Determinación de la característica disponible de una torre de enfriamiento y cálculo de coeficientes de transferencia de calor por convección

• Autores: Ravera, Alberto Juan
• Año de publicación: 1959
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bados, José María
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Este trabajo consta de los siguientes puntos: 1) Teoría y descripción de 1a torre. 2) Trabajo experimental y mejoras introducidas. 3) Apreciación de lo resultados y cálculo decoeficientes de transmisión del calor porconvección. 1.- Teoria y descripción de la torre Puede considerarse a F. Merkel comoel iniciador de los estudiosde los fenómenos que ocurren en una torre de enfriamiento. Suponiendo una gota de agua rodeada de aire, se produciráuna evaporación paulatina. La cantidad de agua evaporada (dL) sepodrá expresar como:dL. = K (Ks-X).a.dVdonde K (kg/h.m2) es el coeficiente de transmisión de masa; a la superficie por unidad de volumen V de torre y (Xs-X) es el potencial dehumedades absolutas. (humedad absoluta del aire que rodea a la gotacomosi estuviera saturado a la temperatura de ésta menos la humedadabsoluta del aire circundante). En base a esta ecuación y utilizando algunas hipótesis simplificativas Merkel obtiene la ecuación diferencial: L.dtw = K (i"-i').a.dV Separando variables de modo que:dtw/i"-i'=(K.a.dV)/Le integrando de modo que los factores del 2° miembro sean independientesde V. Lichtenstein obtiene la ecuación: (tw2)∫tw1 de dtw/i"-i'= K.a.V/L El 2° miembrode ésta solo depende de las caracteristicas constructivasde la torre en ensayo: K depende del material utilizado como relleno, "a" de 1a forma del mismo, "V" depende de las dimensiones de latorre y "L" se fija de acuerdo con ciertos limites para cada tipo de torre. Por esta razón se designa a esta expresión (K.a.V/L) con el nombrede "caracteristica de torre" o "Característica disponible" de latorre. Con los datos que se obtuvieron en los ensayos, o sea con la temperaturade bulbo húmedo y seco a la salida y entrada de la torre, temperaturadel agua en los mismos puntos y caudal de agua y aire puedeobtenerse (K,g.V)/L mediante la expresión: (K.a.V)/L = (G(X1-X2))/L∆Xmdonde ∆Xm(media logaritmica del potencial de humedades absolutas) esigual a: ∆Xm= ((Xil-Xl)-Xi2-X2)/ (Log e (Xil-Xl)/(Xi2-X2))siendo Xl-X2 las humedades absolutas del aire a la salida y entradade 1a torre respectivamente y Xil la humedad absoluta del aire saturadoen la superficie de contacto con el agua a la temperatura de éstaa su entrada y X12 lo mismo a la salida. Los valores de las humedades absolutas fueron determinados pormedio del diagrama psicrométrico. Las relaciones que permiten el cálculo de α figuran en el punto N° a. La torre en ensayo fué construida en chapadur y se utilizó comorelleno chapas de fibrocemento con una inclinación de 20° con respectoa la vertical. Estas chapas van colocadas en bandejas y cada una de estasse colocó rotada en 90° con respecto a la anterior. Tiene una altura útil (sin chimenea) de 6,40 m. y una secciónde 1,10 x 1,10 m. Posee un ventilador en la parte superior yen la inferior una batea recolectora de la cual se extrae el aguapor medio de una bomba. E1 caudad de agua se mide mediante un manómetroy el de aire utilizado un anemómetro colocado en la chimenea. 2.-Trabajo experimental y mejoras introducidas. La temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco del aire a la entrada se midiócon un psicrómetro onda cuyos termómetros permitían apreciar la décima de grado. Temperatura del agua a la salida: se tomó una muestra para cadadeterminación (aproximadamente 2 litros) en lugar de la termorresistenciaque se usó en trabajos anteriores ya que ésta solo daba latemperatura del agua a una altura fija en la batea. La temperatura dela muestra se midió con un termómetro con la misma exactitud que losanteriores. Tambiénse mejoraren las lecturas de 1a temperatura de entradadel agua y de bulbo húmedo y seco del aire a la salida utilizando unpirómetro más sensible donde se apreciaba la décima de grado. La temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida se mediapor medio de una termorresistencia de platino sumergida en un baño deaceite contenido en una vaina de bronce y ésta estaba envuelta en unpaño húmedo.De esta manera habia dificultad en registrar las escasasdiferencias de temperaturas existentes lo que se solucionó envolviendodirectamente la termocupla con el paño y calibrando con el psicrómetro. 3.-Apreciación de los resultados y cálculo del coeficiente de transmisión del calor por convección. Los valores de G.∆i (aumento de entalpia del aire) son menoresque los obtenidos para L.∆tw (calorias perdidas por el agua. Las diferencias observadas son en la gran mayoria de los casos menoresque el 10% y deben atribuirse a la imprecisión con que se midióel caudal de aire. Característica disponible: (KaV/L) En las planillas de cálculo puedeobservarse que hay 20 valores de la caracteristica para cada caudalde agua . De estos 20 valores se obtuvo graficamente el valor másprobable y su error. El valor más probable obtenido concuerda con lateoria de las torres de enfriamiento ya que disminuye con el aumentodel caudal de agua (L). *Ver tabla de datos en la tesis*α Coeficiente de transmisión del calor por convección Se calculó en base a un balance de energia entre el calorganado por el aire y el perdido por el agua ; G.∆i= α.∆t.S+G.(X2-X1).r Siendo: G: Caudal de aire. ∆i: Diferencia entre la entalpia del aire de salida y laentalpia del aire de entrada. α.- coeficiente de transmisión del calor por convección. ∆t :diferencia media logaritmica entre el aire y el agua a laentrada y salida de la torre. S: 81,52 m2. : superficie del relleno. X1: humedad absoluta del aire a la entrada. X2: humedad absoluta del aire a la salida.r: calor de vaporización del agua a 25°C : 582 Cal/Kg. Solo pudo calcularse α cuando se mantuvo la temperatura de salidadel agua mayor que la de entrada del aire (tws>tl) ya que cuandoesto no ocurría se obtenían valores erróneos de t∆. Con los valores obtenidos se calculó también el valor más probabley se obtuvo: *Ver tabla de datos en la tesis* Conclusiones: los valores obtenidos para (KaV/L) deben considerarsecorrectos ya que concuerdan con la teoria de las torres de enfriamientoy son aproximados a los obtenidos por otros experimentadoresque trabajaron en condiciones semejantes. El cálculo de α solo puede ser aproximado ya que se efectúatomandoa "S" comola superficie de contacto aire-agua, sin tener encuenta la superficie de las gotas lo que se compensa al considerarque toda la superficie del relleno es mojado por el agua. Los valores de α están dentro del orden de magnitud de losdados por otros experimentadores y sólo serán válidos cuando se trabajecon una torre semejante y la misma distribución del relleno.
Fil: Ravera, Alberto Juan. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.