PRÁCTICA: nº 16 – Torre de refrigeración para enfriamiento de una corriente de agua caliente GRUPO: 1 Fecha de realización: 11-3-11 y 18-3-11 Fecha de entrega: 25-3-11 Beatriz Alonso Morlanes NP 49337 Fermín Martinez de Hurtado Yela NP 51466 Juan José Zabala Calderón NP 53419

UNIVERSIDAD ALFONSO X EL SABIO

Experimentación en Ingeniería Ambiental

El objetivo de la práctica es estudiar el punto óptimo de funcionamiento de una torre

de refrigeración. En ella se han cruzado en contracorriente un caudal constante de agua a

distintas temperaturas frente a aire a distintos caudales. Las potencias de calentamiento de

agua utilizadas han sido 0’5kW, 1kW y 1’5kW mientras que el caudal de entrada de aire ha sido

establecido mediante una compuerta en tres posiciones: cerrada, semiabierta y abierta.

Para determinar las propiedades de los caudales medimos sus temperaturas de

entrada y salida y en el caso del aire, con termómetros de bulbo húmedo y seco para poder

determinar su humedad. Ayudándonos de un diagrama psicrométrico pudimos determinar las

propiedades del aire húmedo para cada caso de estudio.

0,5 kW

Caída de la presión a través del orificio (mm H2O) 2 6 7

Flujo de aire (kg/seg) 0% 50% 100%

Tª bulbo seco aire de entrada (ºC) 22,7 22,3 22,2

Tª bulbo húmedo aire de entrada (ºC) 14,1 13,6 13,3

Tª bulbo seco aire de salida (ºC) 20,3 18 17,8

Tª bulbo húmedo aire de salida (ºC) 19,4 17,5 16,4

Tª de agua de entrada (ºC) 25 23,4 22,9

Tª de agua de salida (ºC) 18,4 16,9 16,7

Caída de presión a través de la torre (mm H2O) 3 6 6

Humedad absoluta de entrada (kg/kg) 0,0064 0,0051 0,0058

Humedad relativa de entrada (%) 35 31 35

Entalpía específica de entrada (kJ/kg) 40 37 37

Humedad absoluta de salida (kg/kg) 0,014 0,0125 0,0108

Humedad relativa de salida (%) 92 95 82

Entalpía específica de salida (kJ/kg) 56 50 46

Volumen especifico (m3/kg) 0,849 0,842 0,84

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0% 50% 100%

Humedad absoluta de entrada (kg/kg)

Humedad absoluta de salida (kg/kg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0% 50% 100%

Humedad relativa de entrada (%)

Humedad relativa de salida (%)

0

10

20

30

40

50

60

0% 50% 100%

Entalpía específica de entrada (kJ/kg)

Entalpía específica de salida (kJ/kg)

0,834

0,836

0,838

0,84

0,842

0,844

0,846

0,848

0,85

0% 50% 100%

Volumen especifico (m3/kg)

1kW

Caída de la presión a través del orificio (mm H2O)

2 4 7

Flujo de aire (kg/seg) 0% 50% 100%

Tª bulbo seco aire de entrada (ºC) 21,5 20,6 19,6

Tª bulbo húmedo aire de entrada (ºC) 13,2 12,8 12,3

Tª bulbo seco aire de salida (ºC) 23,7 19,8 19,5

Tª bulbo húmedo aire de salida (ºC) 20,9 17,7 17,2

Tª de agua de entrada (ºC) 32 29 29,8

Tª de agua de salida (ºC) 20 17,4 17,2

Caída de presión a través de la torre (mm H2O) 3 6 12

Humedad absoluta de entrada (kg/kg) 0,0065 0,0058 0,0065

Humedad relativa de entrada (%) 41 38 47

Entalpía específica de entrada (kJ/kg) 38 37 37

Humedad absoluta de salida (kg/kg) 0,0143 0,012 0,011

Humedad relativa de salida (%) 75 81 78

Entalpía específica de salida (kJ/kg) 60 51 47

Volumen especifico (m3/kg) 0,86 0,845 0,842

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0% 50% 100%

Humedad absoluta de entrada (kg/kg)

Humedad absoluta de salida (kg/kg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0% 50% 100%

Humedad relativa de entrada (%)

Humedad relativa de salida (%)

0

10

20

30

40

50

60

70

0% 50% 100%

Entalpía específica de entrada (kJ/kg)

Entalpía específica de salida (kJ/kg)

0,83

0,835

0,84

0,845

0,85

0,855

0,86

0,865

0% 50% 100%

Volumen especifico (m3/kg)

1,5 kW

Caída de la presión a través del orificio (mm H2O)

1 3 8

Flujo de aire (kg/seg) 0% 50% 100%

Tª bulbo seco aire de entrada (ºC) 19 19,1 18,2

Tª bulbo húmedo aire de entrada (ºC) 11,9 11,9 11,6

Tª bulbo seco aire de salida (ºC) 26,3 22 21,2

Tª bulbo húmedo aire de salida (ºC) 22,4 19,2 18,2

Tª de agua de entrada (ºC) 38,3 35,6 34,6

Tª de agua de salida (ºC) 21,1 18,7 18,1

Caída de presión a través de la torre (mm H2O) 3 6 9

Humedad absoluta de entrada (kg/kg) 0,0055 0,0058 0,0058

Humedad relativa de entrada (%) 39 42 45

Entalpía específica de entrada (kJ/kg) 37 35 35

Humedad absoluta de salida (kg/kg) 0,015 0,0128 0,0128

Humedad relativa de salida (%) 75 76 80

Entalpía específica de salida (kJ/kg) 67 55 54

Volumen especifico (m3/kg) 0,868 0,852 0,85

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0% 50% 100%

Humedad absoluta de entrada (kg/kg)

Humedad absoluta de salida (kg/kg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0% 50% 100%

Humedad relativa de entrada (%)

Humedad relativa de salida (%)

Las conclusiones que podemos sacar de estas gráficas se pueden diferenciar entre las

que muestran una ganancia de humedad (materia) por parte del aire y por otro lado un

aumento de entalpía (energía):

• Analizando las gráficas de humedad relativa vemos como con un 50% del

caudal de aire se obtiene la mayor ganancia de humedad en el aire. En el caso

de 1’5kW no se evidencia tal ganancia pero aún así es constante a todos los

caudales.

• Analizando las gráficas de entalpía vemos que la mayor variación se produce

con el mínimo caudal (con la compuerta cerrada). Esto se puede deber a que el

aire al tener menos velocidad dentro de la torre es capaz de permanecer más

tiempo en la columna y ganar así más temperatura.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0% 50% 100%

Entalpía específica de entrada (kJ/kg)

Entalpía específica de salida (kJ/kg)

0,84

0,845

0,85

0,855

0,86

0,865

0,87

0% 50% 100%

Volumen especifico (m3/kg)

Para ver cómo de eficiente es nuestro sistema hemos realizado un análisis del

rendimiento térmico. El rendimiento térmico o eficiencia térmica de un sistema es una

magnitud adimensional, definida como el cociente de la energía que deseamos obtener de

dicha máquina y la energía que se debe transferir para su funcionamiento. Hemos calculado el

rendimiento térmico para cada experimento siguiendo la siguiente fórmula:

�� = �� · ��� · (�� − � )�� · ��� · (� − ��)

Al haber realizado los experimentos con un caudal constante de agua desconocido no

hemos podido calcular la masa del agua. Así mismo no pudimos calcular la masa de aire. Por lo

que la fórmula quedaría:

�� = ��� · (�� − � )��� · (� − ��)

Donde: ���: ����� �����í���� ��� ���� = 4!1813 % &'&(·)*

���: ����� �����í���� ��� ���� = 1′012 % &'&(·)*

��: .������.��� �� �/.���� ��� ����

��: .������.��� �� �/.���� ��� ����

� : .������.��� �� ������ ��� ����

� : .������.��� �� ������ ��� ����

Caudal al 0% Caudal al 50% Caudal al 100%

0’5 kW

�� = 4!1813 · (25 − 18′4)1′012 · (23′3 − 22′7) = 45′44 �� = 4!1813 · (23′4 − 16′9)

1′012 · (18 − 22′3) = −6′24 �� = 4!1813 · (22!9 − 16!7)1′012 · (17!8 − 22!2) = 5,82

1 kW

�� = 4!1813 · (32 − 20)1′012 · (23′7 − 21′5) = 6′79 �� = 4!1813 · (29 − 17′4)

1′012 · (19′8 − 20′6) = −59,90 �� = 4!1813 · (29′8 − 17′2)1′012 · (19′5 − 19′6) = −520′59

1’5 kW

�� = 4!1813 · (38′3 − 21′1)1′012 · (26′3 − 19) = 9′73 �� = 4!1813 · (35′6 − 18′7)

1′012 · (22 − 19′1) = 24′07 �� = 4!1813 · (34′6 − 18′1)1′012 · (21′2 − 18′2) = 22′72

Los datos obtenidos los hemos representado para cada caudal de aire experimentado.

El hecho de que a 1kW y a 0’5kW de negativo puede deberse a que el sistema estaba

frío, por lo que el enfriamiento se debió al intercambio de calor entre el agua y el sistema,

predominando este intercambio sobre el agua-aire.

No podemos por ello concluir cual es el modelo idóneo de enfriamiento debido a este

hecho aunque sí podemos concluir que el mayor intercambio de materia se produce con un

caudal de aire medio y el mayor intercambio de energía se produce con un caudal mínimo de

aire que permite un mayor tiempo de residencia.

-600,00

-500,00

-400,00

-300,00

-200,00

-100,00

0,00

100,00

Caudal al 0% Caudal al 50% Caudal al 100%

0’5 kW

1 kW

1’5 kW