cooling towers 19 traducido

7/23/2019 Cooling Towers 19 Traducido

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Torres de refrigeracinLas torres de refrigeracin han sidoampliamente utilizadas para deshacerse delcalor residual de procesos industriales y de lossistemas de refrigeracin o aire acondicionadodonde ha sido ms barato o ms convenienterechazar el calor a la atmsfera en lugar delagua de un ro cercano, lago o mar. En muchoscasos, la eleccin ha sido en gran medida una

cuestin de costos comparativos, pero desde laSegunda Guerra Mundial nuestro sistema deenerga elctrica de rpido crecimiento hacomenzado a sobrepasar la capacidad desumidero de calor de algunos de nuestros rospara que, incluso con la amplia libertad en laseleccin de sitios abiertos para estacionescentrales, en muchos casos, no ha habido msremedio que construir grandes instalaciones detorres de refrigeracin. Esto ha sido

particularmente cierto en el suroeste.El diseo de torres de enfriamiento es muchoms emprico que eso o cualquier otro tipo deintercambiador de calor. Hay, de hecho,algunos muchos imponderables que algunosingenieros apuntan a la brujera. Gran parte dela dificultad proviene de idiosincrasia en elcomportamiento de la atmsfera en lascercanas de una torre de enfriamiento. Bajociertas condiciones, con poco o nada de viento

los efectos combinados de la geometra delterreno y de los edificios en las inmediacionespueden conducir a la recirculacin de aire atravs de la torre y, por lo tanto, una prdidade rendimiento. Estos efectos son tanto unafuncin de la topografa local, la direccinpredominante del viento, el clima, y similaresque son difciles de predecir, y el rendimientode una torre de refrigeracin de un diseodado puede variar mucho de un lugar a otro.

Debido a estas y otras complejidades, estecaptulo tiene la intencin de hacer poco ms

que presentar las relaciones bsicasinvolucradas y mostrar algo de su uso en laespecificacin, seleccin y pruebas deaceptacin de las torres de refrigeracin.

TIPOS DE TORRES DEREFRIGERACINLas torres de refrigeracin se han desarrolladoa partir de los estanques de pulverizacin en unesfuerzo para obtener un sistema que ocupemenos espacio. Cabe sealar en este punto quela capacidad de disipacin de calor por unidadde rea de un pequeo estanque se puedeaumentar aproximadamente 20 vecesmediante la instalacin de un sistema depulverizacin simple, y alrededor de 100 vecespor la construccin de una torre de

refrigeracin. Las torres de refrigeracin tienenuna ventaja adicional sobre los estanques depulverizacin en que reducen el consumo deagua para una carga de calor dada por unfactor de aproximadamente cinco, ya quepueden ser diseados para eliminar la prdidade agua arrastrada por el viento en forma degotas.

Torres de refrigeracin por conveccin

naturalEl tipo ms simple de la torre de enfriamientoes slo un pequeo estanque con aguapulverizada rodeado de paredes tenerpersianas interiormente inclinadas, como en laFigura. 19.1. En este tipo de torre derefrigeracin el aire cambia de direccin alpasar a travs de las rejillas de las persianas,dejando a su paso las gotitas suspendidas deagua que inciden en las tablillas de laspersianas, se depositan hacia fuera y drenan

hacia la cuenca en la base de la torre.


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Tanto los requisitos de bombeo de agua y lacapacidad de la torre de enfriamiento porunidad de rea de la base se pueden mejorarproporcionando superficies horizontales dentrode la torre de refrigeracin para reducir la

velocidad promedio de las gotitas que caen ypara aumentar el tiempo que las gotitas estnexpuestos a la corriente de aire derefrigeracin, en su cada a travs de la torre.Otra ventaja de este enfoque es que se haceposible el rendimiento de contracorriente y, portanto, obtener la temperatura ms baja en lacorriente de agua de salida. La ltima ventajase puede realizar mediante el uso de chorrosde agua de baja presin en la parte superior,

colocar las cubiertas horizontales de celosa enla torre, y la organizacin de las paredes comoen la Figura. 19.2 de modo que el aire entrahorizontalmente y se descarga verticalmente.Una caracterstica deseable de este rgimen esque el movimiento vertical hacia arriba del airetambin ralentiza la cada de las gotitas deagua y por lo tanto aumenta el rea desuperficie efectiva para cualquier tasa de flujode agua dado. En este tipo de torre deenfriamiento de las superficies dentro de latorre se llaman empaque o relleno, y por logeneral se escalonan de modo que las gotas deagua pueden caer tan slo unos metros antesde golpear una superficie. Algunas grillas opaneleshechos de tiras de madera clavados a1 x 2 en los largueros de madera se muestranen la Figura 19.3. Rejillas de plstico estnreemplazando a los listones de madera.

El aumento de la temperatura del aire que semueve hacia arriba a travs de la torre inducela circulacin por conveccin trmica, que esespecialmente til si la velocidad del viento esmuy bajo. Para grandes instalaciones, muchastorres de refrigeracin de tipo mostrado en laFigura. 19.2 pueden ser colocados lado a ladoen una fila larga en ngulos rectos a ladireccin del viento predominante. Este es elarreglo particularmente eficaz en las regionescosteras, donde los vientos sonpredominantemente costeros o a cierta

distancia de la costa.

The British inici la construccin de grandestorres de conveccin trmica, muchos de ellas dems de 300 pies de alto. Un conjunto tpico semuestra en la Figura 19.4. El aire entra a travsde la rendija anular proporcionado por un

anillo de columnas de soporte en la base, secalienta a medida que pasa a travs de rellenocerca de la base (vase la fig. 19.5), y luegose eleva bajo la accin de las fuerzas deconveccin trmica a la parte superior de latorre. Este tipo de torre de enfriamiento es muyadecuado para los sitios en los que latemperatura del aire ambiente rara vez supera

los 27 C (80 F), y un viento constante ysubstancial est disponible durante todo el ao.

Otras condiciones que favorecen estas grandestorres de tiro natural son un gran rango detemperaturas (y por lo tanto un aumento detemperatura de aire sustancial), no haynecesidad de una aproximacin a latemperatura de bulbo hmedo pequea, unagran carga de calor en invierno, y bajo costooperativo. El ducto est construido de hormignarmado con un espesor de pared de slo dos aseis pulgadas. La figura geometra es un

hipoide de modo que dos capas de varillas derefuerzo de acero rectas pueden estardispuestos de manera que estn inclinadas endirecciones opuestas respecto de la verticalpara formar una red. Esta disposicin facilita lafabricacin, sin embargo confiere unaestructura fuerte.

Torres de refrigeracin por conveccinforzadaLa capacidad de un tamao dado de la torre

de enfriamiento puede incrementarse por lainstalacin de un ventilador como en las Figs.1.19 y 19.6. El costo adicional del ventilador yla energa elctrica que consume suele ser msque compensado por la reduccin de losrequerimientos de capital por unidad decapacidad de disipacin de calor. Losventiladores pueden montarse en las afueras dela base de la torre para que el flujo de airesea dirigido horizontalmente hacia el interior

para daruna instalacin de aire forzado

, oventiladores de tiro inducido pueden ser


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montados en la parte superior de modo queextraer el aire a travs de la torre y sedescarga de forma vertical hacia arriba desdela parte superior, como en las Figs. 1.19 y 19.6.Es ms fcil proporcionar una estructura robusta

de montaje del ventilador la primeradisposicin, pero el segundo es generalmentepreferida, ya que no slo es menos sensible ala direccin del viento, sino que adems por ladescarga del aire hacia arriba en un fuertechorro vertical, se reduce la recirculacin quetiende a calentar el aire hmedo de salida denuevo en la torre bajo el viento y las condicionesatmosfricas desfavorables. (El problema derecirculacin se discute en una seccin

posterior). De baja velocidad hasta 12 m (40pies) de dimetro se emplean para reducir almnimo el consumo de energa. Para proyectosde instalaciones inducidas el motor se monta amenudo a un lado del ventilador y la potenciatransmitida a travs de un eje horizontal a unacaja de engranajes en el eje vertical bajo elventilador. Esta disposicin de accionamiento seutiliza para las torres en ambas Figs. 1.19 y19.6.

Las torres de las Figuras 1.19 y 19.6 difierenen que el flujo de aire es vertical a travs delrelleno de la Figura 1.19, mientras que fluyehorizontalmente a travs del relleno de la torrede la Figura19.6. Las configuraciones de flujohorizontal permiten una reduccin de la alturade la torre, y por lo tanto en el costo, para loslugares en los que una torre ms alta es norequerida por la naturaleza del terreno, losedificios cercanos, etc.

RELACIONESFUNDAMENTALESLa funcin principal de una torre derefrigeracin es reducir la temperatura de unacorriente de agua caliente a un valor tan bajocomo sea posible. Esta cada de temperatura enla corriente de agua que fluye a travs de latorre se conoce como el rango de temperatura.El enfriamiento se lleva a cabo parcialmente dedos formas: por un lado aumentando la

temperatura del aire circundante; y por otromediante la evaporacin de una porcin de lacorriente de agua caliente. Las cantidadesrelativas de calor que ingresa y provoca elaumento de la temperatura del aire y la

evaporacin del agua, dependen de lahumedad del aire que entra en la torre derefrigeracin. Otro factor, probablemente lafigura ms importante por mrito para unatorre de refrigeracin, es la medida en que latemperatura de salida del agua se aproxima ala temperatura de bulbo hmedo del aire queentra - siendo esta ltima la temperaturamnima a la que el agua podra ser enfriada enuna instalacin ideal. En cualquier torre dada

esta diferencia de temperaturas, conocido comola aproximacin mediante la temperatura debulbo hmedo o acercamiento o simplementeaproximacin de temperaturas, vara con latemperatura de bulbo hmedo de entrada deaire, la tasa de flujo de agua, y la carga decalor.

Balance trmicoDado que la cantidad de agua llevado por elaire en forma de gotitas en suspensin es

normalmente insignificante y el calor especficodel agua es la unidad, el producto de la

diferencias de temperaturas tWen las gotasde agua y la tasa de flujo de agua lquida Lwes igual a la producto de la elevacin de

entalpa en el aireHa, y la tasa de flujo deaire G, esto es,

= Donde las tasas de flujo de aire-agua: Lw y G

son en libras por hora por pie cuadrado derea de seccin transversal horizontal en unatorre vertical.

La entalpa del aire hmedo es casiexclusivamente una funcin de la temperaturade bulbo hmedo. Esto es tan cierto que casislo las lneas de temperatura de bulbo hmedose dibujan normalmente en las cartaspsicomtricos; escalas de entalpa de la mezclade vapor de agua del aire se dibujan a menudo

cerca de los extremos de las lneas constantesde temperatura de bulbo hmedo. Estas lneas


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de temperatura de bulbo hmedo acontinuacin, se pueden utilizar con las escalasde entalpa para la obtencin de valoresaproximados de la entalpa, o un borde rectose puede utilizar para una determinacin

exacta. Por lo tanto las temperaturas de bulbohmedo para la entrada y la salida de aire danuna buena medida de la subida de entalpia.Las temperaturas de bulbo seco sonprincipalmente significativas desde el punto devista del consumo de agua.

La transferencia de calorEl balance de calor de la Ecuacin19.1 noincluye trminos que definen el tamao de latorre de enfriamiento. Si la torre deenfriamiento considerada anloga a una matrizde transferencia de calor, con un rea desuperficie de la pelcula de agua que dependede las tasas de agua y de flujo de aire y de lascaractersticas del embalaje o de relleno, elcalor se transmitir al aire por dos mecanismos:la transferencia convencional de calor porconveccin y la vaporizacin del agua. Se haencontrado que la tasa de prdida de calordesde el agua por vaporizacin es anlogo al

coeficiente de transferencia de calor para laconveccin trmica, ya que tanto depende dela velocidad a la que la mezcla tiene lugarentre la pelcula delgada de gas,inmediatamente adyacente a la superficie detransferencia de calor, y la corriente de airemayor que pasa sobre la superficie. Los datosde prueba indican que el coeficiente deprdida de calor por vaporizacin, de lapelcula de agua en una corriente de aire, es

aproximadamente igual al coeficienteconvencional de transferencia de calor porconveccin h dividido por el calor especfico delaire. As, el coeficiente de transferencia deentalpa K, para la tasa de prdida de calorpor evaporacin, aproximadamente se puedeexpresar como K = h / cp.

Se ha demostrado que, en cualquier elementodado de la torre de volumen dV, que tiene unrea superficial por unidad de volumen a, el

calor entregado por libra de agua puede estarrelacionado con el calor transferido al aire por

conveccin y con la prdida de calor porvaporizacin a travs de la expresin siguiente:

=[ + ] Donde Hves la entalpa de vaporizacin, xs

del contenido de vapor de agua del airesaturado, y x el contenido de vapor de aguade la corriente de aire.

La ecuacin 19.2 puede ser manipulado paraponerla en una forma algo diferente y msconveniente mediante la sustitucin de cpK para

h, definiendo a Hs = cptw + Hvxs, como laentalpa del aire saturado a la temperatura del

agua; as cmo a Ha = cpta + Hvx como laentalpa promedio de la corriente de aire local(es decir, no considerando la entalpa desobrecalentamiento en el aire hmedo), yomitiendo la diferencia en las tasas de flujo desalida-entrada del agua, resultantes de laevaporacin de la misma, de la siguientemanera:

= ( + )

= Donde Hses la entalpa del aire saturado a latemperatura de agua local y Ha la entalpamedia de la corriente de aire.

Diferencia de temperaturas efectivaLa relacin de la Ecuacin 19.3 se aplica a lascondiciones locales dentro de la torre derefrigeracin. Determinar la performancegeneral requiere una integracin similar a lallevada a cabo por la diferencia de

temperaturas media logartmica de unintercambiador de calor convencional. En elexamen de la Ecuacin 19.3 se puede ver queHs y Ha dependen de la temperatura del agua,y las otras cantidades no lo hacen. Enconsecuencia, reordenando los trminos, laintegracin entre la entrada y la salida da

=

=

Donde V es el volumen activo en pies cbicospor pie cuadrado de rea de seccin


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transversal horizontal. La entalpa de airesaturado no vara linealmente con latemperatura, y esto impide realizar lassimplificaciones que suelen ser posibles en elanlisis de rendimiento del intercambiador de

calor. La naturaleza del problema puede servisualizado mediante el examen de la Figura19.7. Esta figura muestra la entalpa del airesaturado como una funcin de la temperaturalocal del agua, junto con la entalpa real delaire hmedo en una torre. Dado que el calorespecfico del agua es esencialmente constante,y puesto que la cantidad de calor cedida porel agua es igual a la absorbida por el airepara cualquier cambio dado en la temperatura

del agua, la entalpa local del aire hmedo Havara linealmente con la temperatura local delagua. Debido a que la obtencin de ladiferencia media logartmica de temperaturasdepende de una relacin lineal entre laentalpa y la temperatura para ambos fluidos,una diferencia media logartmica entalpas nopuede ser empleado. El procedimientosubsiguiente obvio es la integracin de laEcuacin 19.4 utilizando tcnicas grficas onumricas.

Factor caracterstico de la torreAl examinar la Figura 19.7 y la Ecuacin 19.4se puede observar que la distancia verticalentre las dos curvas representa la diferencia deentalpa Hs - Ha en la integral de la Ecuacin19.4. As, en una segunda curva, tal como laFigura 19.8, pueden representarsegrficamente para 1/(Hs - Ha) como unafuncin de la temperatura local del agua, y el

valor de la integral se puede determinarmediante la obtencin del rea bajo la curva.La cantidad resultante KaV/Lwconocida comoel factor caracterstico de la torre, es por lo tantouna funcin de la temperatura de bulbo hmedodel aire, a la entrada y la salida; y de lastemperaturas de entrada y salida del agua.Estos se pueden expresar en trminos de laaproximacin de temperaturas, el rango detemperatura del agua, y la relacin de la tasade flujo de agua a la tasa de flujo de aire. Sipara una variedad de condiciones deben serrealizados muchos clculos, se puede ahorrar

mucho tiempo mediante el uso de un grfico talcomo el mostrado en la Figura 19.9. Un grficosimilar e independiente de la Figura 19.9 debeestar preparado para cada combinacinrepresentativa de temperatura de bulbo

hmedo del aire a la entrada y del rango detemperatura del agua en la regin de intersde modo que se necesita un conjunto de 50 o100 cartas para clculos rpidos y precisos.

La cantidad de calor que puede ser eliminadapor unidad de volumen de la torre derefrigeracin depende de la geometra delrelleno de la torre y del sistema de distribucinde agua. El rea de transferencia de calorefectiva resultante es un factor particularmente

difcil de evaluar, porque no hay una buenamanera de determinar la superficie media delas gotas formadas por salpicadura o rociado.Los valores para "a" comnmente varan de 2 a6 pies2/pies3(6,5 a 20 m2/m3).

Cuando un conjunto de grficas de rendimientosimilar a la Figura 19.9 no est disponible, laintegracin grfica o numrica de la Ecuacin19.4 se vuelve muy lenta (o consumendemasiado tiempo) si una variedad de casos ha

de ser investigado. Mientras que el mtodo dela entalpa media logartmica basado en lasdiferencias de entalpas, a la entrada y a lasalida, subestimara el valor del factorcaracterstico de la torre KaV/Lw, la curva paraHs en la Fig. 19.7 podra ser sustituida por unalnea recta trazada de la manera mostrada enla Figura 19.10 para dar la misma rea bajola curva. La posicin de esta lnea se puededefinir mediante la introduccin de una

correccin de la entalpa h, donde

=1+ 24 Hs1y Hs2son los valores de Hsen la salida y lasentradas, respectivamente, y Hsmes el valor deHsevaluado a la temperatura media del agua(tw1+tw2)/2.

Si H1y H2son las diferencias de entalpa ala entrada y a la salida entre las curvas de Hs

y Ha mostrados en la Figura 19.10 una


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diferencia de entalpa media logartmica

aproximada, HMahora se puede definir como

= 12.3log[ /1 ]El grfico de la Figura 19.11 da los valores dela correccin entalpa h como una funcin dela temperatura de salida de agua para unaserie de valores del rango de temperaturas.

El factor caracterstico de la torre puedecalcularse a partir

=

1

El error involucrado en la estimacin del factorcaracterstica de la torre mediante el mtodoentalpa media logartmica corregido espequeo y normalmente aceptable.

Efectos de la geometra del rellenoUn interesante conjunto de datos se hanpublicado sobre el desempeo de las diversasgeometras de la matriz de relleno de una torrede enfriamiento, como la que se muestran en lafigura. 19.3. Uno de los resultados ms

importantes es que, para una geometra dematriz dada, el factor caracterstico de la torreKaV/Lwes casi directamente proporcional a laaltura de la seccin de relleno. Este efecto semuestra en la figura. 19.12, en el que el eje deabscisas da la altura de la seccin de relleno entrminos del nmero de paneles o grillas(parrillas) del relleno. La lnea de puntos de losdatos de la Figura 19.12 en coordenadaslogartmicas, muestra que el factorcaracterstico de la torre vara en algunapotencia de la relacin de flujo Lw/G, de modoque la performance de las matrices de rellenoensayados se podra aproximar bastante bienpor

= 0,07 +

Donde N es el nmero de paneles; A y n sonconstantes para cualquier matriz dada. LaTabla 19.1 resume los valores encontrados

para estos coeficientes para relacionar losdatos de la geometra de la Figura 19.3 para

agua de entrada caliente a una temperatura

de 120 F (49 C).

Sucede que efectos secundarios provocanalgunos cambios en el rendimiento de la torre,

con la temperatura de entrada de agua, queno estn incluidos en la Ecuacin 19.7. Estosefectos varan sustancialmente de unageometra de matriz de relleno a otra, pero lafigura. 19.13 muestra los datos para tres casostpicos. Tenga en cuenta que estos efectospueden cambiar el factor caracterstico de latorre hasta en un 15%.

Cada de presin del aireLa cada de presin del aire a travs de una

torre de refrigeracin de tiro forzado, dependeen parte de la geometra del relleno y en partede la tasa de flujo de agua, ya que las gotitasque caen tienen un rea total de superficie quepuede ser sustancialmente mayor que la delrelleno. Esto implica que la expresin para lacada de presin debe tener dos trminos: elprimero, funcin de la geometra de relleno yla tasa de flujo de aire; y el segundo funcin dela geometra de relleno y tanto las tasas de

flujo de agua como la de aire. Los datos paratorres con las matrices de relleno de la Figura.19.3 se representaron mediante curvas talescomo las de la Figura 19.14. Estos fueronanalizados y se encontr que los datos deprueba puede ser bien correlacionados por

= 0,0675+ 0,0675

Donde P es la cada de presin del aire en

libras por pie cuadrado, aes la densidad delaire seco en libras por pie cbico de mezclavapor-aire, B y C son constantes como las dadasen la Tabla 19.2. La cantidad "cada libremedia" es la distancia vertical en pies que lasgotas de agua caen entre los listones en elrelleno. Este factor es una funcin tanto del reade flujo libre del relleno como del espaciadovertical de los paneles. Los valores para esta


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cantidad se dan en la Tabla 19.2 para lasmatrices de la Figura 19.3. La cantidad Geqesuna tasa de flujo de masa de aire equivalentecorrespondiente a la velocidad del aire enrelacin con las gotas de agua que caen, y por

lo tanto depende tanto de la tasa de flujo deaire como de la distancia media que recorreuna gota de agua en cada sin obstculos. Larelacin entre el Ga, Geq y la cada libre mediase muestra en la figura. 19.15.

Efectos de las condiciones del diseosobre el tamao de la torreEl rango de temperaturas, la temperatura debulbo hmedo y la aproximacin detemperaturas, afectan (en conjunto) el tamaode la torre de refrigeracin; estos efectos seincluyen implcitamente en la Ecuacin 19.4.Para mostrar la tendencia general de estosefectos, los clculos se han realizado para eltamao de la torre de enfriamiento conrespecto a la de una unidad de referenciaevaluado para: una temperatura de bulbo

hmedo de 75 F, rango de 25 F y un

acercamiento de temperaturas de10 F. Parauna temperatura de bulbo hmedo de entradade aire dado y un descenso de la temperaturadel agua, la Fig. 19.6 indica que el tamao dela torre vara ampliamente con la aproximacinde temperaturas de diseo. Esta curva es otroejemplo que muestra lo difcil que resulta llevarla temperatura de salida del fluido calientehacia abajo cerca de la temperatura deentrada del fluido fro. La Figura 19.17 muestrael efecto sobre la temperatura de bulbohmedo del aire de entrada en el tamao de la

torre requerido para una tpica aproximacinde temperaturas y un rango tpico detemperatura del agua. Del mismo modo, la Fig.19.18 ilustra el efecto de rango detemperatura del agua sobre el tamao relativode la torre.

Limitaciones prcticas sobre las tasas deflujo de agua y aireLa cantidad de refrigeracin obtenible con unatorre en las condiciones de principal inters, esinsensible a las tasas de flujo de aire-agua atravs de la torre si la relacin entre el flujo de

agua al flujo de aire se mantiene constante.Como se puede deducir de la Figura 19.7, parauna condicin de entrada de aire dada, laentalpa del aire de salida depende de larelacin de Lw/G que es consistente con las

caractersticas de los intercambiadores de calorconvencionales. Por lo tanto hay un fuerteincentivo para aumentar las tasas de flujo defluidos a travs de la torre hasta que se tornadificultoso debido a la pobre distribucin delflujo de agua a altas tasas de flujo de la misma,o por los excesivos requisitos de alimentacindel ventilador. Con torres de relleno, elequilibrio entre las exigencias de capital y loscostos de energa del ventilador normalmente

limita la potencia del ventilador, y por lo tantola tasa de flujo de aire mximo aaproximadamente 1800 lb/hm2. Una pobre(mala) distribucin del flujo de agua sobre elrelleno se experimenta comnmente en las tasasde flujo de agua en exceso de alrededor de3000 lb/hm2, ya que si la tasa de flujo deagua se incrementa demasiado, el agua cae engrandes chorros en lugar de caer en forma deaerosol, de modo que el rea de superficieefectiva se reduce. Esta condicin se conocecomo inundacin. Por otro lado, si el flujo degotas de agua a alrededor de 600 libras/hft2,o menos, la tensin superficial hace que el aguafluya a travs de canales. Esto da una pobredistribucin de flujo de agua, y, por lo tanto,una marcada cada en el rendimiento. Loslmites de flujo de agua impuestos por estascondiciones, por supuesto, varan de acuerdocon la geometra interna de la torre, pero losvalores dados representan la habitual para un

buen diseo.

El consumo de aguaEl consumo de agua de una torre deenfriamiento depende no slo de la carga decalor, sino adems de la relacin de lascantidades de calor transportado por elaumento de la temperatura del aire y porevaporacin del agua. En un buen diseo de latorre, la cantidad de agua perdida en formade gotitas suspendidas en la corriente de airede salida es por lo general menos de 1% delconsumo de agua. As, el consumo de agua


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Wwde una torre de enfriamiento puede estarrelacionado con la tasa de flujo de aire y elvapor de agua contenido en el aire de entraday salida: x1y x2de la siguiente manera:

= 1Si el aire que entra en la torre est saturado,tanto como un tercio del calor extrado delagua puede entrar en el calentamiento del aire(servir para calentar el aire), mientras que elresto ir a la evaporacin del agua (y el restose destinar para evaporar el agua). As, elconsumo de agua ser slo dos tercios de lo quese requerira si toda la carga de calor seemplease en la evaporacin del agua. Por otra

parte, bajo condiciones inusuales de cargasligeras, con un rango de temperatura bajo yaire muy seco, la evaporacin del agua puedede hecho reducir la temperatura de bulbo secodel aire para que el calor sea ms bienremovido que aadido al aire, y la cantidad decalor que va a evaporar el agua en realidadsupera la carga de calor en la torre.

Slidos disueltos en agua de rellenoSi, como es generalmente el caso, hay una

concentracin apreciable de slidos disueltos enel agua de relleno, esta concentracin aumentaa medida que el agua se evapora. Para evitarla des incrustacin de las superficies dentro dela torre, es mejor escurrir (drenar) una porcindel agua para reducir la concentracin de losslidos. Esta operacin es anloga a la purgade calderas. De esta forma la concentracin deslidos se puede mantener a un valor tal que losdepsitos desagradables no se forman. En

algunos casos, puede ser que valga la penaemplear un tratamiento de ablandamiento delagua para el agua de reposicin.

Dependiendo del tipo de aplicacin, el aguafra puede extraerse del depsito en la basede la torre y se bombea a intercambiadores decalor en otros puntos de la planta, o el fluidocaliente en la planta puede ser conducido a labase de la torre de enfriamiento a unos bancosde tubos dispuestos de modo que se enfra

directamente por el agua que cae a medidaque alcanza la base de la torre.

RecirculacinComo se mencion anteriormente en estecaptulo, bajo algunas condiciones de viento unaparte del aire caliente y hmedo que sale de latorre puede recircular a travs de la entrada

de la misma y por lo tanto disminuir elrendimiento. Si un gran nmero de unidadesest dispuesto en una fila larga una dificultadsimilar es probable cuando la direccin delviento es ms o menos paralela a la longitud dela fila. En un esfuerzo por comprender losefectos de la mayora de los parmetrosinvolucrados, un procedimiento detallado deprueba fue elaborado sobre la base deinstrumentos porttiles, y este equipamiento se

emple para probar 30 torres de refrigeracindiferentes. Se ha hecho todo lo posible paraque la prueba sea lo ms coherente posible,teniendo en cuenta la gran variedad deunidades de prueba, es decir, torres de tiroforzado e inducido, torres de contraflujo y deflujo cruzado, torres de longitudes de 36 a 361pies, anchos de torre de 13 a 68 pies, alturasde marcos de torre que van desde los 19 a los55 pies, y alturas de chimenea (que aloja alventilador) de 7 a 17 pies.

Los resultados de las pruebas mostraron que lastorres de tiro forzado dieron tasas derecirculacin casi el doble que para las torresde tiro inducido. Dado que la mayor parte delas torres analizadas eran del tipo de tiroinducido, los resultados de las pruebas de estosse representan como funciones de variasvariables. Los dos nicos parmetros quemuestran efectos bien definidos fueron la tasa

de flujo de agua y la longitud de la torre(Cuando una multiplicidad de unidades estdispuesta en una fila larga, la longitud de latorre se toma como la longitud de todo elconjunto.) Un anlisis de los datos mostr queuna buena correlacin para los efectos de estosdos factores se podra obtener mediante laaplicacin de una correccin a la temperaturade bulbo hmedo. Esta correccin para un

rango de refrigeracin 20 F y un acercamiento

de 10 F se muestra en la Figura 19.19. Latabla debajo del grfico contiene los factores


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que se aplicarn a las curvas de la Figura19.19 para obtener la correccin apropiadapara otro rango y los valores de aproximacina la temperatura de bulbo hmedo. Tenga encuenta las dos curvas que se dan en la Figura

19.19: una, la asignacin de recirculacinrecomendada, y la otra el cupo mximo deprobabilidades de ser necesario.

Los compromisos de diseoEl diseo de una torre de refrigeracin implicanormalmente no slo compromisos en el diseodetallado de la misma, sino tambin en laseleccin de las condiciones de diseo de latorre de enfriamiento. El costo de la torre derefrigeracin, del agua consumida, y de lapotencia del ventilador requeridos para unaaproximacin de temperatura dada, deben sercuidadosamente equilibrados contra el valor deuna reduccin en el acercamiento detemperaturas. Esto es cierto particularmentepara aplicaciones de aire acondicionado en elque la carga ms pesada en la torre, y lascondiciones ms difciles de cumplir, seproducen durante un relativamente pequeonmero de das al ao, por lo que si estas

condiciones deseadas se puede comprometerun poco, se puede efectuar ahorros sustancialesen el coste de la torre.

Procedimiento para estimar el tamaode una torre de refrigeracinUna variedad de tcnicas para el diseo de lastorres de refrigeracin estn en uso, muchos deellos implican el uso de grficos.

Si una persona que no est bien versada en el

diseo de las torres de refrigeracin deseahacer una estimacin preliminar del tamao ycosto de un proyecto de torre de conveccinforzada para una aplicacin especial y, tienepoca informacin a la mano adems de la sque incluye aqu, puede emplear el siguienteprocedimiento:

1. Elegir las condiciones de diseo, es decir, latemperatura del agua de entrada y salida, y latemperatura de bulbo hmedo del aire a la

entrada.

2. Preparar un diagrama de entalpa-temperatura similar a la Figura 19.7.Seleccionar la entalpa del aire a la salida detal manera que la pendiente de la lnea parala entalpa del aire sea igual a la pendiente de

la curva de la entalpa del aire saturado a latemperatura de salida del agua. (Este es unpaso arbitrario, pero uno que por lo generalofrece un conjunto razonablemente bueno deproporciones, porque en general es deseabletener un mnimo de fuerza impulsora detransferencia de calor en la parte inferior de latorre Al mismo tiempo el aumento de entalpadel aire debe ser tan grande como sea posiblepara reducir al mnimo los requisitos de energa

de bombeo de aire)3. Trazar una curva similar a la de la Figura19.8 para 1/(Hs-Ha) como una funcin de latemperatura del agua.

4. Usando la regla de Simpson, determinar elrea bajo la curva obtenida de la etapa 3, yde ella el valor requerido para la caractersticaKaV/Lw.

5. Elija una geometra de matriz del relleno a

partir de la Figura 19.3, y obtener los datos desus principales caractersticas de la Tabla 19.1.

6. De la Figura 19.13 estimar el efecto en elfactor caracterstico de la torre KaV/Lwcon ladesviacin de la temperatura del agua de

entrada desde los 120 F para lo cual seprepararon los datos de la Tabla 19.1.

7. Usando la curva de entalpa del aire de laetapa 2, determinar Lw/G de lasconsideraciones del balance de calor. (Lw/G es

igual a la pendiente de la lnea de entalpa delaire).

8. Sustituir los valores obtenidos en el paso 7para KaV/Lw, A, (Lw/G) y n en la Ecuacin 19.7para obtener el nmero de paneles N y, por lotanto, la altura de la parte empacada de latorre.

9. Para el Lw/G de la etapa 7, determinar latasa de flujo de aire para un flujo de agua de

2.500 lb/hft2

. Si el flujo de aire resultantesupera 1600 lb/hft2, determinar el flujo de


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agua que corresponde a un flujo de aire de1600 lb/hft2.

10. Determinar el rea de la seccin transversalde la torre empleando la tasa de flujo de aguapor unidad de rea dada por el paso 9 y latasa de flujo total de agua establecida en elpaso 1.

11. Seleccionar las dimensiones horizontales dela torre para obtener el rea definida por elpaso 10, manteniendo la dimensin en ladireccin del viento predominante a no menosde la altura de empaque y no ms de 40 pies.La altura total debe ser aproximadamente laaltura de empaque ms una y media veces la

profundidad en la direccin del vientopredominante.

Evaluacin de las pruebas deaceptacinBastante a menudo, una torre de enfriamientose ha completado y est lista para las pruebasde aceptacin en un momento en que lascondiciones climticas dan temperaturas debulbo hmedo mucho ms bajas que lastemperaturas crticas para las que la torre fue

diseada. Por lo tanto, es necesario llevar acabo las pruebas de aceptacin y aplicarcorrecciones para determinar si la torre deenfriamiento cumple con las condiciones dediseo. La relacin presenta en la Ecuacin 19.4es apropiada para este tipo de correcciones yconforma la base para el procedimiento decorreccin estndar que ha sido aprobada porel Instituto de Fabricantes de Torres deRefrigeracin.

CostoEs evidente, a partir del material anterior quees difcil estimar el costo de una torre derefrigeracin para un conjunto dado derequisitos porque hay demasiadas variables.Para proporcionar una base para las sperasestimaciones preliminares, la Tabla 11.2 seindica el costo de las pequeas torres derefrigeracin para sistemas de aireacondicionado. Tenga en cuenta que la tasa de

flujo de agua es probablemente el mejorparmetro a emplear en la estimacin del

tamao y costo de las torres de refrigeracinms grandes.

Ejemplo 19.1 No traducido

RAZONES PARAINCERTIDUMBRES GRANDESLas grandes diferencias entre el rendimientoprevisto y medido de las torres de refrigeracinhan sido conocidos por ms de 50 aos. Unagran cantidad de datos ha sido acumulada porlos fabricantes, pero gran parte de esto escelosamente custodiado como informacinpropietaria. La creciente necesidad pormanipular en grandes torres de refrigeracin elcalor emitido por las plantas de energa hadespertado un nuevo inters en esta materia,de manera que los programas de larga datadel Instituto de Torres de Enfriamiento se hancomplementado con nuevos programaspatrocinados por el Instituto de Investigacin deEnerga Elctrica (EPRI) y la SociedadAmericana de Ingenieros Mecnicos. Granparte de este nuevos esfuerzos se ha debido ala esperanza de que la complejidad cada vez

mayor de los clculos posibles por lacomputador operara con modelos matemticosmucho ms elegantes que permitan reducir lasincertidumbres de quizs 30 % a no ms del 10%. Un nmero de tales modelos se handesarrollado y evolucionado en los programasde ordenador.

Sin embargo, incluso las predicciones derendimiento obtenidos con estos nuevosprogramas no siempre comprueban bien con los

resultados de las pruebas.

En vista del hecho de que muchos ingenieros muycompetentes han abordado los problemas deprediccin del rendimiento de una torre deenfriamiento con un xito limitado, uno esllevado a sospechar que las variacionesaleatorias e impredecibles en la distribucin delflujo, pueden ser responsables de lasdiferencias entre el rendimiento previsto y losresultados de las pruebas. La desviacin de laidealidad parecen ser de la misma naturalezaque los discutidos en el Captulo 8. Esta opinin


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se ve reforzada por el hecho de lasdesviaciones con respecto a la performanceprevista son mayores en tiro natural que en lastorres de enfriamiento de tiro forzado, unatendencia que debe esperar porque la carga

dinmica del viento representa una fraccinsustancialmente mayor de la cada de presina travs torres de tiro natural que para lastorres de tiro forzado. No slo puede cambiarla velocidad y la direccin del viento (o ambos)adems de la cantidad de recirculacin, puestambin puede cambiar el patrn de flujodentro de la torre de enfriamiento, por lo quegrandes segmentos de relleno puedenpresentar remolinos que vuelven a la regin

ineficaz porque velocidad de aire es baja oincluso con recirculacin interna. Lasposibilidades de estos remolinos se puedenprever fcilmente para cualquier torre deenfriamiento dada al tratar de esbozar lospatrones de flujo que pueden desarrollarse enla zona de entrada para algunos de los menosfavorables de toda la gama de posibilidadesde direccin y velocidad del viento. Uno nopuede predecir con certeza si se van a formartales remolinos o cul podra ser su magnitud,pero la posibilidad de que las grandesdesviaciones de una distribucin de flujoideales, sin duda existe, y un patrn de flujoturbulento a gran escala es tan impredeciblecomo el clima, cuyo caprichos tambindependen de combinaciones aleatorias deturbulencia a gran escala reales y de losefectos de conveccin trmica.

Efectos de la distribucin de flujo de

aguaOcurre que una irregularidad en la distribucindel flujo de agua es una desviacin de laidealidad, cuyos efectos se pueden examinarcuantitativamente mediante el uso de la curvacaracterstica incluida en este captulo.Empleando la Figura 19.9, considerar losefectos de una regin local que tiene un flujo deagua 25 % mayor que el promedio, cuando sesupone que la torre ser operativa con Lw/G =2 y una aproximacin de temperatura de 10

F, lo que determina que el parmetro KaV/Lw

= 3,4. En la regin de flujo de agua ms altode lo normal, el valor de Lw/G sera de 2,5,mientras que KaV/Lw sera igual a 2,72. Estoproduce una aproximacin de temperaturas

igual a 15 F si no se tiene en cuenta la

reduccin en el flujo de aire local, resultante dela resistencia adicional al flujo de aire causadopor el aumento del flujo de agua. De la Figura19.14 parece que el flujo de agua ms altoaumentara la cada de presin de aire enalrededor de 15 %, lo que llevara a unareduccin en el flujo de aire en alrededor de 7%. Esto causara un aumento adicional en elvalor de Lw/G a aproximadamente 2,7, dando

una aproximacin de temperaturas de 16,5 F.

El examen de la Figura 19.16 indica que esteexceso local de agua del 25% reduce elrendimiento de la seccin afectada de la torrea la de una torre de la mitad del tamao! Esteejemplo da una idea de la medida en que lastorres de refrigeracin pueden sersorprendentemente sensibles a las desviacionesaparentemente pequeas de la idealidad.

PROBLEMAS AMBIENTALESEl penacho de vapor hmedo emitido por laschimeneas de las torres de refrigeracin puedecausar dificultades tales como parchespeligrosos de niebla en las carreteras, y lasgotitas finas arrastradas desde los chorros deagua pueden ser un problema inmediato afavor del viento de la torre. Como consecuencia,parte del elaborado proceso de satisfacer losrequisitos de concesin de licencias de la EPA,es la estimacin de las caractersticas de lacolumna de humo de la torre de enfriamientobajo la gama completa de viento y posiblescondiciones de inversin trmica que se esperanen el lugar propuesto. Para ayudar a satisfacerestos requisitos, las pruebas de tnel de vientoextensas (como las de Ref. 16) se han llevado acabo para investigar los efectos del terreno, yse han desarrollado programas informticoselaborados (como el de Ref. 17).


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CARGAS DE VIENTOLos problemas estructurales que plantean lascargas de viento se manejan fcilmente por laprctica del diseo de construccin convencional

para las torres de refrigeracin ms pequeosy de tamao medio, pero el enorme tiro torresde enfriamiento de conveccin natural como lasde la Figura 19.4 se encuentran en una clasemuy diferente: son lminas delgadas algo ascomo las estructuras de aeronaves en los que elpandeo a gran escala puede ocurrir comoconsecuencia de cargas aerodinmicas en unfuerte viento. Tan delgado como la cscara dehuevo es un modismo que da una vvidaimpresin de fragilidad, sin embargo, el grosorde una cscara de huevo es deaproximadamente 1% de su dimetro, mientrasque el espesor 127 mm (5-in) de las corazas dehormign armado de las torres de refrigeracinde Ferrybridge fue slo aproximadamente0,14% de su 91 m (300 pies) de dimetro. Laposibilidad de pandeo a gran escala de estaslminas de hormign fino fue apreciada y laspruebas de tnel de viento se realizaron enInglaterra para proporcionar datos sobre las

fuerzas aerodinmicas que se generaran en losvientos con fuerza de huracn. Este trabajoincluy incluso de carcasas finaselectroformadas de nquel para investigar elpandeo. A pesar de este trabajo, tres de unconjunto de ocho grandes torres derefrigeracin en la planta de Ferrybridge de laCentral Electricity Generating Board sedoblaron y colapsaron en una fuerte tormentael 1 de noviembre de 1965. Estas torres eran

de 114 m (375 pies) de alto y 91 m (300 pies)de dimetro en la base, y las lminas dehormign eran de 127 mm de espesor. La graninversin, no slo en las torres de Ferrybridge,sino tambin en muchas otras unidades similaresen el Reino Unido propici una investigacinexhaustiva. Ninguno de los muchos factores quese encontraron, que pudieran haber contribuidoa los fracasos, se consideraron responsablessalvo que, el comit consider que lainvestigacin de la complejidad de losproblemas y la posibilidad de una acumulacindesfavorable de incertidumbres

comparativamente pequeas, hacenaconsejable utilizar un factor mucho msgrande de seguridad que el factor de 1,25 quese haba utilizado.

TORRES DE ENFRIAMIENTO ENSECOLa construccin de las nuevas plantas deenerga, est restringido en algunas zonas,debido a que el suministro de agua no es ansuficiente para una torre de refrigeracinhmeda que consume alrededor de 10,000gpm (631 L/s)/1000 MWe, slo alrededor del2% del flujo de agua de los condensadores

convencionales de las turbinas a vapor. No essorprendente encontrar que esto ocurre en elsuroeste de los EE.UU., pero es cierto, en laregin central de Inglaterra. All una de lasprimeras grandes instalaciones de torres deenfriamiento en seco se hizo en la dcada de1960 debido a que los pequeos ros quedrenan esa nacin-isla eran apenas suficientespara satisfacer las necesidades domsticas eindustriales en las zonas industrializadas.

Aunque el costo de torres de enfriamiento enseco es aproximadamente cuatro veces mayorque la de torres de refrigeracin hmeda, porlo que su uso lleva a un aumento en el coste decapital de una planta de vapor de agua enaproximadamente un 30%, no hay alternativaen algunas reas.

Las instalaciones tpicasUn nmero sorprendentemente grande de lasplantas que utilizan torres de enfriamiento en

seco se han construido a partir de 1970 o seencuentran en construccin en el momento de laescritura de este documento. En las ridasllanuras y los valles de los Estados Unidosoccidentales hay varias instalaciones. Una delas primeras de las grandes instalaciones es unaplanta de 300 MW en Dakotas que utiliza unatorre de refrigeracin de tiro forzado. Otra esla planta Wyodak 330 MWe en las minas decarbn de Wyoming; se condensa el vapor

directamente en bobinas refrigerados por aire.Este enfoque tiene la desventaja de que se


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requieren grandes tuberas para manejar elgran volumen de vapor de baja presin, peroevita las prdidas de temperatura implicados sise emplea un circuito de agua de enfriamientointermedio. Otro ejemplo es el de la central San

Juan II, cerca Farmington, Nuevo Mxico, la queutiliza un circuito de agua intermedia. Tambinemplea una seccin hmeda suplementario en latorre para el uso con cargas pesadasparticularmente en los das calurosos; elrelativamente pequeo consumo de agua paraestas condiciones de carga mxima esaceptable, y la capacidad de enfriamiento enseco reducido permite un marcado ahorro en loscostos de capital. Un tercer enfoque ha sido

probado en la estacin de Kern en Bakersfield,California; se condensa el vapor de turbinasmediante la evaporacin de amonaco y luegose condensa el amonaco en una torre derefrigeracin en seco. Este sistema evita laprdida de temperatura asociada que con lacada de temperatura en un circuito de agua,ya que, como en el tubo de calor, hay pocadiferencia de temperatura entre el punto deebullicin y condensacin de amonaco. Sucedeque la densidad del vapor cae tanrpidamente por debajo de alrededor de 38

C (100 F) que se convierte en rentable paraconstruir turbinas suficientemente grandes comopara manejar la situacin. Este no es el casopara el amonaco, debido a que su densidadde vapor es de aproximadamente 200 veces

mayor que la de vapor de agua a 38 C. Porlo tanto l sistema de amoniaco tiene la ventajaadicional en un clima fro de que el amoniaco

se puede hervir en alrededor de 40 C y seexpande a travs de la turbina en un ciclocompleto cerca de la temperatura del aireambiente, para producir energa adicional yaumentar la eficiencia trmica de la planta.Una planta de 30 MWe de este tipo se hapuesto en servicio por Electricit de France. Eluso de amonaco tambin evita el problema dela congelacin en el invierno en los climas fros,lo que fue otra razn por la que el ciclo devapor de amonaco con una torre de

enfriamiento en seco fue elegido pararecuperar energa de los gases de escape de

una turbina de gas en una estacin de bombeode tuberas en Alberta, Canad. El ciclo devapor de vapor de agua-amonaco Kalina estambin muy adecuado para usar con torres deenfriamiento en seco. Las excelentes

propiedades de transferencia de calor deamoniaco hacen que sea especialmenteadecuado para estas aplicaciones. Algunasinstalaciones bastante grandes de torres deenfriamiento en seco se han construido en otrospases. Varios han sido fabricados en frica delSur, uno de los cuales cuenta con seis torres derefrigeracin en seco de conveccin natural, de150 m (500 pies) de alto, cada unodescartando el calor de una unidad de turbina

de 670 MWe de vapor. Otra planta en laprovincia rida de Shanxi, China utiliza torresde enfriamiento en seco para dos unidades de200 MWe.

Los problemas de diseoUn buen nmero de estudios se han dirigido alprincipal problema de las torres deenfriamiento en seco, es decir, su alto costo.Idealmente, una matriz de transferencia decalor muy finamente dividido con separaciones

de platos tal vez la mitad de la menor de lasde la Figura 14.3 reducira a la mitad el reade superficie, los requisitos de peso de metal, ypor lo tanto el costo de los intercambiadores decalor junto con el tamao y el costo de laestructura de la torre. Sin embargo, los finospasajes seran sensibles al ensuciamiento por labasura y restos de plantas acarreadas por elviento, y sera difcil de limpiar, por lo que esteenfoque no parece ser factible para la mayora

de los sitios. Los nicos metales que tienen unaalta conductividad trmica que seranadecuados son el aluminio y el cobre. El cobreproporciona una excelente resistencia a lacorrosin, pero es caro. El aluminio puede seradecuado en algunas instalaciones, pero en laprimera instalacin de la torre de enfriamientoen seco grande en Inglaterra la corrosin delaluminio finaliz la operacin en dos aos. Losproblemas sutiles de la suciedad y la corrosinson dependientes del sitio, y la relacin costo-beneficio de las distintas posibilidades slo


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puede evaluarse despus de una ampliaexperiencia en pruebas de campo.

cooling towers 19 traducido

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