EQUIPOS INDUSTRIALESPROGRAMA DE MULTI-ESPECIALIZACION DE OPERADORESRefinera Gualberto VillarroelDocente: W. Gonzales M.

Cochabamba - 2005

OBJETIVO DE LA MATERIA Estudiar los fenmenos fsicos que se presentan en distintos equipos industriales: Sistemas de torres de enfriamiento, sistemas de refrigeracin mecnica, sistemas de intercambio de calor y sistemas de impulsin.

Conocer los distintos tipos de equipos y sus parmetros principales de operacin.

Evaluar la eficiencia trmica de funcionamiento de todos los equipos y condiciones apropiadasa de funcionamiento y operacin.

Entender el efecto de la humedad del aire en sistemas de intercambio de calor que trabajan con aire hmedo.W. Gonzales M.

CONTENIDOSistemas de torres de enfriamiento

Sistemas de refrigeracin mecnica

Sistemas de Intercambiadores de calor

Sistemas de impulsin

W. Gonzales M.

Captulo ISistemas de Torres de Enfriamiento Aire seco y aire hmedo Efecto de altura en la presin Propiedades del aire hmedo Carta psicromtrica Principio de funcionamiento de la torre Tipos de torres Parmetros que definen eficiencia de torres Potencial entlpico Consideraciones de seleccin Mantenimiento de torres Torres de tiro forzado y tiro inducidoW. Gonzales M.

W. Gonzales M.El aire seco El aire seco es una mezcla de gases (ver tabla) que forma una capa que envuelve a la tierra, llamada atmsfera en la cual nos encontramos sumergidos. Captulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

ElementoSmbolo% en volumenOxgenoO220,93NitrgenoN278,10ArgnAr0,9325Dixido de CarbonoCO20,03HidrgenoH20,01NenNe0,0018HelioHe0,0001XennXe0,000009

W. Gonzales M.El aire hmedo El aire hmedo es una mezcla binaria, de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor de agua en el aire hmedo vara desde cero (aire seco) a mximo que depende de la temperatura y presin. Esta ltima condicin se refiere a la saturacin, un estado de equilibrio neutral entre el aire hmedo y la fase de agua condensada (lquida o slida). A menos que en otra situacin, la saturacin se refiera a la superficie plana de interfase entre el aire hmedo y la fase condensada. El peso molecular del agua es 18.01528 en la escala del Carbono-12. La constante de los gases para el vapor de agua es:Rw = 1545.32/18.01528 = 85.778 ftlb /lbRCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Efecto de la altura en la presin atmosfrica (Barmetrica) Captulo ISistemas de Torres de EnfriamientoLas ecuaciones son precisas para valores desde 16500 ft hasta 36000 ft.Z= Altura (ft)P=Presin (in Hg)T=Temperatura (oF)

W. Gonzales M.Propiedades del aire hmedo

Densidad

Humedad relativa

Temperatura de bulbo hmedo

Temperatura de bulbo seco

Entalpia

Humedad absoluta

Captulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Temperatura de Bulbo HmedoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoPara cualquier estado de aire hmedo, una temperatura t* existe a la cual agua lquida o slida se evapora en el aire para saturarlo exactamente a esta misma temperatura y presin (Harrison 1965). Durante el proceso de saturacin adiabtica, el aire saturado es expulsado a una temperatura igual a la del agua inyectada.

El psicrmetro consiste de dos termmetros; el bulbo de un termmetro esta cubierto por una mecha humedecida con agua. Cuando el bulbo hmedo es ubicado en una corriente de aire, el agua se evapora de la mecha, eventualmente alcanzando una temperatura de equilibrio llamada temperatura de bulbo hmedo.

W. Gonzales M.Carta PsicromtricaCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Principio de Funcionamiento de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoUna torre de enfriamiento enfra agua por medio de una combinacin de transferencia de calor y masa.

El agua caliente es distribuida en al torre por rociadores, placas de salpicado, o relleno tipo pelcula, los cuales exponen una gran rea de superficie de agua al aire atmosfrico.

El aire atmosfrico es circulado en la torre mediante ventiladores, corrientes conectivas, corrientes de viento natural, etc. Una porcin del agua absorbe calor para cambiar de estado lquido a vapor a una presin constante. Este calor de vaporizacin, a presin atmosfrica, es transferida del agua que permanece en estado lquido hacia la corriente de aire.

W. Gonzales M.Principio de Funcionamiento de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Principio de Funcionamiento de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Principio de Funcionamiento de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoLa capacidad trmica de cualquier torre de enfriamiento puede ser definida por los siguientes parmetros: - Temperaturas de entrada y salida del agua.

- Temperatura de bulbo hmedo de entrada del aire

- Temperaturas de bulbo hmedo y bulbo seco de entrada del aire.

- Tasa de flujo del agua.

W. Gonzales M.Tipos de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoBsicamente existen dos tipos de dispositivos de enfriamiento evaporativo.

El primero envuelve el contacto directo entre el agua caliente y la atmsfera. El dispositivo de contacto directo (torre de enfriamiento) expone el agua directamente a la fra atmsfera; transfiriendo la carga trmica directamente al aire.

El segundo dispositivo envuelve el contacto indirecto entre un fluido caliente y la atmsfera. Las torres de contacto indirecto contienen dos circuitos separados de fluidos. El primero es un circuito externo en el cual el agua es expuesta a la atmsfera a modo de cascada sobre tubos; el segundo es un circuito interno a travs del cual circula el fluido caliente dentro de los tubos.

W. Gonzales M.Torres de Contacto DirectoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Torres de Contacto IndirectoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Torres de Rociado VerticalCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Tipos de RellenoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Torres de contacto directoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoDentro de las torres de contacto directo se tienen dos tipos de torres: Torres de Tiro Mecnico. Torres de Tiro no Mecnico.

W. Gonzales M.Torres de contacto directo de tiro mecnicoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento

W. Gonzales M.Evaluacin de capacidad trmica de torresCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoEn una torre de enfriamiento ocurre un proceso de intercambio entre el agua y el aire no saturado. Existen dos efectos que motivan este proceso: la diferencia en las temperaturas de bulbo seco y la diferencia de presin de vapor entre la superficie de agua y el aire. Estos dos fenmenos combinados forman un potencial entlpico.

El concepto de potencial de entalpa es til en la determinacin del calor total (sensible y latente) intercambiado en procesos donde existe contacto directo entre aire y agua.

W. Gonzales M.Evaluacin de capacidad trmica de torresCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoEl valor de hcA/cph, es el potencial entlpico, es una funcin de la dinmica de los patrones de flujo del aire y de la dinmica del flujo de agua en la torre de enfriamiento, sin embargo la magnitud permanece esencialmente constante para una torre de enfriamiento dada garantizndose que la velocidad del aire y del agua permanezcan constantes, una vez que estos controlan hc y el rea de intercambio de calor A.

El valor de hcA/cph es un valor que caracteriza a una torre de enfriamiento y es la base para prever el desempeo de la torre con diferentes temperaturas de agua a la entrada y otras temperaturas de bulbo hmedo del aire entrante.

W. Gonzales M.Evaluacin de capacidad trmica de torresCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoLos diseadores y fabricantes de torres de enfriamiento usan con frecuencia el Nmero de Unidades de Transferencia (NUT) para referirse al trmino hcA/cph.

Cuanto ms alto sea el valor de NUT ms prxima estar la temperatura del agua a la salida de la torre a la temperatura de bulbo hmedo del aire que entra en la torre.

W. Gonzales M.Pruebas de aceptacin de torresCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoUn fabricante de torres de enfriamiento puede garantizar que su torre enfre un flujo de agua de 35C a 30C cuando la temperatura de entrada de aire es 25C para un valor dado de hcA/cph.

Es muy probable que cuando se realiza una prueba de aceptacin la temperatura de bulbo hmedo no sea 25C y la temperatura del agua entrante en la torre tampoco sea 35C, por lo cual la prueba de aceptacin debe realizarse con los flujos y temperaturas de agua y aire disponibles.

El valor de hcA/cph calculado en la prueba de aceptacin debe igualar o aproximarse al valor de hcA/cph del fabricante, el cual puede ser obtenido de los datos de desempeo facilitados por el fabricante.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoDiseo Tiro inducido: Permite ahorrar en energa del ventilador y evita las tpicas prdidas de agua como en torres de tiro forzado. El ventilador siempre opera en una atmsfera caliente incluso en invierno, evitando los problemas de congelamiento.Diseo Flujo cruzado: Permite ahorrar en energa de la bomba de agua porque solo se debe llevar el agua a la cima de la torre, haciendo la gravedad el resto. No es necesaria una presin para inyectar el agua en la torre.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoRelleno/Persianas/Eliminadores de gotas: Las hojas de relleno tipo pelcula moldeadas en PVC que incluyen persianas (en forma de panal) y eliminadores de gotas integrados son ideales para las torres de flujo cruzado de tiro forzado. Este diseo permite minimizar la resistencia al flujo de aire, adems de la fuga de agua de las hojas de relleno. Este tipo de hojas de relleno pueden resistir temperaturas altas hasta 51.67 C (125F). Las hojas son inmunes al deterioro biolgico y corrosivo.

El relleno tipo pelcula de PVC permite a la torre de enfriamiento rechazar mayor cantidad calor de calor por unidad de tamao. Los eliminadores de gotas y persianas incluidas en las hojas de relleno permiten un mejor flujo de aire a travs del relleno ahorrando en la potencia (hp) del ventilador.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoSistema de distribucin de agua: El sistema de distribucin de agua debe contar con una recmara de salpicado en la cima de la torre, la cual ayuda a una mejor distribucin uniforme del agua sobre los rociadores y el posterior flujo por gravedad a travs del relleno.La bandeja recolectora de agua caliente debe poseer equipo estndar para mantener la bandeja libre de partculas suspendidas en el aire y reducir la posibilidad de crecimiento biolgico.Los rociadores en forma espiral, hechos de polipropileno (polypropylene) distribuidos de manera uniforme sobre la bandeja son ideales para este tipo de torres. Las grandes aberturas de los rociadores evitan el taponamiento y son fciles de remover y reemplazar.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoSistema de distribucin de agua: El patrn de distribucin del agua a travs de los rociadores y la cada de presin a travs de los eliminadores de gotas afectan la capacidad de transferencia de calor del relleno; es por esta razn que dichos elementos sean parte integral del sistema de distribucin.

Los eliminadores de gotas deben ser efectivos para las velocidades de aire donde el relleno es altamente eficiente. Relleno y eliminadores de gotas deben trabajar ambos eficientemente.Todos los componentes del sistema de distribucin de agua y transferencia de calor deben funcionar juntos para proveer un desempeo total ptimo. De manera que el aporte del conjunto sea mayor que la suma de las partes. Es tambin importante que dichos componentes provean muchos aos de servicio con un mantenimiento mnimo.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoBandeja de recoleccin de agua fra: La bandeja debe estar dispuesta de manera que se pueda tener un fcil acceso a la misma para su limpieza, adems debe permitir un apropiado flujo del agua de salida por el fondo de la bandeja o por un lado. El ventilador axial tipo hlice permite un flujo de aire con un mnimo consumo de potencia (hp), adems de contar con dispositivos de lubricacin. Los componentes del ventilador son de fcil acceso para su mantenimiento.

W. Gonzales M.Consideraciones importantes en una torreCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoProteccin contra la corrosin: Es importante que el material de una torre de enfriamiento sea de un material anticorrosivo (por ejemplo acero inoxidable o acero galvanizado), para evitar efectos corrosivos en la estructura de la torre debido al agua.Es de gran importancia tener un acceso fcil y directo a los componentes de una torre de enfriamiento (rociadores, correa en V, bandejas recolectoras, etc.) lo cual permite desarrollar un programa de mantenimiento directo.

W. Gonzales M.Necesidades de MantenimientoCaptulo ISistemas de Torres de EnfriamientoManuales de operacin y mantenimiento son comnmente facilitados por los fabricantes cuando se adquiere un equipo nuevo, sin embargo la ASHRAE propone un programa razonable para la inspeccin y mantenimiento de torres de enfriamiento.La eficiencia en la operacin y desempeo trmico de una torre de enfriamiento, depende no solo del mantenimiento mecnico, sino tambin de la limpieza. Por lo cual, una torre de enfriamiento debe incorporar un programa de mantenimiento bsico tomando en cuenta lo siguiente:

W. Gonzales M.Necesidades de MantenimientoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento- Inspeccin peridica del equipo mecnico, relleno, bandejas recolectoras de agua fra y agua caliente para asegurarse que su mantenimiento es apropiado.- Drenaje y limpieza peridica de superficies mojadas y reas de secado y mojado alterno para prevenir la acumulacin de suciedad, incrustaciones u organismos biolgicos tales como alga o limo sobre el cual pueden desarrollarse bacterias.- Tratamiento apropiado del agua circulante para el control biolgico y la corrosin.- Documentacin sistemtica de las funciones de operacin y mantenimiento.

W. Gonzales M.Simulacin de Torres de EnfriamientoCaptulo ISistemas de Torres de Enfriamiento