Investigacion de torres de enfriamiento

Universidad Veracruzana
E.E:
Operaciones de Transferencia de Masa III
(Humidificacion y Secado)
Catedrático:
Ing. Gustavo Ángel Róbelo Grajales
Presenta:
Ángel Alberto Contreras Custodio
Trabajo de Investigación:
Torres de Enfriamiento

INDICE

Introducción------------------------------------------------------------- pág. 3
Objetivo------------------------------------------------------------------ pág. 3
Temas:
1.- Torres de Enfriamiento----------------------------------- pág. 4
1.1.- Conceptos Teóricos------------------------------ pág. 4
1.2.- Componentes de una Torre-------------------- pág. 9
2.-Clasificacion de torres de enfriamiento-------------- pág. 16
2.1.- Circulación Natural----------------------------- pág. 16
2.2.- Circulación Mecánica--------------------------- pág. 18
2.3.- Otros tipos---------------------------------------- pág. 20
3.-Tipos de empaques--------------------------------------- pág. 21
3.1.- Laminar-------------------------------------------- pág. 21
3.2.- Salpiqueo------------------------------------------ pág. 22
3.3.- Análisis del Relleno----------------------------- pág. 24
4.- Historia------------------------------------------------------ pág. 28
5.- Bibliografía------------------------------------------------- pág. 30

2

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO
Introducción:

La instrumentación, diseño y simulación de dispositivos de enfriamiento
de agua ha constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de
referencia en el estudio, comprensión y aplicación de la fenomenología de los
mecanismos de transferencia de masa, energía y cantidad de movimiento [1]. Los
equipos de enfriamiento de sistemas simples como lo es el sistema aire y vapor
de agua constituyen una base fundamental en estudios preliminares de gran
aplicación a nivel industrial.

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de
agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor
sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo
aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se
centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también
reducido.

Objetivo:

En este documento se hablara sobre el funcionamiento de las torres de
enfriamiento, sobre su principal uso, sus componentes, condiciones de proceso
y también de cómo se diseñan.

[1] FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Second Edition, Chapter 15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980

3

Torres de enfriamiento

Conceptos Teóricos

1.- Torres de enfriamiento.

Las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor que enfrían agua
por medio de la evaporación. Este tipo de enfriadores se utiliza principalmente
en los condensadores industriales. Las torres de enfriamiento son usadas
cuando los rangos de enfriamiento son bajos, generalmente entre 5 y 25ºC.
La temperatura mínima que se puede alcanzar con una torre de
enfriamiento es la temperatura de bulbo húmedo del aire circundante [2].

1.1.- Conceptos Teóricos.

Humidificacion
Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de
mezclas de aire y vapor de agua, sin embargo las siguientes consideraciones se
harán para cualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor.

Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de
los gases ideales, la presión ejercida por la mezcla será igual a la suma de la
presión parcial del gas y la del vapor,
P = pv + p g

Ec.

4-1

Ec.

4-2

En estas condiciones la fracción molar del vapor es

y=

nv
p
= v
ng
P

La fracción molar es igual a la composición en volumen. Para expresar la
concentración del vapor en el gas se emplean diversos términos que se definen
enseguida.

[2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag , Fundamentos de Termodinámica, (19º edición, México, editorial Limusa , 1995), pp. 461
Ecuaciones numeradas tomadas de: Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GARCIA & GABRIEL TOJO BERREIRO

4


Conceptos Teóricos

Humedad molar o saturación molar. Es la relación entre los números de moles
de vapor de y de gas contenidos en una masa gaseosa.

Ym =

nv
p
pv
= v =
ng
p g P − pv

Ec.

4-3

Humedad absoluta o saturación absoluta. Es la relación entre el peso de
vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.
Y=

pv
Mv
Mv
Ym =
*
Mg P − p v
Mg

Ec.

4-4

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y del gas. Para el caso del
sistema aire-agua, Mv es 18 y Mg es 29.

Humedad relativa o saturación relativa. Es el cociente entre la presión parcial
del vapor y la tensión de vapor a la misma temperatura.

ϕ=

pv
*
pv

Ec.

4-6

Humedad porcentual o saturación porcentual. Es la relación entre la
humedad existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera saturada.

ϕp =

*
Y
p  P − pv 

= v* 


Y * pv  P − pv 

Ec.

4-7

Punto de rocío. Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la
saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta
temperatura, si se continúa enfriando la mezcla se irá condensando el vapor,
persistiendo las condiciones de saturación.

Volumen especifico del gas húmedo. Es el volumen ocupado por la mezcla
que contiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

 1
Y  RT
V =
 Mg + Mv  P




Ec.

4-8


5


Conceptos Teóricos

Para la mezcla aire-vapor de agua, tomando P en atmosferas y T en ºK, el
volumen especifico, en m3/Kg de aire seco, viene dado por
 1 Y  0.082T
V = + 
 29 18  P

Ec.

4-9

Calor específico del gas húmedo. Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg
de gas y al vapor que contiene para elevar 1ºC su temperatura, manteniendo
constante la presión:
C = Cp g + CpvY

Ec.

4-10

Ec.

4-11

Para el caso de aire-vapor de agua:
C = 0.24 + 0.46Y ⇒

Kcal
Kg º C

C = 6.95 + 8.10Y ⇒

BTU
lbmol º F

Entalpía especifica. Es la suma de calor sensible de 1 Kg de gas, y el calor
latente de vaporización del vapor que contiene a la misma temperatura a la que
se refieren las entalpías.

H = Cg (T − To ) + Y [Cv(T − To ) + λo]
H = C (T − To ) + Yλo

Ec.

4-12

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, la entalpía específica se calcula
de la siguiente forma:
H = 6.95(T − To ) + Y [8.10(T − To ) + 19350] ⇒

BTU
lbmol


6


Conceptos Teóricos

Temperatura húmeda o temperatura de bulbo húmedo. Es la temperatura
límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto
con una masa mucho mayor de gas húmedo.

La determinación de esta temperatura se efectúa pasando con rapidez el
gas por un termómetro cuyo bulbo se mantiene húmedo con el líquido que forma
el vapor en la corriente gaseosa. Por lo general el bulbo del termómetro se
envuelve en una mecha saturada. Durante este proceso si el gas no está
saturado, se evapora algo de líquido de la mecha saturada hacia la corriente
gaseosa en movimiento, llevándose el calor latente asociado. La eliminación de
calor latente da lugar a una disminución en la temperatura del bulbo del
termómetro y la mecha, produciéndose una transferencia de calor sensible hacia
la superficie de la mecha por convección desde la corriente gaseosa y por
radiación desde los alrededores. La temperatura de bulbo húmedo es la que se
obtiene ha estado estable con un termómetro expuesto a un gas que se mueve
con rapidez.

Puede determinarse con alguna de las siguientes relaciones:
p w − pv =
*

Yw − Y =

hc
(t − tw)
k G Mvλw

kc / ky
(t − tw)
λw

Ec.

4-14

Ec.

4-15

Donde:
pw* = tensión de vapor del líquido a la temperatura húmeda
pv = presión parcial del vapor en el gas
hc = coeficiente de convección líquido-gas
kG = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusión
la
presión de vapor
ky = coeficiente de transporte de materia, tomando como potencial de difusión
la saturación absoluta

7


Conceptos Teóricos

Mv = masa molecular del vapor
λW = calor latente de vaporización del líquido a la temperatura húmeda
t = temperatura de la masa gaseosa
tw = temperatura húmeda
Yw= humedad absoluta de saturación a la temperatura húmeda
Y = humedad absoluta de la masa gaseosa

Temperatura de saturación adiabática. Es la temperatura alcanzada por una
masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones
adiabáticas.
YS − Y =

C

λS

(t − tS )

Ec.

4-18

Ys = humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabatica.
ts= temperatura de saturación adiabatica.
λs= calor latente de vaporización del líquido a ts.
C= calor especifico de la masa húmeda.
Y = humedad absoluta de la masa gaseosa.
t = temperatura de la masa gaseosa.

Todos estos conceptos y ecuaciones se conjugan para poder realizar
una operación en una torre de enfriamiento y nos ayuda a comprender su
operación y funcionamiento, así como también predecir datos y experimentar
cosas nuevas.


8


Conceptos Teóricos

Diagrama psicrométrico. Es una representación gráfica de las ecuaciones
analíticas indicadas anteriormente.
Enseguida se muestra la figura 1, un diagrama psicrométrico el cual nos permitirá
explicar las ecuaciones anteriores. Este diagrama es para las mezclas de aire y
vapor de agua a una atmosfera de presión:

Figura 1


Conceptos Teóricos

9


Componentes de una Torre

1.2.- Componentes de una Torre
Figura 2

Las torres de enfriamiento tal como se muestra en la figura 2 poseen las
siguientes partes constitutivas:

Equipo Mecánico: Conformado por una estructura para el ventilador, un motor,
un reductor de velocidad, un ventilador de aspas de diferentes tipos y materiales,
una flecha de transmisión y bujes reductores de vibración entre otros
componentes.

Estructura del Ventilador
Motor Eléctrico

Aspas del Ventilador
10



Reductor de Velocidad
Bujes (amortiguadores)
Flecha de Transmisión

Cuerpo: Es la estructura que le da forma a la torre y puede ser metálica, de
madera incorruptible o de hormigón.

Estructura Metálica

Estructura de Hormigón

Estructura de Madera
11



Los rociadores: Se encuentran en la parte superior de la torre y permiten que
el agua caliente ingrese a la torre en forma de gotas para aumentar su superficie
de contacto.

Rociadores tipo boquilla

Rociadores tipo boquilla y tobera

Instalación y Posicionamiento

Rociadores tipo esprea

Rociadores tipo aspersor y
ejemplo de niebla

12



Empaquetadura: La empaquetadura es una estructura que se encuentra en el
interior de la torre y puede ser metálica, plástica o de madera.
Su función es obligar a que el agua que cae en forma de gotas
permanezca la mayor cantidad de tiempo dentro del cuerpo de la torre, a fin de
garantizar una óptima transferencia de calor.
Así también ayuda a que el flujo de aire se distribuya uniformemente en el
interior del cuerpo.

Empaque de Madera, de Plástico y Metálico

Eliminadores de Acarreo o Roció: Es una estructura ubicada en la parte
superior de la torre y tiene la finalidad de evitar que las gotas pequeñas sean
arrastradas por la corriente de aire fuera del sistema.

Eliminadores de Roció
13



Reservorio: Se encuentra en el fondo de la torre y es un tanque en el cual se
recoge el agua enfriada para regresar nuevamente al sistema.

En la figura 3 se muestra un diagrama DTI de tubería del reservorio dela torre:
Figura 3

14



Tubería de restitución del agua: Conforme se produce la evaporación del agua
es necesario ir restituyéndola, para este propósito existe una tubería que
mantiene el nivel del reservorio constante. En la figura 3 se puede apreciar un
corte de una torre de enfriamiento típica y los diagramas de tubería del
reservorio.

Tubería de entrada de agua a la torre

Tubería para aspersión de agua

Escalera de acceso. La escalera de acceso está en un todo de acuerdo a las
especificaciones de la OSHA y permite fácil inspección y mantenimiento, además
de estar compuesta normalmente del mismo material de la estructura de la torre,
puede ser en fibra de vidrio reforzada con resina poliéster o en madera tratada
químicamente.

Escalera de Metal o Mixta

Escalera de Madera
15


Clasificación de torres de enfriamiento

2.-Clasificacion de torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de muchas maneras. Una
de ellas hace referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de
goteo). Otro tipo se da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio
entre el agua y el aire. La clasificación que estudiaremos será la de tipo Natural
y Mecánica entre otras.

2.1.- Circulación Natural
Tiro natural (Contracorriente):
 Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el
húmedo caliente y el atmosférico.
 Óptimo para grandes caudales de agua.
 Bajos costes de mantenimiento
 Formación de nieblas (contaminante térmico).
 Aplicación fundamental: centrales térmicas.
Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea
hiperbólica (Ver figura 4). En ellas el agua caliente proveniente del proceso se
pone en contacto con el aire, provocando su calentamiento y su ascenso como
consecuencia de la disminución de su densidad. El aire ascendente provoca una
depresión en la parte inferior de la torre generándose la posibilidad de la
admisión de aire fresco.
Estos equipos presentan bajos costos de mantenimiento y de operación
debido a que no tienen consumo eléctrico, se emplean para manejar grandes
capacidades de enfriamiento y requiere bajas temperaturas de aire a la entrada,
son comúnmente utilizadas en centrales eléctricas o industrias de gran tamaño.

Figura 4

16



Es posible también encontrar una modificación sobre este tipo de torres
que se conoce como tiro natural asistido, consiste en mejorar el flujo de aire por
medio de ventiladores de tiro forzado que se instalan en la parte inferior de la
misma.

Torres Atmosféricas (Flujo Cruzado):

En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire (Ver
figura 5). Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es
posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o
sin rellenos.

Las Torres atmosféricas tienen en mismo principio que las torres de tiro
natural pero estas son de Flujo Cruzado y presentan otro tipo de estructura y
no del tipo chimenea hiperbólica.

Figura 5

17



2.2.- Circulación Mecánica
El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas
aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a
través de unos orificios.
El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en
cualquiera de las dos formas siguientes:

Tiro Inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador
situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.

Tiro Inducido flujo contracorriente

18



Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre
y se descarga por la parte superior.

Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire
caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido
a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la
torre.

El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto
y además permite una distribución interna más uniforme del aire.

Tiro Forzado flujo contracorriente

19



2.3.- Otros tipos
Torres de flujo cruzado: El aire entra a los lados de la torre fluyendo
horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se
unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope. Las torres de flujo cruzado
requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a
contracorriente.
Tiro Forzado flujo cruzado

Tiro Inducido flujo cruzado

20


Tipos de Empaques

3.-Tipos de empaques
Parte del sistema interno de la torre puede consistir en:
Barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones y
materiales; con el objeto de fragmentar el agua, aumentar el tiempo de contacto
entre esta y el aire frío que fluye dentro de la torre de enfriamiento.

3.1.- Relleno Laminar
Consiste en unas delgadas y cercanamente espaciadas superficies
plásticas (PVC) sobre las cuales el agua es dispersada formando una película
en contacto con el aire. Estas superficies pueden ser planas, corrugadas en
forma de colmena (honeycomb) o de otros patrones de configuración y
disposición, la eficiencia de éste tipo de relleno es mayor debido a la uniformidad
para la transferencia de calor y además disminuye el volumen.

El diseño en el relleno celular proporciona
cambios direccionales en el flujo de aire y agua
para aumentar el enfriamiento y promover la
eficiencia térmica que a su vez reduce
sustancialmente la aparición de incrustaciones
Circulación en el Empaque

21


Tipos de Empaques

3.2.- Relleno Salpiqueo
El agua cae continuamente sobre sucesivas capas de barras horizontales,
rompiéndose en pequeñas gotas, mientras que humedecen la superficie del
relleno. Rellenos plásticos tipo salpique favorecen la transferencia de calor
mucho mejor que los fabricados en madera.

Su configuración hace que el agua se
escurra en la forma de micro salpiqueo con efecto
de auto lavado, lo que le permite operar con aguas
contaminadas por productos químicos o con
sólidos en suspensión y está especialmente
diseñado para obtener gran eficiencia en el
cambio térmico con muy baja tendencia a la
incrustación.

Diseño de baja eficiencia:
Utilizados juntos, se puede optimizar la eficiencia y
a la vez mantener el relleno libre de incrustaciones.

Alta Eficiencia:
El material utilizado es polipropileno
color negro, 100% virgen Tiene una
resistencia a la temperatura de hasta 75 ºC
(167 ºF). Cumple con lo especificado en el CTlH-9 Cumple con la autoextinguibilidad y
extinción de flama especificadas en la norma
ASTM-E-84

22


Tipos de Empaques

Un diagrama del empaque en una torre de enfriamiento

23


Análisis del Relleno

3.3.- Análisis del Relleno
Análisis superficial:
Si cada hoja se corruga en diagonal, la
superficie de contacto se incrementa un 40% a
50%.
Esto resulta en un paquete de alta eficiencia
con una superficie de contacto de hasta 157.5
m2/m3 (48 ft2/ft3).
A la superficie de la hoja de PVC se le plasma
un diseño que mejora la turbulencia entre el aire
y agua y maximiza la transferencia de calor por
evaporación y convección

Geometría de empaque:

Distribución del flujo de agua en los empaques laminares depende de la
estructura en 3D del empaquetado y este a su vez aumenta el tiempo de
contacto entre el aire y el agua.

24



Comportamiento del fluido en un empaque con estructura:

Análisis del movimiento, del flujo térmico y flujo másico dependiendo el tipo de
lámina estructural que posee el empaque

Se observa la mejor distribución térmica cuando el empaque es
corrugado ya que existe turbulencia en el aire aumentando el intercambio de
calor, produciendo una delta T a menos temperatura.

Taponamiento de Rellenos:
Análisis del Agua (criterios)
• PPM: Partes por millón (1 ppm = 1 mg/l)
• TSS: “Total suspended solids” (sólidos en suspensión)
• Turbidez (NTU): Measure of water cloudiness
• TDS: “Total dissolved solids” (minerales en solución)
• Contenido de Bacteria: No. de colonias (cfu/ml)
• cfu = “colony forming units”

25



Causas del Taponamiento









Sólidos en suspensión altos.
Alto contenido bacterial.
Altos niveles de nutrientes.
Sólidos disueltos altos.
Altos ciclos de concentración.
Contaminación del proceso.
Aceites y grasas.
Combinaciones de las anteriores.

Saturación del Relleno (porcentajes)

Anatomía de una superficie obstruida
Con velocidades bajas del agua,
hay crecimiento biológico y los sólidos se
adhieren. Por lo tanto se afecta la
transferencia de calor.

26



Efecto Memoria
En los métodos tradicionales de fabricación (usados por la gran mayoría
de fabricantes), las hojas son extruidas como hojas planas, y estas son
recalentadas para posteriormente darles su forma eventual. La deformación
inicial durante la extrusión causa cierta tensión en la hoja que permanece en la
hoja. Cuando la hoja se forma a su configuración final la tensión en la hoja
permanece puesto que la temperatura a la que se forma es más baja que la
temperatura a la cual fue hecha la hoja inicial.
En casos donde hay algún accidente en la torre, o cuando el relleno es
expuesto a la luz solar, este efecto memoria resulta, lo cual causa una
deformación en el relleno y por consecuencia baja la eficiencia de la torre
Con el método de producción de GEA 2H Water Technologies GmbH
donde la hoja ya se fabrica a su forma final empezando con la masa total
derretida, esto no sucede, y por lo tanto no hay tensión en la hoja evitando estos
problemas.
Análisis de diferentes tipos de materiales

27


Historia

4.- Historia

28


Historia

29


Bibliografía

5.- Bibliografía
1. FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Second Edition,
Chapter 15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980

2. [2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag, Fundamentos de Termodinámica, (19º
edición, México, editorial Limusa, 1995), pp. 461

3. Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GARCIA & GABRIEL
TOJO BERREIRO

4. Torres de refrigeración, Manuales técnicos y de inducción para conservación
de energía, Centro de estudios de la energía Madrid esp, 1983. 177p.

5. “Cooling Water Calculations”, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical
Engineering, Agosto 1, 1977

6. Manual del ingeniero químico, tomo 1. John H. PerryEd. Hisopanoamericano
3 ed.

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