Análisis comparativo de rendimiento de enfriadores con paneles de formas y materiales alternativos.

OPERACIONES UNITARIAS II

POR:

GUILLERMO LE BLOHIC MEDRANO

INSTRUCTOR:

MARCO ANTONIO NUÑEZ ESQUER

16/OCT/14

Índice

IntroducciónMetodologíaResultados y discusionesConclusionesBibliografía

Introducción

El enfriamiento evaporativo es un proceso termodinámico. Cuando aire caliente y húmedo pasa sobre una superficie húmeda, el agua se evapora y el aire pierde su calor sensible y gana cantidad de calor latente de vapor de agua lo que reduce su temperatura. Así, el sistema es más eficiente en climas cálidos y secos.

El enfriador más común usa un panel mojado el cual el aire atraviesa a velocidad uniforme para que sea saturado. Los paneles pueden ser humedecidos por gotas de agua en la parte superior con ayuda de una bomba de recirculación. Tal sistema es conocido como enfriamiento por evaporación directa. Si el aire entrante tiene baja humedad, entonces más cantidad de agua podrá ser evaporada y habrá más reducción de temperatura.

Sin embargo, estos no controlan la temperatura ni la humedad con precisión, su capacidad de enfriamiento depende de las condiciones del aire exterior. También hay aumento de la humedad durante el proceso. Diferentes investigadores se esforzaron por mejorar el rendimiento de este sistema realizando cambios en diseño, materiales y proceso.

Metodología

- Condiciones del ambiente:

Datos climáticos en Bhopal, India.

TBS : 39.9 ˚C

HR : 32.8 %

Todas las propiedades del aire hacen referencia a esta temperatura. La densidad y viscosidad cinemática son corregidas por altitud en Bhopal.

ρ =1.068 kg/m3Cpa = 1007 J/kgK v = 17.95 × 10-6 m2/s k = 0.02662 W/mK Pr = 0.7255El calor específico del aire húmedo está dado por:Cpu = Cpa + ωa Cpv -------------------------------------------- ec. (1)Donde: Cpv = 1868 J/kgK ; ωa = 0.01615 kg/kg aire seco

Formas y parámetros geométricos

-Panel rectangular

-Panel cilíndrico

-Panel hexagonal

Materiales

celulosa papel corrugado

polietilenode alta Álamo densidad

Panel rectangular

Esto es una forma convencional que es utilizado por la mayoría de los enfriadores evaporativos. El aire fluye horizontalmente a través del panel entrando de un lado y dejando el otro.

El área total de la superficie mojada de esta forma para cada material se muestra en la figura 1. Ancho y altura del panel se toman como 0.6m y 0.6m respectivamente, el cual da un área de 0.36 m². A un valor de velocidad máxima de 2.25 m/s, el flujo volumétrico del aire es obtenido como 48.6 cm. El grosor del panel vale 0.15 m.

La Figura 2 muestra los paneles rectangulares con arreglo de 3 lados y aire que está siendo sacado de un lado. Tal tipo de arreglo se utiliza comúnmente en refrigeradores comerciales, pero el grosor de los paneles utilizado es mucho menor. El análisis realizado por un lado en los tres lados. El aire va a entrar con el mismo saturando la eficiencia de tres lados y el flujo másico total de aire será el triple de un solo lado.

Los parámetros geométricos fueron calculados de la siguiente manera:

Area del panel--------------------------------------------- Afi= H × W ec. (2)Volumen del panel----------------------------------- Vp = H × W × l ec. (3)Flujo volumétrico del aire------------------------------ Vf = Afi × Vi ec. (4)

Como zona de entrada y salida del panel rectangular es la misma ,la velocidad de entrada y salida y por lo tanto la velocidad media permanece igual. La superficie húmeda de material de celulosa es de 370 m2/ m3,

así que el área total de la superficie húmeda del panel rectangular de este material esta dada por:

Área total de superficie húmeda--------------------------------Aw = As × Vp ec.(5)

El área superficial húmeda de los otros materiales es mostrado en la figura 1.

Dimensión característica está dada por:

Dimensión característica--------------------------------------------Lc = Vp/aw ec.(6)

Panel cilíndrico

Se muestra un panel cilíndrico con la orientación y dirección del flujo de aire. La dimensión radial de espesor se toma con un valor de 0.15m. El aire entra por todo el interior del cilindro.

Cálculos para el panel cilíndrico:Afi = 2π*R₂*H -------------------------------- Área del panel ec(7)

Vp = π(R²₂ - R²₁) * H ------------- Flujo volumétrico del aire ec(8)La velocidad del aire incrementa cuando este pasa a través a causa del área reducida para el flujo en la salida. Por lo tanto velocidad de salida del aire está dada por:Vo =(Afi * Vi) / Afo---------------------------------------- velocidad de salida del aire ec(9)

Panel hexagonal

Se muestra un panel hexagonal con la orientación y dirección del flujo de aire. La dimensión radial de espesor se toma con un valor de 0.15m. El aire entra por todo el interior del cilindro y dibujado por el abanico en la parte superior del enfriador. El área de entrada y de salida y volumen del panel son calculados con respecto a la forma geométrica del panel.

Velocidad de flujo de volumen de aire a través del panel está dada por la ecuación 4. La velocidad aumentará a medida que el aire pasa a través del panel debido al área reducida para el flujo de salida. Por lo tanto el aumento de la velocidad en la salida está dada por la ecuación 9 .

Dimensión característica viene dada por la ecuación 6. Esta dimensión y el promedio de la velocidad de entrada y la salida se utiliza para calcular el número de Reynolds . Superficie mojada total de material de celulosa para esta forma calculada utilizando la ecuación 5 es 42,6 superficie m²

Consideraciones de velocidad

El rango de velocidad de aproximación considerado para el presente análisis es de 0,75 m / s a 2,25 m/s.Este rango se reporta en la literatura y recomendado por los fabricantes .

Número de Reynolds se basa en la velocidad media de aire a través del panel ydimensión característica.

Flujo másico del aire

El flujo másico de aire esta dado por:Ma = Vf * ρ --------------------------------- ec. (10)

Coeficiente de transferencia de calor

La siguiente correlación es utilizada para calcular el coeficiente de transferencia de calor en un medio de celulosa rígida.

Nu = 0.1(lc/l)ˆ0.12 * Reˆ0.8 * Prˆ0.33 ---------------- ec(11)

Re = (Vav * lc)/v --------------------------------------------ec (12)

Las propiedades del aire se evalúan en condiciones ambientales seleccionadas.

Parámetros de rendimiento

La eficiencia de saturación se calcula en base a la siguiente relación.ɳ = 1 – exp (-hAw/ Ma Cpu) ------------- ec (13)Temperatura de bulbo seco del aire de salida se puede calcular por:DBT2 = DBT1-h * (DBT1-WBT1) ------------- ec (14)

A medida que avanza la refrigeración por evaporación a lo largo de la línea WBT constante, el WBT de aire de salida se toma como 25.59˚C

La capacidad de enfriamiento está dada por:

Qc = Ma * Cpa * ( DBT1 - DBT2 )---------------------------------------- ec.( 15 )

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Variación de eficiencia de saturación y capacidad de enfriamiento

La eficiencia de saturación disminuye con el flujo másico de aire en todas las formas y materiales analizados. Conforme la velocidad va en aumento, menos tiempo de contacto tiene con el panel y por lo tanto menos evaporación de agua habrá en el sistema. Cuando la eficiencia de saturación disminuye, la temperatura de bulbo seco va en aumento.

Rendimiento de los materiales

De todos los materiales que estuvieron bajo observación, el panel hecho de álamo fue el de mayor eficiencia( 91% - 83%). Esto se debe a que los paneles de álamo tiene mayor área superficial húmeda por unidad de volumen.

Rendimiento de las formas geométricas

La eficiencia de saturación de las diferentes formas analizadas:

- Panel hexagonal (91% - 86%)- Panel cilíndrico (90% - 84%)- Panel rectangular (89% - 83%)

Variación de la capacidad de enfriamiento

La capacidad de enfriamiento varía poco con la forma del panel, sino que varía en gran medida con respecto al flujo másico . La capacidad depende mucho de la dimensión del grosor del panel.

Conclusiones

Entre mas alta la superficie húmeda mas eficiencia de saturación habrá en el sistema. El flujo másico aumenta entre mayor sean las dimensiones del grosor del panel, y por lo tanto la disminución de la eficiencia de saturación.

REFERENCIAS [1] Dagtekin M. et al. (2011). The effects of air velocity on the performance of

pad evaporative cooling

systems, African Journal of Agricultural Research, 6, pp. 1813-1822.

[2] Fouda, A., Melikyan, Z. (2011). A simplified model for analysis of heat and mass transfer in a direct

evaporative cooler. Applied Thermal Engineering, 31, pp. 932- 936

[3] Kulkarni R.K., Rajput S.P.S.,(2011) : Theoretical Performance Analysis of Indirect-Direct Evaporative

Cooler in Hot and Dry Climates, International Journal of Engineering Science and Technology, 3,

pp.1239-1251.

[4] Jain D., (2007): Development and Testing of Two Stage Evaporative Cooler, Building and

[5] Beshkani A., Hosseini R., (2006): Numerical Modeling of Rigid Media Evaporative Cooler, Applied

Thermal Engineering, 26, pp. 636-643.

[6] Camargo J.R.; Ebinuma C.D., Siveria J.L., (2005): Experimental Performance of a direct evaporative

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[7] El-Dessouky H., Ettouney H., and Al-Zeefari A., (2004): Performance Analysis of Two Stage

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[8] Dowdy J.A., Karbash N.S, (1987): Experimental Determination of Heat and Mass Transfer

Coefficients in Rigid Impregnated Cellulose Evaporative Media, ASHRAE Transactions, 93(2), pp.

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[9] Dowdy J.A., Reid R.L., Handy E.T., (1986): Experimental determination of heat and mass-transfer

coefficients in aspen pads, ASHRAE Trans.92 (2A), pp 60-70.

Gracias por su atención.