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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

INDICE Resumen completo. − Carátula. − Indice. − Nomenclatura. − 1.

Introducción. − 2. Fundamentos teóricos. − 2. 1. Descripción del proceso

de enfriamiento del agua. − 2. 2. Integral de Merkel. − 3. Características

de funcionamiento de torres. − 3. 1. Curva de funcionamiento. − 3. 2.

Punto de diseño. − 4. Ensayos de torres de enfriamiento. − 4. 1.

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

ensayo − 4. 2.1. Condiciones de equipamiento. − 4. 2.2. Condiciones

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

− 4. 2.3. Condiciones generales del equipamiento de 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. − 4. 3.2. Temperaturas. − 4. 3.2.1. Agua. − 4. 3.2.2. Aire. − 4. 3.3.

Otros parámetros a medir. − 4. 3.4. Requerimientos generales para la

medición de los parámetros − 4. 3.5. Duración del ensayo. − 4. 3.6.

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

medición de los parámetros. − 4. 3.8. Monitoreo de las condiciones de

viento y del aire sin perturbar. − 4. 3.9. Potencia de entrada al ventilador.

− 4. 3.10. Presión total de entrada − 4. 3.11. Análisis del agua circulante.

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

3.13. Temperaturas del agua. − 4. 3.14. Temperatura del agua caliente. −

4. 3.15. Temperatura del agua fría. − 4. 3.16. Temperatura del agua de

Make-up. − 4. 3.17. Temperatura del agua de Bloow-down. − 4. 3.18.

Mediciones de caudal de agua. − 4. 3.18.1. Caudal de agua. − 4. 3.18.2.

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

4. 3.19. Cálculo de la presión total a la entrada. − 5. Sistema de

adquisición de datos. − 5. 1. Generalidades. − 5. 2. Descripción. − 5. 3.

Sensor de caudal de agua. − 5. 3.1. Calibración del caudalímetro. − 6.

Evaluación experimental de torres de enfriamiento. − 6. 1.

Generalidades. − 6. 2. Torre de enfriamiento de gran porte. − 6. 3. Torre

de enfriamiento de pequeño porte. − Bibliografía

Constante adimensional en la ecuación que describe el funcionamiento

de una torre. Área de entrada del aire, desde el ambiente, hacia el

interior a la torre. [m2] Superficie de transferencia equivalente por unidad

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

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

masa por unidad de volumen de torre. [1/m] Constante adimensional en

la ecuación que describe el funcionamiento de una torre. Constante

adimensional, antilogaritmo de la constante A ya mencionada. Calor

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

del relleno. [m/s] Caudal volumétrico de aire. [m3/s] Altura de la unidad

de difusión. [m] Humedad relativa ambiente. [%] Coeficiente de

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

Coeficiente de transmisión de calor entre la interfase y la masa de agua.

[KJ/(hr m2 ºK] Entalpía específica. [KJ/Kg] Entalpía específica del aire

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

vapor de agua. [KJ/Kg] Coeficiente de transferencia másica a través de la

película gaseosa. [Kg de vapor condensado/(hr m2)] 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)] Caudal volumétrico de agua. [m3/s]

Número de Lewis. [-] Coeficiente adimensional en la ecuación de

funcionamiento de la torre. Presión atmosférica. [mmHg.] Flujo de calor.

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

Temperatura. [°C o °K] Temperatura de referencia. [°C o °K] Volumen

activo de la torre (S0 . Z). [m3] Velocidad del aire. [m/s] Caudal másico.

[Kg/s] Humedad absoluta. [gr. de vapor/ gr de aire seco] Altura del relleno

de la torre. [m] 0 T T0 V Vg W Xw Z Griegas λ0 Entalpía de vaporización

para la temperatura de referencia T0

completo ηd ρ Número de unidades de difusión.(adimensional) Densidad.

[Kg/m3]

Subindices a cw ent db g hw i L r sal wb Aire seco. Agua fría. Entrada.

Bulbo seco. Gas, aire. Agua caliente. Interfase liquido-gaseosa. Liquido,

agua. Relleno Salida Bulbo húmedo.

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

ento 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.

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.

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.

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.

Película del gas

TL

masa líquida masa gaseosa

Distribución de temperatura

Tg

3’ Película del líquido 2’ 1’ 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).

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 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 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 ) (6)

(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

T cw

∫ (i

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: Z ηd

HDU =

(9)

No es casual que la simplificación de Merkel (Le = 1) funcione

razonablemente bien,

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

25 0F 20 0

Aire saturado i, ig [ KJ/Kg ] 15 0 B B’ G 10 0 H C 50

Linea operativa del aire WL/Wg

A 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 preestablecida, 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.

Temperatura de bulbo húmedo = 25.0 °C Presión ambiente = 98.0665

kPa Salto térmico = 10 °C

10 Ka.V/W L 10,1 0,1 1 Aproximación 5 °C Aproximación 10 °C

W L/W G

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

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: K . a .V WL = C . W L W g –n ηD = (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.

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 ) 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

W = A + B x Log L W g

(12)

y B=-n

Curva de diseño

Operación de la torre

KaV/WL

1Aproximación = 8.33 ºC

Punto de funcionamiento

0,1 0,1 1 W L/W g 10

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 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 estánd

ar 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.

1

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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 materi

ales 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:

18/38

16 km/h (10 mph);


- 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

diciones 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 calie

nte. - 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.).

20/38


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 Presión barométrica Presión total a la entrada PRECISION ±

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

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

(± 0,1 ºF) ----- (1) ----- (1) ----- (1) 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) 0,11 ºC (0,2 ºF) 0,11 ºC

(0,2 ºF) 0,11 ºC (0,2 ºF) 0,11 ºC (0,2 ºF) CANTIDAD DE LECTURAS (*) 3

2 2 12 12 2 2

0,11 ºC (0,2 ºF)

0,11 ºC (0,2 ºF) 1,61 km/h (1 mph.) 33,85 Pa (0,01 Inch Hg) 0,03048 m

(0,1 ft.) 1 1

21/38


(*) 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 d

ura 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.

22/38


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 Temperatura Make-up Salida de Agua fria

Caudal de Make-up Temperatura de agua fria Salida caudal Bloow-down

Caudal de 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. P

otencia 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


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 establecid

o 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).


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.


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.


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.


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 softw

are 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.


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 fican 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 Conexión :

Salida del programa. : 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.


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.


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 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.


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


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 ηd = C × L w g

−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 w g

−0.7337

En la Figura 10 se

stran 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


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

Ensayo 3

K.a.v/wL

Ensayo 1

Ensayo 2

Curva de funcionamiento

0,1 0,1 1 wL/wg 10

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

Funes.

35

Delta T = 9ºC

30

Delta T = 6ºC

Tcw [ ºC ] 25

Delt

a T = 3ºC

20

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

wL/wg = 0.9 wL/wg = 1.0

15 4 9 14 T w b [ ºC ] 19 24

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


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.


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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BIBLIOGRAFIA

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"CTI Water Cooling Tower Thermal Performance - Testing Pro

cedures 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


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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