficie total de intercambio de calor, a la que se denomina superficie detransferencia (aV), siendo a la superficie específica de dicho volumen. La superficie específicano será igual a la del relleno, pero será mayor cuanto mayor sea ésta.

Si consideramos lo que ocurre en la torre como un proceso superficial (aunque no lo seaexactamente) en el elemento diferencial de superficie, ds = a·dV, hay un contacto entre agua yaire en equilibrio térmico, y manteniendo ese equilibrio, el aire pasa desde el estado en el quealcanza la superficie al estado de saturación. Por lo tanto la entalpía ganada por el aire en elelemento de superficie ds, será proporcional a la diferencia de entalpías entre la de saturacióny la del equilibrio térmico con la que alcanza la superficie, es decir:

(11)

donde: K = es un parámetro numérico común al agua y a la película interfase. ha = es la entalpía del aire en las condiciones en que alcanza la interfase. hw = es la entalpía del aire si estuviera saturado en la interfase.

En los sistemas de flujo en contracorriente la expresión anterior es la identidadfundamental del proceso y comprende dos ecuaciones independientes:

(12)

de las cuales pueden obtenerse por integración las siguientes expresiones:

(13)

o bien:.

(14)


11

Figura 8: Diagrama entálpico

G·(h1&hx)'L·(tx& t2)

La integral de la primera de las ecuaciones (14) es directamente proporcional al saltotérmico (t1 - t2) e inversamente proporcional al área ABCD (figura 8), ya que ésta es igual a laintegral de (hw - ha)dt. El área ABCD depende del acercamiento (t2 - t3), del salto térmico (t1 - t2)y de la relación agua-aire (L/G). Los valores altos de la primera de las ecuaciones (14) implican,para un caudal másico de agua L determinado, mayores valores de KaV y, por tanto, una torrede más capacidad de enfriamiento.

La primera de las ecuaciones (14) se denomina, característica termodinámica y lasegunda integral o ecuación de Merkel.

En la figura 8 están representadas gráficamente las ecuaciones que definenfundamentalmente el proceso. En abscisas se llevan las temperaturas del agua, desde la entrada,t1 , a la salida, t2 . En cada punto superficie activa de la torre habrá agua a una temperatura tX yaire en equilibrio térmico con una determinada entalpía. La temperatura del agua y la entalpíadel aire en el punto de equilibrio están ligadas por la relación

(15 a)

siendo:h1 = Entalpía del aire a la entrada de la torre.hx = Entalpía del aire en el punto considerado.tx = Temperatura del agua en el punto considerado.t2 = Temperatura del agua a la salida de la torre.

Se lleva en abscisas la temperatura del agua y en ordenadas la entalpía del aire en ese


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dhdt' tgα' L

G

Figura 9: Curva característica de la torre

mismo punto relacionadas por la ecuación anterior. Si se consideran constantes en todo elrecorrido de la torre los caudales de agua y aire, L y G, la relación entre las variaciones deentalpía del aire y de temperatura del agua es una recta cuya pendiente será:

(15 b)

En la vertical correspondiente a la temperatura del agua se lleva la entalpía del aire quecorresponde a la ecuación (15 a) (linea recta CD) y también la entalpía que tendría si estuvierasaturado a la misma temperatura (linea AB). Esto para la entrada de aire a la torre da los puntosC y A y para la salida del aire de la torre da los puntos D y B. La linea CD. La recta CD es lade funcionamiento de la torre. La inclinación de la recta que representa el funcionamiento de latorre, como se ha visto reiteradamente, es función de la relación másica agua/aire empleada. Lalinea AB como está formada por las entalpías de saturación es la linea de saturación en unascoordenadas h, t (en el diagrama psicrométrico de Carrier o Ashrae está en unas coordenadas x,t). Procediendo de la misma manera que haríamos en un diagrama psicrométrico, si por el puntoC, representativo de las propiedades del aire a la entrada, trazamos una isentálpica, ésta cortaríaa la línea de saturación en un punto que se puede considerar representativo de la temperaturahúmeda del aire de entrada (t3 = th).

Teniendo en cuenta lo anterior, según la ecuación (15) cuando aumenta la relación, L/G


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KaVL

'

t1

t2

dt(hw&ha)

Figura 10. Torre de flujo cruzado

(pendiente de la recta) también aumenta la variación de h con relación a la de t, lo que quieredecir que disminuye el salto térmico con relación al salto entálpico, el agua seráproporcionalmente menos refrigerada, lo que es indicio de peor funcionamiento de la torre.Observando además que la pendiente de la línea de saturación disminuye cuando bajatemperatura, se deduce que hay un problema de refrigeración si, permaneciendo constantes lasdemás variables:

- La temperatura húmeda th es más baja.- El acercamiento empeora.- El salto térmico (t1 - t2) aumenta.- La relación agua-aire L/G aumenta.

Cuando se produce cualquiera de estas circunstancias, aumenta la pendiente de la recta.

Curva característicaPor un lado se tiene la característica de la torre, KaV/L, en función de la relación

agua/aire L/G, que se determina de forma experimental y no depende en absoluto del problematermodinámico a resolver.

Por otro lado se tiene la determinación calculada de

(16)

también en función de L/G para valores constantes de th , t1 - t2 y t2 - th y depende exclusivamentedel problema termodinámico. Su valor aumenta al aumentar L/G.

El punto de diseño de la torre es el punto de intersección de las dos características(figura. 9).


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Figura 11: Torre de flujo en contracorriente

6. TIPOS DE TORRES DE REFRIGERACIÓNLos métodos de exponer el agua a la corriente de aire son numerosos, teniendo cada uno

de ellos ventajas específicas, que deben de ser consideradas de acuerdo con la misión y elrendimiento requeridos en cada caso.

Una primera clasificación puede hacerse atendiendo a la forma en que el agua esdistribuida con objeto de lograr un buen contacto con el aire ascendente. Existen dos métodosbásicos, uno de ellos consiste en extender el agua en finas películas sobre superficies (rellenolaminar) o producir división en gotas por choques del agua en su caída (relleno de goteo).

Una segunda clasificación es la que se basa en el flujo relativo de las corrientes de aguay aire. De acuerdo con este criterio se tiene:

- Torres con flujo cruzado (figura 10).- Torres con flujo en contracorriente (figura 11).


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Figura 12: Torre sin relleno

Mediante el flujo a contracorriente el agua más fría se pone en contacto con el aire másseco lográndose la máxima eficiencia.

Los elementos mecánicos y el sistema de distribución tienen un acceso más fácil en lastorres con flujo cruzado.

Las torres de flujo cruzado requieren más espacio, pero la entrada de aire puede abarcartoda la altura de la torre, la cual es por tanto de poca altura, reduciendo la altura de bombeo.

En las torres de flujo a contracorriente existe menos riesgo de que se produzcarecirculación del aire.

Sin embargo, la clasificación más extendida y de más importancia en la evaluaciónconjunta de la torre es la que se basa en la forma de mover el aire a través de la misma. Loscuatro tipos de torres más extendidos, de acuerdo con este criterio, son:

- Torres atmosféricas.- Torres de tiro natural.- Torres de tiro natural asistido.- Torres de tiro mecánico:

- Forzado.- Inducido.


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Figura 13: Torre de tiro natural

7. TORRES ATMOSFÉRICASEn este tipo de torres el agua cae en flujo cruzado con respecto al movimiento horizontal

del aire, produciéndose cierto efecto de contracorriente debido a las corrientes de convecciónproducidas por el agua caliente. El movimiento del aire depende principalmente del viento.

Las características principales son las siguientes:- Vida larga con bajos costos de mantenimiento, debido a la inexistencia de partesmecánicas.- No se produce recirculación del aire utilizado.

- Se precisa localizar la torre en un lugar despejado.- La torre debe ser alta y estrecha y, por tanto, los gastos de bombeo de agua sonelevados.


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Figura 14: Torres de tiro natural asistido

- Debido a su altura es preciso un anclaje seguro contra el viento.- La torre debe orientarse hacia los vientos dominantes.- La temperatura del agua varía con la velocidad del viento y su dirección.- No es posible lograr un acercamiento pequeño.- El costo es casi tan alto como para una torre con elementos mecanices.Dentro de este tipo de torres puede distinguirse entre las que no llevan ningún relleno y

aquellas que contienen un relleno de goteo. Estas últimas tienen un comportamiento muchomejor que las anteriores, pero en cualquier caso las torres atmosféricas están completamenteanticuadas y constituyen una mínima parte de las torres existentes.

8. TORRES DE TIRO NATURALCuando el relleno se encierra en una estructura con forma de chimenea hiperbólica, con

las entradas de aire en su parte inferior, tenemos una torre de refrigeración de tiro natural (figura13), en la que el aire es inducido a través de la torre debido a la diferencia de densidadesexistentes entre el aire húmedo y caliente y el aire atmosférico (más denso). El relleno puede serde goteo o de película.

Las características principales son las siguientes:

- Bajos costos de mantenimiento.- Mucho mejor rendimiento que las torres atmosféricas pero inadecuada para altastemperaturas secas del aire, ya que la temperatura de entrada del agua debe ser mayor


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Figura 15: Torre de tiro forzado

que la temperatura seca del aire. Si el aire se enfría no es posible el tiro natural.- Raras veces aplicable al aire acondicionado y plantas industriales debido a la fuerteinversión inicial condicionada por la gran altura necesaria. Son muy empleadas encentrales térmicas.- No es posible un gran acercamiento.- Es difícil controlar exactamente la temperatura de salida del agua.

8. TORRES DE TIRO NATURAL ASISTIDOUna forma de incrementar la capacidad de refrigeración por unidad de superficie, consiste

en asistir el tiro natural de las torres hiperbólicas por medio de ventiladores de tiro forzado. Estosventiladores van colocados en la parte inferior (eje horizontal), rodeando la torre (figura 14).

Otra variante de este sistema, a base de torres troncocónicas y de alturas que oscilan entrelos 30 y 40 m, incluyendo también ventiladores de tiro forzado, se viene utilizando hace muchosaños para capacidades pequeñas de refrigeración.

Las características principales son:- Estos sistemas participan en principio de las ventajas e inconvenientes señalados paralas torres convencionales de tiro forzado, con la diferencia de que la altura es mayor ypor tanto los efectos de recirculación quedan disminuidos.- Requieren gran cantidad de ventiladores, con el consiguiente aumento de ruido ymantenimiento.

9. TORRES DE TIRO FORZADOLa utilización de ventiladores para mover el aire a través de la torre proporciona un

control total de la entrada de aire.Las características principales de estas torres son:- Compactas. Necesitan poca superficie.


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- Control fino de la temperatura del agua fría.- Menor altura de bombeo.- La orientación de la torre no viene determinada por los vientos dominantes.- Con un relleno eficiente es posible lograr acercamientos de 1-2 ºC, aunque es preferiblemantenerse en 3-4 ºC.- Los fallos mecanices reducen sustancialmente la fiabilidad.- La potencia de ventilación puede ser importante, aumentando los gastos de operación.- La recirculación del aire usado debe ser evitada, pues de otro modo la eficiencia severía afectada.- Los costos de operación y mantenimiento son mayores que en las torres de tiro natural.- Los ruidos y vibraciones producidos por los ventiladores pueden constituir unproblema, dependiendo de la localización.Debemos distinguir dos tipos principales:- Torres de tiro forzado- Torres de tiro inducido.Cuando los ventiladores se sitúan en la entrada de aire de tal forma que lo impulsan a

través del relleno, tenemos una torre de tiro mecanice forzado (figura 15).Las características principales de estas torres son las siguientes:- El equipo mecanico se encuentra situado cerca del suelo en unos niveles minamos.- Más eficiente que la corriente inducida (ver apartado siguiente), ya que la presión develocidad convertida a presión estática realiza un trabajo útil; además, el ventiladortrabaja con aire frío de más densidad que en el caso de tiro inducido.- Los equipos mecanices se encuentran situados en una corriente de aire relativamenteseca y tienen un fácil acceso para el mantenimiento.- El tamaño del ventilador está limitado, con lo cual se necesita un gran número depequeños ventiladores, o mayores velocidades, comparado con una instalación de tiroinducido. Esto conduce a mayor nivel de ruido, aunque la torre proporcione ciertaatenuación.- Existe tendencia a la formación de hielo en los ventiladores durante épocas frías, conel consiguiente taponamiento de la entrada de aire.- Algunos tipos presentan problemas de recirculación del aire usado hacia la zona de bajapresión creada por el ventilador en la entrada de aire, especialmente cuando la velocidadde salida del aire es baja.Cuando los ventiladores están situados en la salida del aire, generalmente en la parte

superior de la torre (figura 10), se llaman torres e tiro mecánico inducido.Las características principales de estas torres son las siguientes:- Es factible instalar grandes ventiladores, de tal forma que pueden mantenersevelocidades y niveles de ruido bajos.- El aire entra a una velocidad considerable, pudiendo arrastrar consigo cuerpos extraños.Es posible instalar filtros de aire.- No suelen presentarse problemas de recirculación debido a las altas velocidades desalida del aire.- Tendencia a producirse vibraciones debido a que el ventilador se encuentra montadoen una superestructura.- Los elementos mecanices no son fácilmente accesibles y se encuentran sumergidos enuna corriente de aire húmedo y caliente.


20

Figura 16: Sistema de distribución de agua en una torre de tiro natural

- Menos superficie ocupada que el sistema forzado, debido a la ausencia de ventiladoresen los lados.

10. SISTEMAS VINCULADOS A LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

10.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DEL AGUALos sistemas de distribución de agua se clasifican como:

- Tipo gravedad.- Tipo presión.

Sistema por gravedadSu principal ventaja consiste en la poca altura de bombeo que requieren, lo cual conduce

a bajos costos de operación.

La regulación del caudal de agua por celda, necesaria para lograr una eficiencia máxima,se lleva a cabo mediante una simple inspección visual y la consiguiente variación del nivel deagua en la balsa.

El mantenimiento de las balsas abiertas no ofrece problemas y puede ser realizado inclusocon la torre en operación. Si el caudal de agua varía, basta cambiar las toberas para mantener enunas condiciones adecuadas la distribución del agua.


21

Figura 17: Relleno laminar de placas de fibrocemento

Sistema por presiónMuchas de las torres con flujo en contracorriente se encuentran equipadas con sistemas

de pulverización a presión con las toberas dirigidas hacia abajo. Este sistema no sólo actúa comodistribuidor de agua sino que contribuye directamente al rendimiento de la torre.

Los problemas asociados con este sistema son principalmente de mantenimiento y deregulación del flujo de agua. No es posible limpiar fácilmente la suciedad acumulada en losramales y los pulverizadores que, además, se encuentran por debajo de los eliminadores de gotas.También presenta dificultades la tarea de igualar el caudal de las diferentes celdas, lo cual es unrequisito imprescindible para lograr un funcionamiento correcto de la torre. Generalmente seutiliza una regulación de la presión pero, debido a las bajas presiones utilizadas (siempreinferiores a 1 bar), es difícil obtener resultados seguros y pueden presentarse irregularidadesimportantes en los caudales de las diferentes celdas. En la figura 16 se muestra un sistema dedistribución por presión en una torre de tiro natural

Los dos tipos de sistemas de presión actualmente existentes son el de tubería a presióny el rotativo.

El primero consta de una serie de canales, de los cuales parten una serie de tubos dedistribución equidistantes y simétricos, de tal forma que la red formada cubre la superficie de latorre, repartiendo el caudal de agua de una forma homogénea. Situados regularmente en los tubosvan los aspersores de los que se puede ver un detalle en la figura 16. Las velocidades del agua,que en los tubos suelen oscilar entre 1,5 y 2,0 m/s, se mantienen uniformes reduciendo cadacierto intervalo la sección de las tuberías. La presión para producir la aspersión es la diferenciade alturas entre la superficie de los canales y la tobera de aspersión

Los distribuidores rotativos tienen un colector vertical central con dos brazos horizontalesque cubren diametralmente la planta de la torre, que debe ser necesariamente circular.

El movimiento del brazo se produce como consecuencia del par de reacción generado por


22

Figura 18: Relleno laminar de placas onduladas

la salida del agua a presión a través de los pulverizadores, que forman un cierto ángulo con lavertical.

10.2. RELLENOEl relleno de las torres tiene como misión acelerar la disipación del calor. Esto se

consigue aumentando el tiempo de contacto entre el agua y el aire, favoreciendo la presencia deuna amplia superficie húmeda mediante la creación de gotas o finas películas.

El relleno debe ser de un material de bajo coste y fácilmente instalable. Además deconducir a altos resultados de transmisión de calor, debe ofrecer poca resistencia al paso del airey proporcionar y mantener una distribución uniforme del agua y del aire a lo largo de toda la vidade la torre. También es importante conseguir una alta resistencia al deterioro.

Los diferentes tipos de relleno pueden clasificarse dentro de una de estas tres categorías:- De goteo.- De película o laminar.


23

- Mixto.

Rellenos de goteoAunque existen muchas disposiciones diferentes, el propósito básico consiste en generar

pequeñas gotas de agua, en cuya superficie se verifica el proceso de evaporación (figura 1.22).Este efecto se logra mediante la caída del agua sobre una serie de pisos superpuestos de

listones o rejillas, mientras el aire se mueve en sentido horizontal (flujo cruzado) o vertical (flujoen contracorriente). El agua, al caer, se fracciona en gotas cada vez más pequeñas, rompiendoademás aquellas de mayor diámetro que se hayan formado por unión de otras más pequeñas.

Uno de los requerimientos más importantes de este tipo de relleno es el de una correctanivelación de los listones, pues de otro modo el agua discurre a lo largo de éstos,desequilibrándose la distribución de la cortina de agua y perjudicando notablemente elrendimiento.

La altura del relleno es superior a la requerida en los sistemas laminares y el arrastre degotas es importante, lo cual obliga a utilizar eliminadores de gotas de alto rendimiento.Relleno de película o laminar:

Este tipo de relleno proporciona una mayor capacidad de enfriamiento, para un mismoespacio ocupado, que el de goteo, por lo que se ha impuesto progresivamente.

La eficiencia de este sistema depende de su capacidad para distribuir el agua en una finapelícula que fluye sobre grandes superficies, al objeto de proporcionar la máxima exposición delagua a la corriente de aire (figuras 17 y 18).

Como este tipo es más sensible a las irregularidades del caudal de aire y de la distribucióndel agua, el diseño de la torre debe garantizar su uniformidad a través de todo el relleno.

Su principal ventaja es que, al no existir gotas, las pérdidas por arrastre se reducen engran proporción, por lo cual pueden darse velocidades altas de aire, disminuyendo paralelamentela altura del relleno y con ello, la de bombeo. Esto conduce a menores costos de operación.

El principal inconveniente de los rellenos laminares es su tendencia a acumular depósitosy suciedad entre las placas paralelas muy próximas que lo constituyen. Este fenómeno conducea obstrucciones parciales y a la formación de canales preferenciales por los que discurre el agua,rompiendo la homogeneidad de la película. Para evitar estos riesgos se recurre generalmente ala disposición de los paquetes en pisos superpuestos, con diferente orientación de las láminasasen cada uno.Relleno de tipo mixto:

Los rellenos mixtos se basan en una pulverización por goteo, pero con formación depelícula en las superficies laterales de los listones, aumentando de esta forma el efectoconseguido por salpicadura. Materiales:

La madera es el material más tradicional de los sistemas de goteo. La vida media, a pesarde los progresos en los métodos de tratamiento, no supera en general los 20 años de servicio. Suutilización se encuentra en franco declive.

Los rellenos de metal han sido utilizados en casos especiales en que se requería unarelación alta entre el área de contacto y el volumen. Sin embargo, en las condiciones normalesno son competitivos debido a su altísimo costo.

El fibrocemento se utiliza principalmente en los rellenos laminares de torres industriales,especialmente en las de tiro natural; tiene muy buena resistencia y no es atacado por la materia


24

Figura 19: Algunos ejemplos de eliminadores de gotas

orgánica. Entre sus inconvenientes pueden citarse su elevado peso en relación al volumen y suelevada sensibilidad a las aguas ácidas y a los iones sulfato.

Los plásticos son muy duraderos y su utilización va entendiéndose cada día más. Sonespecialmente aptos para rellenos laminares en pequeñas torres de serie y para rellenos mixtos.

10.3. DEFLECTORES DE AIRESe utilizan en las torres de tiro inducido, para conducir el aire hacia el interior de una

forma eficiente, y para evitar las pérdidas de agua debidas a la acción del viento. Tambiénpueden diseñarse para eliminar los problemas de formación de hielo en invierno.

La distribución del aire y la retención del agua están directamente relacionadas con lainclinación, la anchura y el espaciamiento de los paneles. Las características físicas de lospaneles afectan a ambos conceptos en forma opuesta, por lo cual es preciso llegar a un diseño decompromiso que proporcione en conjunto los mejores resultados.

Existen ciertos diseños en los que se puede variar la inclinación de las paletas, a fin deadaptarse a las condiciones climatológicas existentes, pudiendo llegar a cerrarse por completo,cuando puede formarse hielo o la velocidad del aire provoque el arrastre del agua.

10.4. ELIMINADORES DE GOTASLa misión principal de este componente consiste en retener las pequeñas gotas arrastradas

por el aire que abandona la torre. Básicamente todos los eliminadores actúan provocando bruscoscambios de dirección en la corriente de aire (figura 19).

La fuerza centrifuga resultante separa las gotas de agua, depositándolas en la superficiedel eliminador, para caer posteriormente sobre el relleno. Esta actuación proporciona tres efectos


25

∆P' (ρ0&ρi )·H

positivos: disminuye las pérdidas de agua, evita posibles daños a equipos adyacentes a la torrey limita la formación de niebla.

Un efecto secundario es la uniformización del flujo de aire a través del relleno, comoresultado de la depresión creada en el espacio que hay entre los eliminadores y los ventiladores(si éstos existen) debido a la oposición que presentan al libre paso del aire.

Los materiales utilizados deben resistir una atmósfera corrosiva y erosiva. Pueden ser demadera tratada, chapa galvanizada, aluminio. Actualmente, la tendencia más extendida consisteen utilizar láminas de fibrocemento o plástico (PVC).

10.5. CHIMENEASLas chimeneas se emplean en las torres de tipo inducido para proporcionar al ventilador

una cámara, de tal forma que su comportamiento sea más efectivo. Al mismo tiempo protege alventilador y lanza lejos el aire húmedo, evitando problemas de recirculación.

Para facilitar el tiro de la torre, permitiendo una recuperación de energía cinética, seutilizan chimeneas con difusor en el lado de la descarga del aire húmedo. Un aumento gradualde la sección transversal al flujo consigue que la velocidad vaya descendiendo progresivamente.Esta conversión de la presión de velocidad a presión estática puede conducir a aumentos del 10% en el aire suministrado sin variar la potencia consumida por el ventilador. Estos difusores seaplican principalmente a torres industriales.

Las torres de tiro natural no utilizan ventiladores, la fuerza motriz de la circulación laproduce la diferencia de densidades entre el aire frío del exterior y el aire húmedo caliente dleinterior. Esta diferencia de presión motriz, ∆P, viene dada por:

(17)

dondeρ0 = Densidad del aire exterior, kg/m3

ρi = Densidad del aire interior, kg/m3

H = Altura de la torre, mLa presión diferencial compensará las caídas de presión del aire a través de la torre. Como

ρ0 - ρi es pequeña, H debe de ser grande para que se alcance la diferencia de presiones deseada,normalmente se alcanzan unos 100 m de altura. El cuerpo de la torre por encima del relleno,distribución de agua, y separador de gotas, está totalmente vacío y suele tener un perfil sehiperboloide de revolución. Este perfil es el que ofrece mayor resistencia, y también mejorresistencia al empuje del viento en comparación con otros perfiles, por lo que la utilización delmismo constituye un ahorro en la cantidad de material de construcción. Suelen estar construidasde hormigón armado soportado por columnas o columnas diagonales y los espesores de paredo de lámina, necesarios en la línea de estricción son del orden de 150 a 180 mm. Se sitúan sobreuna balsa de agua poco profunda.

10.6. VENTILADORESExisten dos tipos fundamentales de ventiladores: axiales, en los que el aire mantiene la

dirección del eje antes y después de su paso por el ventilador, y centrífugos, donde el airedescarga en dirección normal a la de entrada.

Los ventiladores axiales son apropiados para mover grandes volúmenes de aire con unacontrapresión estática pequeña y su uso se encuentra más extendido en instalaciones industriales.


26

Son relativamente baratos y pueden ser utilizados para torres de cualquier tamaño. Conchimeneas correctamente diseñadas, los ventiladores axiales operan con eficiencias que alcanzanhasta el 80-85 %. Los diámetros pueden alcanzar los 9 m, aunque generalmente oscilan entre 3y 7 m en instalaciones industriales. En ciertos casos se puede modificar el ángulo de ataque delas aspas, sin más que aflojar las abrazaderas de unión al cubo central. Se utilizan generalmentemateriales metálicos, aunque los ventiladores con palas de plástico están alcanzando enormedifusión por su atrayente costo, su buena resistencia al ataque químico y su ligereza.

Los ventiladores centrífugos están constituidos por una carcasa y un rodete, pudiendo serde simple o doble aspiración, es decir, con una o dos zonas de entrada del aire a la voluta. En lastorres de serie, para las que se requieren bajos niveles sonoros, se utilizan normalmenteventiladores de doble aspiración lateral. Son particularmente adecuados para impulsar caudalesrelativamente pequeos, pero venciendo mayores resistencias que los de tipo axial.

Existen tres tipos de ventiladores centrífugos: el de palas radiales, el de palas inclinadashacia delante y el de palas inclinadas hacia atrás. El segundo es el más utilizado en las torres derefrigeración, pues debido a la velocidad relativamente alta del aire que abandona el rodete, éstepuede girar a una velocidad más baja, con la consiguiente reducción del nivel de ruido. Ademásnecesita tamaños menores para un servicio dado y, por tanto, resulta más económico. Losmateriales utilizados suelen ser metálicos y no existe posibilidad de alterar la inclinación de laspalas.


27

10.7. EJEMPLOS DE PRUEBAS DE RENDIMIENTO DE LAS TORRES DEREFRIGERACIÓN

En la prueba de rendimiento de una torre de refrigeración tiene por objeto comparar elfuncionamiento con las condiciones de diseño; y si se trata de torres nuevas, el objeto escomprobar las garantías dadas por el fabricante. Si las condiciones de funcionamiento fueranmuy distintas de las de diseño, sería conveniente pensar en algún tipo de modificación oreparación, porque es evidente que el funcionamiento de la torre se ha deteriorado.

Los procedimientos de evaluación están basados en.Aceptance Test Code for Water Cooling Towers.ATC-105, Cooling Towers Institute.DIN 1947, Performance Tests on Cooling Towers.Aportaciones de la norma: Torres de Refrigeración. Definiciones y Ensayo de Recepción,BQ-E2.20 (1975), de Bequinor

Condiciones de funcionamiento durante la realización de la prueba- La velocidad del viento no debe de ser superior a 5 m/s- La temperatura húmeda no debe de diferir en más de ± 5 ºC de la de diseño.- La temperatura seca no debe de diferir en más de ± 10 ºC de la de diseño.- El salto térmico no debe de diferir en más de ± 20 % del de diseño.- El caudal de agua no debe de diferir en más de ± 10 % del de diseño.- Las variaciones de condiciones de operación a lo largo de la prueba deberán de

mantenerse dentro de los límites siguientes:- Caudal de agua 5 %- Calor total 5 %- Salto térmico 5 %- Temperatura húmeda 1 ºC por hora- Temperatura seca 3 ºC por hora

- La duración de la prueba no será inferior a una hora manteniendo las condicionesanteriores.

- Las lecturas se tomarán a intervalos regulares de 10 ó 15 minutos.

La estructura de las medidas puede ser la mostrada en la tabla X

Tabla 1: Datos a tomar periódicamente en una prueba

Hora th ºC tS ºC t1 ºC t2 ºC LP m3/h u m/s PP kW

donde:th = Temperatura húmedatS = Temperatura secat1 = Temperatura de entrada de aguat2 = Temperatura de salida de aguaLP = Caudal de aguau = Velocidad del viento (para establecer la validez de la prueba)PP = Potencia del ventiladores en el caso de tiro forzado


28

Pd'K·Gd3 ; Pp'K·Gp

3 YGd

Gp

'Pd

Pp

1/3

·1Gp

'Pd

Pp

1/3· 1Gd

YLp

Gp

'Lp

Ld

·Pd

Pp

1/3·

Ld

Gd·

LG p

'Lp

Ld

·Pd

Pp

1/3· L

G d

De los valores tomados durante la prueba se seleccionan los válidos que cumplan lascondiciones anteriores: La variación del caudal total se puede evaluar por la del salto térmico yaque aquel es igual al producto de éste por el caudal de agua y este permanece prácticamenteconstante. Ademas de los datos que se toman en la prueba, es necesario conocer los datosde diseño, que son suministrados por el fabricante y que, por un lado son los correspondientesa los que se toman en la prueba (téngase en cuenta que la velocidad de viento de diseño es ceroy la de la prueba, para que esta sea válida, debe de estar dentro del margen de tolerancia).Además de estos datos el fabricante suministra la curva característica de la torre como la definidaen la figura 9, que es la relación experimental, para la torre, entre KaV/L y L/G y además larelación termodinámica entre estas mismas variables cuando se cumplen las condiciones.

th = valor de diseñot1 - t2 = valor de diseñot2 - th = valor de diseño

Consideremos en primer lugar la prueba de una torre de tiro forzado.Las curvas suministradas por el fabricante se muestran en la figura 20 (lineas de trazo

grueso) y el resto de datos de diseño se muestran en la tabla 2 junto con los de de una pruebaválida. En este caso no se toma la temperatura seca porque se considera que las líneasisentálpicas son casi coincidentes con las de temperatura húmeda constante en el diagramapsicrométrico y así basta con th para determinar la entalpía del aire en la entrada; de todos modosdebería de tomarse para trabajar con mayor precisión

Tabla 2: Datos de diseño y datos válidos de los tomados durante la prueba Tipo de valores th ºC tS ºC t1 ºC t2 ºC L, m3/h u, m/s P, kW

Valores de diseño (d) 25 42 32 1400 - 80

Valores medios de un periodo deprueba válido (p)

21.3 38.1 28.7 1280 Válida 71

Cálculo del valor L/G de la pruebaEn el caso de una torre de tiro mecánico es posible este cálculo utilizando las medidas

de potencia de los ventiladores, P, (kW). Se puede considerar con suficiente aproximación quela potencia de un ventilador es proporcional al cubo del caudal y entonces se pueden escribir lassiguientes relaciones:

La última ecuación se puede utilizar para calcular el valor de (L /G )p. El valor de (L/G)des el que da el fabricante en las características de la figura 20 (1.15 en este caso). El valor de (Pd/Pp ) es la relación de potencias y se obtiene de los datos de la tabla 2 y es igual a 80/71. El valor


29

LG p

'12801400

· 8071

1/3·1.15'1.09

KaVL

'mt1

t2

dthw&ha

G·∆h'L·c·∆t Y G·(h2&h1)'L·c·(t1& t2)

h2'h1%LG

·c·(t1& t2)·4.186'62%1.09·(38.1&28.7)·4.186'104.89 kJ/kg

de (Lp /Ld ) también se obtiene de los datos de la tabla 2 y es igual a 1280/1400. Por lo tantotendremos:

Cálculo del valor KaV/L de la pruebaPara el cálculo se utiliza la integral

Para el cálculo de integral se hace de forma aproximada calculando las diferencias deentalpía para las correspondientes diferencias de temperatura. El salto térmico (t1 - t2) se saca delos datos pero se necesita el salto entálpico

En primer lugar se calcula la entalpía de entrada que se obtiene del diagramapsicrométrico entrando con la temperatura húmeda (th = 21.3 ºC) y considerando la aproximaciónde que las curvas de temperatura húmeda coincidentes con las isentálpicas, se obtiene un valor:

h1 = 62 kJ/kgLa entalpía en la salida se puede calcular de acuerdo con la ecuación (9):

Como se conoce h1 y L/G, se puede calcular h para cualquier temperatura comprendidaentre t1 y t2. En la tabla 3 se utiliza esto para obtener los datos que permiten calcular de formaaproximada la integral

Tabla 3: Cálculos para obtener el valor de de [1/(hw - ha )]media

Puntos t h hw ∆h 1/∆h G(1/∆h) (1/∆h)med =G/5

2 28.70

a 30.58 70.578 102 31.4220 0.0318

b 32.46 79.156 113 33.8441 0.0295

c 34.34 87.734 125 37.2661 0.0268

d 36.22 96.312 136 39.6882 0.0252

1 38.10 104.890 150 45.1102 0.0222

Totales 0.1356 0.0271

Con los valores determinados en la tabla se puede calcular la integral de formaaproximada:


30

KaVL

'mt1

t2

dthw&ha

' (t1& t2)·1

hw&ha med'1.07

% capacidad' 1.181.15

·100'102.61 %

Figura 20: Características del fabricante y resultados de la prueba para latorre de tiro mecánico

Con los valores calculados correspondientes a la prueba de L/G = 1.09 y KaV/L = 1.07,de marca el punto correspondiente en la gráfica de las características de la figura 20, por estepunto se traza una paralela a la característica de diseño de la torre. El punto de corte de esta rectacon la curva correspondiente a la temperatura húmeda, salto térmico y grado de aproximación

constante, corresponde a un valor de L/G de 1.18. La desviación del funcionamiento de la torrecon respecto a las condiciones de diseño se evalúa mediante

La torre está trabajando por encima de su capacidad de diseño.

Consideremos ahora la prueba de una torre de tiro natural.Las curvas suministradas por el fabricante se muestran en la figura 21 y los datos de una

prueba válida se muestran en la tabla 4 junto con los de diseño de la torre.


31

Figura 21: Características del fabricante y resultados de la prueba para latorre de tiro natural

Tabla 4: Datos de diseño y datos válidos de los tomados durante la prueba Tipo de valores th. ºC tS ºC t1 ºC t2 ºC L, m3/h u, m/s P, kW

Valores de diseño 20.0 27.0 42.0 30.0 38000 - -

Valores medios de un periodo deprueba válido

21.6 28.5 43.2 31.8 36500 Válida -

Cálculo del valor L/G de la pruebaEl valor de L/G de la prueba no se puede calcular directamente porque carecemos de la

potencia de impulsión, de la que si disponíamos en las torres de tiro mecánico. En este casoseguiremos el método siguiente:

En primer lugar determinamos las condiciones del aire de entrada y de salida en lascondiciones de diseño:

Ld = 38·106 kg/h(L /G)d = 1.20Gd = Ld /1.20 = 38·106/1.20 = 31.67·106 kg/h

La entalpía y la densidad del aire de entrada se puede calcular de forma aproximadaentrando en el diagrama psicrométrico con la temperatura húmeda, 20 ºC y con la temperaturaseca 27 ºC:


32

∆ρR

∆ρd

'Gp

Gd

2·ρd

ρp

·Lp

Ld

0.4

h1 = 57.50 kJ/kg

ρ1 = 1.156 kg/m3

Incremento de entalpía:∆h = (L/G)·c·(t1 - t2) = 1.20·(42 - 30)·4.186 = 60.28 kJ/kg

Entalpía en la salida:h2 = h1 + ∆h = 57.5 + 60.28 = 117.78 kJ/kg

Considerando que el aire en la salida está saturado, entrando con este valor de la entalpíaen al diagrama psicrométrico, se puede obtener la temperatura y la densidad:

t2 = 33 ºCρ2 = 1.096 kg/m3

La diferencia de densidades entre la entrada y la salida será∆ρ = 0.060 kg/m3

La densidad media del aire de diseño será:ρm = (1.096 + 1.156)/2 = 1.124 kg/m3

En segundo lugar determinamos las condiciones del aire de entrada y de salida en lascondiciones de la prueba:

La entalpía del aire de entrada se puede calcular de forma aproximada entrando en eldiagrama psicrométrico con la temperatura húmeda, 21.6 ºC y con la temperatura seca 28.5 ºC:

h1 = 62.2 kJ/kgρ1 = 1.147 kg/m3

Para continuar los cálculos se dan valores de caudal de aire y para cada uno se calculanla diferencia de densidades impulsora y la diferencia de densidades resistente. El caudal para elque se igualan será el caudal de aire de la prueba:

Para el caudal supuesto se calcula:- El valor L/G.- El incremento de entalpía: ∆h = L/G(t1 - t2)- La entalpía en la salida: h2 = h1 + ∆h - En el diagrama psicrométrico entrando con la entalpía se determinan las condiciones

de salida: t ºC y ρ.- La diferencia de densidades de impulsión, ∆ρimpulsión, que es igual a la diferencia de

densidades entre la entrada y la salida.- La densidad media del aire, ρmedia que es igual a la mitad de la suma de la de entrada más

la de salida.- La diferencia de densidades, ∆ρresistente, representativa de la resistencia al flujo, que se

obtiene mediante la fórmula: ¡que no se de donde sale!:

donde ∆ρd = Diferencia de densidades de diseño = 0.060 kg/m3

Gp = Caudal de aire de la prueba = El que se elijaGd = Caudal de aire de diseño = 31.67·106 kg/hρd = Densidad media de diseño = 1.124 kg/m3

ρp = Densidad media de la prueba = La que se determine para el caudal elegidoLp = Caudal de agua de la prueba = 36500 m3/h


33

0.040

0.045

0.050

0.055

0.060

0.065

0.070

27 28 29 30 31 32 33 34 35

Caudales

Dife

renc

ia d

e de

nsid

ades

Figura 22: Representación gráfica de las diferencias de densidades impulsora y resistente

Ld = Caudal de agua de diseño = 38000 m3/h

Tabla 5: Cálculos de Gp mediante supuestos y determinaciones de ∆ρimpulsion y ∆ρresistente

Prueba Gsupuesto L/G ∆h hsalida tsalida ρsalida ∆ρimpulsion ρmedia ∆ρresistente

1 28000000 1.304 62.207 124.407 34 1.089 0.058 1.1180 0.0441

2 30000000 1.217 58.060 120.260 33.5 1.093 0.054 1.1199 0.0505

3 32000000 1.141 54.431 116.631 33 1.096 0.051 1.1214 0.0574

4 34000000 1.074 51.229 113.429 32.5 1.099 0.048 1.1230 0.0647

Calculado 30700000 1.189 56.736 118.936 33.34 1.094

En la figura 22 se representan en función del caudal supuesto las diferencias de

densidades de impulsión y resistente. El punto de corte de las dos lineas deberá ser el caudal deaire de la prueba, Gp que resulta ser de 30.7·106 kg/h

Una vez determinado el caudal de la prueba se pude proceder al cálculo aproximado deKaV/L utilizando el mismo proceso de integración de la tabla 3. En este caso el proceso se siguede la misma manera en la tabla 6


34

KaVL

'mt1

t2

dthw&ha

' (t1& t2)·1

hw&ha med'0.80

% capacidad' 1.021.20

·100'85.0 %

Tabla 6: Integración para el cálculo de dt/(hw - ha )Puntos t h hw ∆h 1/∆h G(1/∆h) (1/∆h)med =G/5

2 31.80

a 34.08 73.547 123 49.5628 0.0202

b 36.36 84.894 139 54.1056 0.0185

c 38.64 96.242 154 57.7584 0.0173

d 40.92 107.589 175 67.4112 0.0148

1 43.20 118.936 195 76.0640 0.0131

Totales 0.0840 0.0168

Con los valores determinados en la tabla se puede calcular la integral de formaaproximada:

Con los valores calculados correspondientes a la prueba de L/G = 1.189 y KaV/L = 0.80,se marca el punto correspondiente en la gráfica de las características de la figura 21, por estepunto se traza una para lela a la característica de diseño de la torre. El punto de corte de esta rectacon la curva correspondiente a la temperatura húmeda, salto térmico y grado de aproximaciónconstante, corresponde a un valor de L/G de 1.02. La desviación del funcionamiento de la torrecon respecto a las condiciones de diseño se evalúa mediante

La torre está trabajando por debajo de su capacidad de diseño.


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APÉNDICE. Diagrama de aire húmedo ASHRAE para 101325 Pa

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