DISEÑO DE TORRES DE ENFRIAMIENTO
INTRODUCCIÓN: Los procesos de enfriamiento de agua son algunos de los más antiguos desarrollados por el hombre. Por lo común el agua se enfría exponiendo su superficie al aire. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque, otros son comparativamente rápidos, por ejemplo, el rociado de agua hacia el aire. Todos estos procesos implican la exposición del agua al aire en diferentes grados. Las torres de enfriamiento son columnas de gran diámetro con empaques especiales que permiten un buen contacto gaslíquido con una baja caída de presión, generalmente están constituidas con diversos materiales como la madera, plásticos, etc. formando estructuras de puntes múltiples, también se emplean estructuras de aluminio, ladrillo, concreto o asbesto. El agua suele entrar por la parte superior y caer a través de puentes y deflectores hasta la parte baja de la torre, que está conformada por un sistema abierto al aire, el cual por su parte, entra por la parte inferior, poniéndose pon iéndose en contacto con el agua a lo largo y alto de toda la torre. Las torres de enfriamiento generalmente están constituídas con diversos materiales como la madera, plásticos, etc. formando f ormando estructuras de puntes múltiples, también se emplean estructuras de aluminio, ladrillo, concreto o asbesto. El agua suele entrar por la parte superior y caer a través de puentes y deflectores hasta la parte baja de la torre, que está conformada por un sistema abierto al aire, el cual por su parte, entra por la parte inferior, poniéndose en contacto con el agua a lo largo y alto de toda la torre. CLASIFICACION La clasificación de las torres de enfriamiento es de acuerdo al medio utilizado para suministrar aire a la torre las cual es pueden ser: • Torres de tiro mecánico. • Torres de tiro natural.
Cálculos, Cálculos
B&B LatAm TOP 5 A diferencia de los otros proceso unitarios de la serie, por ejemplo filtro prensa, difusores, lodos activados, el cálculo o diseño de torres de enfriamiento involucra una cierta dosis de cálculo numérico “especial.” Mientras que en el dimensionamiento usual o selección de equipo trabajamos apenas con tasas superficiales, e.g. gpd/sq.ft. o volumétrica, e.g. kgCOD/day per m3, o lineales, e.g. gpm per m de banda, el diseño de torres de enfriamiento involucra por lo menos una
integración (sea Runge Kutta, Tchebyshev) para el caso del cálculo del KaV/L para las torres de enfriamiento de flujo contracorriente (“counterflow”) o “peor aún” la resolución de un sistema de
ecuaciones por Gauss Seidel (en realidad una integración multiple) para el KaY/L de las torres de enfriamiento de flujo cruzado (“crossflow”). En ambos casos estamos pensando típicamente en configuraciones con algún tipo de ventilador, probablemente axial y preferiblemente de tiro inducido (“induced draft”) vs. tiro forzado f orzado (“forced draft”).
Se nos plantea entonces la interrogante, al escribir este capítulo, sobre la mejor manera de abordar el tema para beneficio de la mayor cantidad de personas, típicamente usuarios o profesionales evaluando alternativas para equipar o requipar plantas industriales. industriales. Por lo tanto hemos favorecido favorecido poner la información más relevante al usuario en los primeros escalones e incluír toda la artillería numérica sobre las partes finales. Es entonces el propósito de esta primera versión de este sitio comentar sobre los puntos que hacen que determinada torre o diseño o material de construcción sea preferible preferible por sobre sobre otros. En nuestra experiencia, esta información, para nada sofisticada, no siempre es manejada en los comparativas, aún de buena fé. Probablemente podamos plantear cualquier análisis sobre la base de tres tr es aspectos fundamentales: rendimientos térmicos, durabilidad/materiales de construcción y consumo energético. RENDIMIENTOS TERMICOS Aún cuando parezca un comentario infantil, el tema de rendimiento térmico, en especial los deficits térmicos, crónicos en ciertas torres de flujo cruzado (lamentable y probablemente la mayoría!) y críticos en torres de tiro forzado, sorprenden por la multiplicidad de instancias instancias desafortunadas. desafortunadas. Más allá de la falsificación de rendimientos en la literatura impresa comercial (también ocurre en aireadores!), la tendencia a ignorar o “subestimar”
un valor representativo para la temperatura de bulbo húmedo húmedo es demasiado demasiado grave. grave. Creemos que
el suministro o procuración responsable de la temperatura es tan importante como digamos el caudal a enfriar. Esto es debido a que de no especificarse un valor apropiado, el “juego” de
opciones que se permite (una especie de sistema de ecuaciones indeterminado!) es tan amplio que descalifica la solicitud. La variación de los montos involucrados en función de la temperatura de bulbo húmedo es demasiado no lineal. Antes de proseguir con los puntos siguientes, es importante confirmar cual será el objetivo a cumplir por la o las torres de enfriamiento a instalar. A grosso modo, podemos clasificar dos grandes categorías o contextos: 1. las aplicaciones en que fundamentalmente se busca una [gran] disipación de calor, e.g. motores diesel, ciertos procesos de extrusión, condensadores barométricos, ciertos compresores de aire, procesos industriales de distinto tipo, e.g. fundición de aluminio, intercambiadores de aceite; y 2. aplicaciones o situaciones en las que es menester o imperioso “suministrar el agua lo más fría posible.”
En el primer caso, en muchísimos casos, la disipación de calor puede estar trabajando, por decir algún valor, con 45°C temperatura de entrada de agua y 35°C temperatura de salida de agua. Probablemente la temperatura de bulbo húmedo diste bastante alejada, e.g. 24° o 25°C. En estos contextos lo que se persigue es básicamente trasladar el calor del proceso industrial a la atmósfera requiriendo temperaturas de agua fría bastante alejadas de la temperatura de bulbo húmedo reinante o seleccionado. En el segundo caso, el “suministro del agua lo más fría posible” se reconoce claramente la necesidad
del mismo por su impacto en el proceso productivo, sea por enlentecimiento de ciclos, deterioro de producto u otra razón, e.g. necesidad de realizar el proceso en determinado tiempo. En general este contexto es frecuentemente percibido con claridad por los operadores de la planta o proceso. Es prácticamente unánime en la comunidad de fabricantes de torres de enfriamiento evitar propuestas que involucren temperaturas de agua fría (t2) demasiado cercanas al valor de temperatura de bulbo húmedo (twb) seleccionado. En general, se entiende
factible el enfriamiento evaporativo de agua respetando una “distancia” (“approach”) mínima de 5° F (2.78°C) entre t2 y twb. Ejemplo: supongamos que se haya determinado que en determinada localidad se tome, sea por antecedentes meteorológicos o mediciones en planta, un valor de temperatura de bulbo húmedo de 75°F (23.9°C). El proveedor responsable de torres de enfriamiento recomendará aplicar su tecnología suministrando razonablemente agua fría a t2 = twb + 5°F = 75°F + 5°F = 80°F (26.7°C). En realidad está trabajando en el extremo del espectro pero globalmente es aceptable. Si se quiere, los extremos del espectro arrancan de 5°F y probablemente 15-20°F o tan alto como resulte conveniente para el proceso. En forma similar, y sólo para reafirmar el concepto, si la temperatura de bulbo húmedo de diseño fuese 78°F (ca. 25.5°C), podría pensarse sensatamente en requerir t2=twb+5°F=78°F+5°F=83°F (ca. 28.3°C). Esto no significa que el sistema no pueda suministrar temperatura de agua fría menores; en la medida en que la temperatura de bulbo húmedo descienda, la temperatura de retorno acompañará el andamiento. Esta evolución puede ser tan favorable que permita lo que se conoce como “free cooling”, i.e. el empleo directo de agua de
enfriamiento prescindiendo o by-passeando el sector de refrigeración mecánica. Es sorprendente como con esta pauta internacionalmente aceptada entre fabricantes de todo el mundo, haya publicaciones de aire acondicionado que sugieran que la distancia entre la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de condensación pueda setearse en los controladores con valores de 5°F! La moraleja de este segundo contexto es que siendo que las dimensiones, y por lo tanto los montos asociados, evolucionan de un modo muy no lineal al acercar la temperatura de agua fría a la temperatura de bulbo húmedo, los usuarios y profesionales deben balancear cuidadosamente al imponer diseñar y ofertar tan cerca del borde. Lamentablemente va a haber un núcleo de proponentes que serán capaces de elaborar una oferta que pasará por arriba, olímpicamente, la restricción especulando que nunca o poco se dé, meteorológicamente hablando, el valor de temperatura de bulbo húmedo máximo. DURABILIDAD/MATERIALES DE
CONSTRUCCI N Todo fabricante tiene la posibilidad de evaluar o groseramente decidir, la vida útil que asociará al equipamiento que suministra. Desde el empleo de resinas especiales hasta micronaje y equipamiento eléctrico, hemos visto unidades en operación durante más de 20-24 años sin requipamiento sustancial y equipamiento infeliz que no ha llegado a alcanzar un par de años! Creemos que es importante ir examinado los distintos componentes y las alternativas usuales en el mercado. Probablemente el primer punto que aparece en una inspección ocular se refiere al material de construcción del cuerpo de la torre, i.e. los cerramientos incluyendo los laterales, las piletas y partes superiores. Más allá de las instalaciones de porte involucrando obra civil, los cerramientos usuales están constituídos por resinas polyester reforzadas con fibra de vidrio, paredes con espesores 2-3-4mm, relación resina fibra aproximadamente 2.5 – 3 a 1, como la mejor alternativa, durabilidades superiores a 20 años. Las alternativas en hierro galvanizado popularizadas en las primeras unidades probablemente basan su preferencia simplemente en un aparente menor costo, siendo susceptibles de presentar problemas de distinto tipo en entornos industriales. La literatura de tratamiento de aguas está llena de case studies de corrosión y deterioro precoz. Aunque parezca incredible, existen todavía proveedores que emplean cerramientos en fibrocemento! Más allá de la dicotomía ventiladores axiales vs. ventiladores centrífugos, es importante prestar atención a los materiales de construcción y equipamiento eléctrico. En el afán de “mantener la competitividad” hemos visto proveedores que han
optado por emplear ventiladores de palas de plástico en polipropileno o PVC con núcleo de aluminio en vez de palas de aluminio maquinado con núcleos de acero galvanizado electrolíticamente. Podemos recordar que si bien el polipropileno es una material químicamente “noble” sus propiedades mecánicas no son su fortaleza – basta observar las deformaciones que
se producen en cualquier canalización de agua con el tiempo, esto es, no tienen que significar
necesariamente el mejor material para un componente que deberá mantener su angulo de ataque. La variante de PVC asocia la clásica fragilidad, más allá de la formulación específica, también reconocida en tubos o caños, aún Schedule 80. Finalmente, los ventiladores monobloc de aluminio en diámetros mayores, e.g. 1.50m+ con los usuales perfiles no reflejan una preocupación por trabajar con las eficiencias de equipamientos modernos. Por otro lado, hemos visto ventiladores axiales en instalaciones de cierta importancia con núcleos centrales consistentes en apenas un disco de hierro pintado y palas de aluminio plegado. La selección de diámetros de ventiladores excesivamente pequeños, especialmente en las unidades mayores, refleja una preocupación desmedida en disminuir “costos”
a costa de aumentar los BHP del conjunto. Aunque parezca mentira, existen fabricantes que considerar emplear motores de 6 polos como la “alternativa silenciosa”, i.e. vs 4
polos. Cualquier ingeniero [eléctrico, mecánico] o técnico es especialmente sensible a este punto en cuanto a desgaste y vida útil. Todos sabemos que emplear un motor de 4 polos nos abarata la propuesta, pero es esto deseable para el cliente industrial? Como se vé en el análisis de tiro inducido vs. tiro forzado, el “poner el ventilador en el costado” nos “permite” no incluir conos
superiores pero a costa de riesgos térmicos, deterioro precoz de la capa de eliminadores de gotas (expuestos!), desarrollo de algas y potencial de colapso. Aún dentro de los proveedores de torres de flujo contracorriente, tiro inducido existen “infelicidades”
como ser termoformar zonas de las láminas de los rellenos yo/ capas de eliminadores de gotas de manera de que actúen como sistema de distribución de agua, en oposición al empleo de ramales o colectores dedicados con sus correspondientes toberas, estas últimas verdaderas piezas de inyección. Ocurre que con el deterioro de las láminas, es sólo material termoplástico, el “sistema de distribución” así
implementado termina por no existir, reduciéndose simplemente al ingreso de agua directamente de la brida sobre zonas localizadas de relleno, generándose by-pass de aire automáticamente – adiós especificaciones térmicas iniciales! La
esencia del proceso unitario es la uniformidad en la alimentación, tanto en el sistema de distribución de agua como en la distribución de aire. La eliminación de ciertos componentes a los efectos de poder presentar alternativas de bajo costo en la mayoría de los casos sólo terminar por obtener un sistema con perjuicios para el usuario, aún en el corto plazo. El sistema de distribución de agua consistente en simples bandejas, específicamente en el caso de torres de flujo cruzado, hace que de no emplear cobertores, se desarrolle la problemática de algas que terminan por obturar los orificios o minitoberas, en el caso que se hayan incluído. De ninguna manera se acercan a los caudales que alcanzan las toberas empleadas en las torres de flujo contracorriente. Dentro de los materiales de construcción usuales para las láminas de relleno [estructurado] y eliminadores de gotas encontramos formulaciones de PVC, poliestireno de alto impacto y en algunos casos puntuales, polipropileno, aluminio y acero inoxidable. Las aperturas del corrugado oscilan entre 12mm y 50mm y el micronaje entre 400 y 700 µm antes de termoformado. La disposición con orientaciones intercaladas y la alternancia de los valles y “montañas” hacen que los rellenos
colaboran de alguna manera a redistribuir líquido y aire aún con sistemas de distribución subutilizados o precarious. Si bien existen alternativas de rellenos estructurados que en principio evitan el empleo de adhesivos o solventes mediante distintos sistemas de encastres, los resultados que se observan en la realidad son grandes zonas con desarreglos lo cual conspira significativamente contra el rendimiento – algo similar a lo que ocurre en las torres Sessil – la redistribución del líquido y el aire termina por ser un desastre. Los rellenos no estructurados, sea random o de barras, pueden estar fabricados a partir de distintos materiales: plástico, cerámica, madera. La protección habitual de la mayoría de las piezas metálicas como soportes de distinto tipo es a través de galvanizado por inmersión en caliente. CONSUMO ENERGÉTICO. Como puede verse en el estudio de tiro inducido sobre tiro forzado, el diseñador o fabricante de
torres de enfriamiento tiene muchas alternativas para lograr responder a una solicitud dada, i.e. caudal de agua a enfriar y el clásico t1/t2/twb. Básicamente lo que se procura es mantener un equilibrio entre costos iniciales y costos de operación. Es muy probable que un diseño que se haya orientado siguiendo un criterio de menor inversión inicial pueda involucrar mayor costos de operación. Por eso es deseable, especialmente en los proyectos de mayor porte, imponer restricciones en cuanto a BHP permisible – en realidad una medida prudente en cualquier planta industrial. Existen líneas o series de torres de enfriamiento específicamente diseñadas para lograr el menor BHP posible, empleando entre otros recursos, ventiladores de mayor diámetro, algo similar a lo que ocurre en los procesos de aireación mecánica: mayores diámetros y menores velocidades de revolución resultan en un mejor aprovechamiento del recurso energético, en algunos casos en proporciones de 1 a 3, tanto para torres de enfriamiento como aireación mecánica (para confirmar groseramente este aserto basta recordar que el diseñador de la torre, o el fabricante, pueden en principio elegir cualquier cociente líquido gas L/G entre 0.8 y 2.2) Es muy fácil detectar la presencia o ausencia de esta perspectiva examinado los catálogos de cada fabricante y notar, desgraciadamente, el apego a diámetros pequeños aún en las unidades de mayor porte. Es obvio que no están pensando en el bolsillo de los usuarios! Esto se exacerba especialmente en las regiones donde se deben emplear temperaturas de bulbo húmedo de diseño relativamente elevadas, e.g. 26 - 27°C. El empleo de ventiladores centrífugos, obligando al diseño de tiro forzado y duplicando BHPs versus alernativas axiales responde a restricciones de niveles sonoros excepcionales. En primera aproximación, el empleo de atenuadores en instalaciones con ventiladores axiales no redunda en una solución proporcional dado que se dispara la pérdida de carga. Lo sorprendente del tema es que si bien “casi todo el mundo” enfoca su análisis en el sector aerodinámico, y excluyendo aberraciones, la mayor contribución o “polución”
sonora es en realidad debida al ruido de cascada de agua. Es por esta razón que algunos fabricantes ofrecen mallas colocadas en la zona de
lluvia para interrumpir la caída y minimizar esta contribución.
SÍNTESIS DE PUNTOS RELEVANTES - CHECK LIST DE EVALUACIÓN RÁPIDA 1. rendimiento térmico: 100% (flujo contracorriente tiro inducido) vs. 70% (flujo cruzado en prácticamente todas sus formas y tiro forzado en prácticamente todas sus formas) 2. cerramiento prfv vs. galvanizados 3. motor eléctrico 6 polos vs. 4 polos - acople directo 4. ventiladores axiales: aluminio mecanizado con centro de acero galvanizado electrolítico vs. plásticos 5. sistema de distribución independiente vs. “embebido”
6. relleno confeccionado con láminas vinculadas con solvente/adhesivo vs. encastres 7.. ausencia de cono superior – tiro forzado -derating térmico 8. costos de operación
TORRES DE REFRIGERACIÓN Y CONDENSADORES EVAPORATIVOS Las torres de refrigeración son sistemas mecánicos destinados a enfriar masas de agua en procesos que requieren una disipación de calor. En los sistemas de climatización modernos y en ciertos procesos industriales se genera gran cantidad de calor que hay que disipar al ambiente, haciéndose necesario el empleo de agua para la refrigeración del sistema. Sin embargo, supondría graves pérdidas desechar el agua calentada. Una alternativa que permite ahorrar agua y reducir los costes económicos consiste en enfriar el agua mediante una torre de refrigeración y devolverla de nuevo al circuito. Las
torres de refrigeración son, por lo tanto, dispositivos cuya función es la de enfriar agua. Las torres de refrigeración reciben agua a una temperatura elevada y producen la evaporación de una parte de la misma, devolviendo el resto, así enfriada, al circuito. El principio físico en el que se basa se denomina enfriamiento evaporativo. En las torres de refrigeración y con el fin de conseguir la evaporación, se crea una fuerte corriente de aire mediante el empleo de ventiladores. Esta corriente de aire se dirige en dirección contraria a la del agua. El diseño más extendido de torres de refrigeración es aquél en el que el agua más caliente es pulverizada desde la parte superior y la corriente de aire discurre en sentido contrario, de abajo arriba. Para conseguir una mayor eficacia en estos aparatos se emplea un entramado en su interior, denominado relleno, cuyo fin es el de aumentar la superficie de contacto entre el agua y el aire. Con el fin de evitar que se produzcan pérdidas de agua al arrastrarse gran cantidad de gotitas por la corriente de aire, se emplea un dispositivo denominado separador de gotas, situado a la salida de la corriente de aire. En la parte inferior se sitúa, como es lógico, una bandeja cuya misión es la de recoger todo el agua que cae, una vez enfriada. Generalmente en la bandeja se instala un flotador o boya, similar al de una cisterna, que regula el nivel del agua, de tal forma que permite la entrada de agua de renovación a medida que se producen pérdidas en el circuito. Como se ha descrito, en el interior de las torres de refrigeración se crea una corriente de aire mediante el empleo de ventiladores. Según el diseño de la torre, el ventilador puede ocupar dos posiciones diferentes, dando lugar a dos tipos de torres de refrigeración: a.- Torres de refrigeración de aire forzado Son aquéllas en las que el ventilador fuerza la entrada de aire en el interior de la torre. Existe en el interior una situación de sobrepresión. El ventilador está situado en el punto de captación de aire, es decir " a la entrada" (físicamente el ventilador está en la parte inferior de la torre). b.- Torres de refrigeración de inducción Son aquéllas en las que el ventilador fuerza la salida de aire del interior de la torre de refrigeración. Existe en el interior una situación de bajopresión. El ventilador está situado en el punto de emisión de aire, es decir "a la salida" (físicamente el ventilador está en la parte superior de la torre) TORRES DE REFRIGERACI N
A. Torre de refrigeración de aire forzado
B. Torre de refrigeración de inducción
Torres de Refrigeración: cómo son, cómo funcionan
Una torre de refrigeración es un intercambiador de calor cuyo objeto es la eliminación de una cantidad de calor de un sistema hidráulico. Este calor se transmite a la atmósfera, siendo el agua retornado a una temperatura inferior. El aire se usa como un medio de refrigeración por medio del fenómeno físico de la evaporación. La transferencia de calor desde el agua al aire se lleva a cabo por convección y por evaporación
Siempre que es posible, una planta de generación de energía prefiere utilizar un sistema de refrigeración en circuito abierto, tomando el agua fría de un cauce público (mar o río) y devolviéndolo a mayor temperatura después de refrigerar los circuitos necesarios (normalmente, el condensador de la turbina de vapor). Cuando por razones técnicas o legislativas no se puede disponer de un cauce público del que extraer el agua fría y devolverla a mayor temperatura, se emplea un circuito semiabierto con torres de refrigeración. La principal ventaja es que el aporte de agua es mucho menor, y por tanto, el impacto medioambiental de las plantas que evacuan el calor sobrante utilizando torres de refrigeración, también lo es. La refrigeración con torre evaporativa es con
diferencia el sistema más empleado para la evacuación de calor sobrante en centrales termosolares, plantas de cogeneración y centrales de ciclo combinado Existen
tres
tipos
Torres Torre - Torres de tiro natural
de de de
torres
de
refrigeración:
tiro tiro
inducido forzado
Torres de refrigeración de tiro inducido En la torre de tiro inducido el agua caliente procedente de la refrigeración se deja caer por el interior de la torre mediante un sistema de distribución de agua, que debe caer uniformemente sobre el relleno. En la parte superior hay unos ventiladores que hacen que el aire circule a contracorriente del agua. El fenómeno de cesión de calor se debe a que al entrar en contacto el agua caliente con el aire se forma una película de aire húmedo alrededor de cada gota. El agua que pasa al aire, y por tanto se evapora, extrae el calor necesario para la evaporación del propio líquido y produce por tanto un enfriamiento del mismo. Por la parte superior sale el aire húmedo, visible si las condiciones ambientales dificultan la dispersión de este vapor en el aire (frío intenso o humedad relativa alta). Este vapor visible se denomina penacho o pluma, y aunque es vapor de agua (más que vapor es niebla, es decir gotas finas de agua) y por tanto no es contaminante, tiene cierto impacto visual.
Figura 3: Sección de una torre de tiro inducido
Una de las principales ventajas de este tipo de torre es que puede ser bastante baja, disminuyendo así la energía requerida para el bombeo de agua a las partes altas de la torre. Los elementos que compone una torre de refrigeración son prácticamente los mismos para las de tipo forzado e inducido. Los más importantes son los siguientes: Separador de gotas: El separador de gotas tiene la finalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la dirección (60 grados es la más efectiva) del aire al salir. Esta variación provoca que el agua arrastrada se deposite sobre la superficie del separador de gotas, cayendo posteriormente al relleno. La existencia del separador tiene tres ventajas: •
1. La reducción de pérdidas de agua. 2. Evitar daños en el entorno de la torre, y sobre todo si el agua de torre es agua salada. 3. Limitar la formación de neblinas. Sistema de distribución de agua a enfriar: Este sistema de tuberías y conducciones tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos de reparto: por gravedad o por presión. En el primero el agua caliente cae sobre el relleno por su propio peso. Su funcionamiento consiste en llevar hasta una balsa colocada sobre el relleno el agua caliente y una vez allí se reparte por unos canales que dejan caer el agua por gravedad sobre unas piezas en forma de herradura que sirven de enlace entre los canales y el relleno. En el segundo, la tubería que contiene el agua con cierta presión (suministrada por las bombas de impulsión del circuito de refrigeración) se conduce por tuberías hasta unos aspersores, que rocían el relleno con pequeñas gotas. •
Relleno: Tiene una vital importancia para el intercambio de calor ya que debe proporcionar: •
1. Una superficie de intercambio lo más grande posible entre el agua que cae y el aire que asciende. 2. Retardar el tiempo de caída del agua, asegurando una mayor duración del proceso de intercambio. Las
características
de
un
relleno
deben
ser:
1. Se debe de realizar con un material de bajo coste debido a la cantidad que se emplea, y debe ser de fácil colocación. 2. La superficie del mismo debe ser la mayor posible en relación con su volumen. 3. Su diseño debe permitir fácilmente el paso del aire entre él, de forma que ofrezca la menor resistencia y perdida de carga. Así mismo debe distribuir uniformemente el aire y el agua. 4. Debe ser resistente al deterioro ambiental, químico y térmico y debe ser fácil
de
limpiar.
Existen tres formas distintas de realizar el reparto de agua a través del relleno: por salpicadura o goteo, de película o laminares y de tipo mixto. Cada uno tiene sus inconvenientes y sus ventajas por lo que se tiende a utilizar cada tipo de relleno dependiendo de las características de uso y diseño de la torre. Los más habituales son los de película o laminados. Este relleno distribuye el agua en una fina película que fluye por su superficie y por consiguiente pone una gran superficie de agua en contacto con la corriente de aire. La película de agua debe de ser muy delgada y cubrir la mayor superficie posible del relleno, y debe procurarse que el agua descienda adherida a la superficie del relleno evitando que la corriente del aire separe el agua del relleno. Para conseguir estos objetivos se realiza grupos de láminas onduladas de PVC o PP colocadas de forma paralela y a cierta distancia formando cubos para favorecer su apilado. Ventiladores. Estos equipos trabajan en condiciones duras, debido a que están continuamente en funcionamiento, en un clima de elevada humedad y temperatura. Son los encargados de crear el flujo de aire. El equipo completo se compone de motor, transmisión y aspas. •
Los motores de las torres de refrigeración deben de estar convenientemente protegidos de la humedad (protección IP55 o IP65 contra polvo y chorros de agua), y de la atmósfera contaminada por los aditivos del agua. Suelen llevar un aislamiento de tipo B (aislado para temperaturas de hasta 120 grados) o F (aislado para temperaturas de hasta 140 grados), y siempre que es posible el motor se coloca resguardado de las corrientes de aire caliente y saturado, mediante su correspondiente sistema de transmisión. Existen diferentes sistemas de transmisión dependiendo de las necesidades de construcción (cardan, acoplamientos flexibles y reductores). Las aspas suelen ser de plástico o aluminio, por su ligereza y resistencia a la corrosión. El número de aspas influye directamente sobre la presión que se ejerce en ellas: a mayor número de aspas menor presión se ejerce en ellas. Igualmente, un número mayor de aspas supone facilidades para un óptimo equilibrado, para evitar posibles problemas de vibraciones (se recomienda cada tres o cuatro años un equilibrado del ventilador debido a la posible erosión de las aspas, corrosión o a la deposición de suciedad). Se puede variar el ángulo de ataque en parada de éstas, fácilmente. Bombas de impulsión. Las bombas se utilizan para que el agua ya enfriada alcance presión suficiente como para llegar a los diferentes elementos a enfriar y posteriormente subir el agua ya calentada a la parte superior de la torre, cerrando el circuito. El conjunto de bombas deben cumplir con los requerimientos de la instalación (caudal y altura manométrica). •
Balsa. Situada en la parte inferior de la torre, es el depósito de agua fría de la torre. •
Sistema de agua de aporte. La evaporación de agua en la torre provoca una disminución del volumen de agua en ésta. Por otro lado, la concentración de •
sales en el agua se controla con un régimen de purgas adecuado. La evaporación y las purgas hacen que sea necesario el aporte constante de agua.
Torres de tiro forzado Las torres de enfriamiento de tiro forzado están generalmente dotadas de un ventilador con su eje horizontal en el lado de la torre el cual descarga aire hacia atrás. El flujo de aire es dirigido después hacia arriba por mamparas, haciéndolo pasar a través de la corriente descendente del agua, después de lo cual es descargado por la parte superior a través de un sistema que elimina la mayor parte de las gotas arrastradas. Ya que la totalidad de la superficie de la parte superior de la torre es usada para la descarga de aire, la velocidad del aire de salida es más baja que las velocidades de descarga de la torres de tiro inducido. Los elementos que componen estas torres son prácticamente los mismos que los que componen las torres de tiro inducido. La ventaja de estas torres es que el ventilador es más fácilmente accesible y está sometido a condiciones menos rigurosas, por el contrario estas torres tienen peor distribución del aire a lo largo del relleno, suelen ser más elevadas y tienen más consumo eléctrico en ventiladores.
Fig 4: Conjunto de torres de tiro forzado Torres de tiro natural En las torres de tiro natural el aire se mueve por el efecto chimenea. No se consume ningún tipo de energía para efectuar el movimiento de este aire. Son particularmente seguras en su funcionamiento y generalmente se emplean para el enfriamiento de grandes caudales de agua. Ocupan un volumen mayor a igualdad de capacidad de enfriamiento que las torres de tiro inducido o forzado; esto se debe a que las velocidades del aire son bajas. No son muy habituales en plantas de cogeneración y por el contrario es el sistema más común en grandes centrales eléctricas.
Los procesos de enfriamiento del agua Fecha:25-Abr-2006Fuente:QuimiNetSectores relacionados:Maquinaria y Equipo, Mantenimiento industrial,Maquinaria y equipo industrial, Tratamiento de agua
Los procesos de enfriamiento del aguase cuentas entre lo más antiguos que haya desarrollado el hombre. Por lo común el agua se enfría exponiendo la superficie al aire. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque, otros son comparativamente rápidos, por ejemplo, el rociado de agua hacia el aire, todos estos procesos implican la exposición de la superficie del agua al aire en diferentes grados. Impurezas más comunes en el agua
Como se había mencionado anteriormente el agua en estado puro no existe y dependiendo de la fuente de donde provenga contiene un sin numero de impurezas, a continuación enlistaremos solo las que nos afectan en el tratamiento interno de los sistemas de enfriamiento.
Constituyente
Fórmula Química
Dificultad que causa
DUREZA
Sales de Ca y Mg
Fuente Principal de incrustaciones en tuberías
ACIDEZ MINERAL
H2S04
LIBRE BIÓXIDO CARBONO
HCl DE CO2
SULFATOS
SO 4
CLORUROS
Cl (como NaCl)
SÍLICE
SiO2
Corrosión Corrosión en las Líneas de agua Aumenta el contenido de sólidos en el agua. Se combina con calcio para formar sales incrustante de sulfato de calcio. Aumenta el contenido de sólidos e incrementa el carácter corrosivo del agua. Incrustación en sistemas de agua de enfriamiento.
Impurezas más comunes en el agua
FIERRO OXIGENO SULFURO HIDRÓGENO
Fe + 2 Ferroso Fe + 3 Ferrico 02 DE H2S
SÓLIDOS DISUELTOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS MICROORGANISMOS
Algas, limo hongos.
Fuente de depósitos en las tuberías. Oxidación en tuberías (hierro y Acero). Corrosión Elevadas concentraciones de sólidos son indeseables debido a que originan formación de lodos. Originan depósitos en equipos intercambiadores de calor y tuberías ocasionan formación de lodos o incrustación. de adherencias y Formación suciedad biológica, corrosión, olores desagradables.
Sisitemas de enfriamiento
La refrigeración mecánica es el proceso mediante el cual se reduce la temperatura de una sustancia por debajo de la que prevalece en su ambiente. La industria de procesos químicos es uno de los usuarios mas importante de las instalaciones de refrigeración. Los grandes usuarios típicos de la refrigeración es este campo realizan procesos como la elaboración de hule sintético y textiles, refrigerantes, cloro, plásticos, fluoruro de hidrógeno, intermedios de nafteno, tinturas, tereftalato de dimetilo, acrilonitrilo y caprolactama. La refrigeración se emplea para suprimir calor de reacciones químicas, licuar gases de procesos, separar gases por destilación y condensación y purificar productos mediante la congelación de separación selectiva de un componente de una mezcla. La refrigeración se usa también en forma amplia en el acondicionamiento de aire de zonas de plantas industriales, con fines de confort y en aplicaciones asociadas a procesos y al aprovechamiento térmico ambiental. El acondicionamiento de aire es el proceso que consiste en tratar el aire de tal modo que se controlen simultáneamente su temperatura, su humedad, limpieza y distribución para satisfacer los requisitos del espacio acondicionado. El desarrollo y la ampliación de procesos a bajas temperaturas de ha ampliado de una manera impresionante en la ultima década. La utilización el oxigeno y el nitrógeno líquido en el desarrollo de cohetes y naves espaciales ha generado un aumento increíble en la capacidad de licuefacción y separación del aire. Clasificación de torres por tipo y funciones
•
CLASIFICACIÓN POR PROCESO .
Existen dos forma de enfriar un fluido: ENFRIAMIENTO DIRECTO : En el cual el fluido de enfriamiento, en este caso el agua fría, va directamente al proceso y regresa como agua caliente a la parte superior (charolas), de la torre de enfriamiento. ENFRIAMIENTO INDIRECTO : En este caso el agua fría intercambia calor con un equipo (intercambiador de calor) y regresa como agua caliente a la parte superior (charolas), de la torre de enfriamiento. ENFRIAMIENTO INDIRECTO : en este caso el agua fría intercambia calor con un equipo (intercambiador de calor) y regresa como agua caliente a la parte superior de la torre, en el intercambiador de calor el fluido frío pasa por el proceso intercambia calor y regresa al intercambiador como fluido caliente. Clasificación de torres por tipo de tiro
TORRES DE TIRO MECÁNICO : En la actualidad se emplean dos tipos de torre de tiro mecánico, el de TIRO Inducido. En la Torre de tipo forzado el ventilador se monta en la base y se hace entrar aire en la base de la misma y se descarga con baja velocidad por la parte superior. Esta Disposición tiene la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, sitio muy conveniente para la inspección, el mantenimiento y la reparación de los mismos. Puesto que el equipo queda fuera de la parte superior caliente y húmeda de la torre, el ventilador no esta sometido a condiciones corrosivas, sin embargo, dada la escasa velocidad del aire de salida, la torre de tiro forzado esta sujeta a una recirculación excesiva de los vapores húmedos de salida que retornan a las entradas de aire. Puesto que la temperatura del aire de salida es mucho mayor que la del aire circulante, existen una reducción en el buen desempeño, lo cual se evidencia mediante un incremento en la temperatura del agua fría (saliente). La torre de tiro inducido es la que se usa con mayor frecuencia. A su vez esta clase general se subdivide en diseños de CONTRAFLUJO o FLUJO TRANSVERSAL, dependiendo de las direcciones relativas de flujo del agua y el aire. TORRES ATMOSFÉRICAS: de enfriamiento: La torre atmosférica de enfriamiento es aquella en que la perdida de calor se logra primordialmente gracias al movimiento natural del aire a través de la estructura. TORRES DE TIRO NATURAL : Las torres de tiro natural o de tiro hiperbólico son apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que acostumbra usar llegan a tener diámetros del orden de 80.5 metros y alturas de340 pies. La conveniencia de diseño obtenida
gracias al flujo constante del aire de las torres de tiro mecánico no se logra en un diseño de tiro natural. El flujo de aire a través de la torre de tiro natural se debe en su mayor parte a la diferencia de densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida. El aire expulsado por la columna es mas ligero que el ambiente y el tiro se crea por el efecto de chimenea, eliminando con ello la necesidad de ventiladores mecánicos.
Clasificación por circuito
SISTEMA DE RECIRCULACIÓN CERRADO : El agua circula dentro del sistema y no hay contacto con la atmósfera, en este tipo de sistema no hay perdidas por evaporación, ni por purgado. SISTEMA DE RECIRCULACIÓN ABIERTO: En este tipo de sistema existe contacto con la atmósfera, por lo que existe perdidas por evaporación y por purgado. •
CLASIFICACIÓN POR FUNCIONAMIENTO:
Dependiendo del funcionamiento existen cuatro tipos básicos de sistemas de enfriamiento de aguas: Aire acondicionado -Chiller (Enfriamiento rápido) Refrigeración - Torres de enfriamiento /Condensador
Sistema de enfriamiento directo (diagrama 1)
Foto por Cliente Química total_01 T-1 TORRE DE ENFRIAMIENTO B-1 BOMBA DE AGUA FRÍA En este tipo de sistema el agua enfriada es bombeada directamente al proceso. En dicho proceso se lleva a cabo el intercambio de calor y el agua caliente es retornada a la TORRES DE ENFRIAMIENTO. Sistema de enfriamiento indirecto (diagrama 2)
Foto por Cliente Química total_02 •
LIQUIDO A ENFRIAR (ACEITE, AGUA O SALMUERA)
T-1 TORRE DE ENFRIAMIENTO B-1 BOMBA DE AGUA FRÍA IC-1 INTERCAMBIADOR DE CALOR B-2 BOMBA DE LIQUIDO DE ENFRIAMIENTO En este tipo de sistema el agua enfriada se bombea a un intercambiador de calor y este se retorna nuevamente a la TORRE DE ENFRIAMIENTO. En el INTERCAMBIADOR DE CALOR se lleva a cabo a la transferencia de calor entre el agua enfriada y un liquido que podría ser un aceite o alguna salmuera, este líquido es bombeado al proceso y retornado al INTERCAMBIADOR DE CALOR. DIAGRAMA 3
Foto por Cliente Química total_03 En este tipo de sistema se emplean uno o más ventiladores para remover grandes cantidades de aire a través de la unidad. El tiro de aire forzado es enviado horizontalmente a través de las bandejas y contra las gotitas de agua. Las gotas que son arrastradas hacia arriba son detenidas por los deflectores ubicados en la parte alta de la torre. DIAGRAMA 4
Foto por Cliente Química total_04 Una corriente de aire inducido sube por la torre a contracorriente de las gotas de agua que caen a través de las bandejas. El agua de mayor temperatura esta en contacto con el grueso de aire húmedo y el agua. La recirculación de aire
caliente es despreciable debido a que los ventiladores envían este aire caliente bastante lejos. Continuando con los diagramas: DIAGRAMA 5
Foto por Cliente Química total_05 Esa torre provee de un flujo horizontal de aire, mientras el agua cae en cascada en pequeñas gotas que son cruzadas por la corriente de aire. La perdida de presión estática es pequeña debido a que existe menor resistencia al paso del aire. Los deflectores modifican la dirección del aire en el sentido del ventilador. TORRE DE ENFRIAMIENTO ATMOSFÉRICO (DIAGRAMA 6)
Foto por Cliente Química total_06 El agua es pulverizada por las bandejas lo que incrementa la eficiencia de enfriamiento al presentar una mayor superficie húmeda. Las aberturas laterales permiten el paso del aire a través de la torre en toda su altura.
TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO NATURAL (DIAGRAMA 7)
Foto por Cliente Química total_07 El flujo de aire a través de la TORRE DE ENFRIAMIENTO NATURAL, se debe a la diferencia de densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida. El aire expulsado por la columna es más ligero que el del ambiente y el tiro se crea por el efecto de chimenea, eliminando con ello necesidad de ventiladores.
DIAGRAMA 8
Foto por Cliente Química total_08 TE-1 V-1
TORRE VÁLVULA
DE
DE
ENFRIAMIENTO PURGA
B-1 BOMBA SISTEMA DE C-1 E-1 B-2 BOMBA SISTEMA DE CO-1 COMPRESOR A-1 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
TORRE/ AIRE DE
CONDENSADOR CONDENSADOR ENFRIADOR ACONDICIONADO FREON
En este sistema se muestra un sistema combinado de TORRES DE ENFRIAMIENTO /CONDENSADOR, UN SISTEMA CERRADO DE AIRE ACONDICIONADO, UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN (COMPRENSIÓN A Freón) y un SISTEMA DE CHILLER (válvula de expansión). DIAGRAMA 8
Foto por Cliente Química total_09 Como se puede ver existen diversos tipos de sistemas de enfriamiento y cada uno tiene sus propias características.
