UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
OPERACIONES UNITARIAS III
EQUIPOS DE HUMIDIFICACIÓN HUMIDIFICACIÓN
a) Torres de enfriamiento ¿Qué es una torre de enfriamiento? Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua. En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico. El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación.
1. Tipos de operación La forma más simple y usual de clasificar las torres de enfriamiento es según la forma en que se mueve el aire a través de éstas. Según este criterio, existen torres de circulación natural y torres de tiro mecánico.
1.1.
Torres de enfriamiento de circulación natural
En las torres de circulación natural, el movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales.
Torres de enfriamiento de tiro natural: Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno. La diferencia de densidades entre el aire húmedo caliente y el aire atmosférico es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a través de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica. 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.
Figura 1. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro natural.
Torres de enfriamiento atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire. En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire. Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos.
Figura 2. Esquema de una torre de enfriamiento atmosférica
1.2.
Torres de tiro mecánico
Las torres de tiro mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a través del relleno. Las torres de tiro mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de
salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeños (hasta de 1 o 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3 o 4 ºC). Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido.
Torres de enfriamiento de tiro forzado: El aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que en el caso de tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida, Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire.
Figura 3. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro forzado.
Torres de enfriamiento de tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Es el tipo de torre más util izado en la industria.
Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado. El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto. La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas, el aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado. En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende. Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.
Figura 4. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro inducido.
2. Partes de una torre de enfriamiento Las torres de enfriamiento cuentan con las siguientes partes:
Sistema de distribución: Son todas las partes de la torre de enfriamiento, comenzando con la conexión de entrada, que reparte el agua caliente a la torre en las zonas donde el agua está en contacto con el aire.
Boquillas: Dispositivo para controlar la distribución del agua en la parte superior de una torre de enfriamiento. Las boquillas están diseñadas para suministrar agua en forma de rocío (spray), a presión (torre tipo contraflujo), o de chorro si es por gravedad (torre tipo flujo cruzado).
Cabezal: Tubo principal que conduce el agua a cada celda o a la tubería del sistema de distribución en cada celda.
Válvula de control de flujo: Válvula controlada manualmente, que por lo general se localiza en la línea de alimentación de agua caliente.
Relleno: Parte del sistema interno de la torre que puede consistir en barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones, con objeto de afectar la superficie de transferencia entre el agua de circulación y el aire que fluye hacia la torre de enfriamiento.
Eliminadores de Rocío: Es un ensamble fabricado de madera, metal o PVC, el cual sirve para retener las gotas de agua arrastradas por el aire. Se localizan en la zona de descarga del aire.
Depósito de agua fría: Elemento estructural localizado en la parte inferior de la torre de enfriamiento para recibir el agua fría de la torre y dirigirla a una línea de succión o al cárcamo. Los materiales de construcción son: madera tratada, metal, fibra de vidrio o concreto.
Persianas (Louvers): Ensambles instalados en las entradas de aire de la torre de enfriamiento para eliminar el salpiqueo de agua.
Figura 5. Partes de una torre de enfriamiento
3. Factores que determinan una torre de enfriamiento Es importante conocer las variables que se usan para empezar a especificar una torre de enfriamiento correctamente; y aunque esto parece elemental, en algunas ocasiones dichas variables no se conocen bien.
Flujo (F): Es la cantidad de agua que va a circular por la torre. Las unidades comunes en que se expresa son m 3/h. Esta variable es fijada por el cliente o asesor dependiendo del proceso.
Temperatura del agua caliente (TAC): Es la temperatura del agua en circulación al entrar a la torre de enfriamiento; está dada por las condiciones del proceso y también debe ser fijada por el cliente o el asesor, dependiendo del proceso.
Temperatura de agua fría (TAF): Es la temperatura del agua en circulación al salir de la torre y, al igual que la anterior, está determinada por el proceso en cuestión.
Temperatura del bulbo húmedo (TBH): Es la temperatura de equilibrio dinámico que se alcanza en la superficie del agua cuando el flujo del calor transferido a la superficie por convección se iguala con el flujo de masa transferida fuera de la superficie.
Prácticamente es la temperatura que se alcanza en un termómetro rodeado de una mecha humedecida en forma constante y es la temperatura teórica que se puede alcanzar el agua fría con una torre infinita.
Rango de enfriamiento (R): Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente y del agua fría.
Aproximación al bulbo húmedo (AP): Es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la temperatura del bulbo húmedo.
Capacidad de enfriamiento: El diagnóstico energético de las torres de enfriamiento está basado en el Código CTI ATC-105 (Coling Technology Institute, Acceptance Test Code), 1982. En este se dan las instrucciones para determinar la capacidad de enfriamiento de la torre, mediante dos métodos:
El Método de Curvas de Comportamiento (Método de Curvas): Determina la capacidad de enfriamiento de la torre a las condiciones de diseño. Este método requiere de dos curvas de comportamiento
de
la
torre
a
diferentes
capacidades.
Adicionalmente se requiere del flujo de agua que entra a la torre, las temperaturas de agua caliente, agua fría y bulbo húmedo, voltaje y amperaje del motor del ventilador.
El Método de Curvas Características (Método que se resuelve utilizando el criterio de Merkel): Determina la capacidad de enfriamiento de la torre. El Método requiere de una curva característica de la torre, así como de valores de diseño: relación líquido-gas (L/G), relación característica de la torre (Ka V/L) o de la aproximación de diseño. Con estos valores se determinan los valores actuales de relación de flujo (L/G) y la relación característica de la torre (Ka V/L). Con estos valores de diseño y prueba se determina la capacidad de enfriamiento actual de la torre.
Cabe mencionar que el Diagnóstico Energético se complementa con una inspección física o formato de inspección visual, de los elementos que integran a la torre de enfriamiento.
b) Humidificador La humidificación es el proceso mediante el cual se aumentan la humedad específica y la cantidad de calor del aire. Para conseguir esto, en la industria existen principalmente dos tipos de humidificadores: de atomización y evaporación.
Humidificadores de atomización: Emplean un eje que gira a gran velocidad enviando una fina lámina de agua desde un depósito para golpear unas cuchillas fijas. Las gotitas que se forman son ventiladas y se evaporan en un metro del dispositivo. Este tipo de humidificador se llama también “centrífugo” porque arroja el agua
mediante la fuerza centrífuga de su eje central.
Figura 6. Esquema de un humidificador por atomización
Humidificadores de evaporación: Se trata de un sistema de humidificación muy frecuente en sistemas de conducción. Un sistema eficaz de este tipo hace pasar la corriente alterna directamente a través del agua para calentarla. Se basa en empapar de agua los materiales absorbentes y expulsar el aire de la sala hacia él. Un modelo eficaz consiste en una banda de plástico esponjoso sobre un tambor que se humedece en un depósito de agua, el tambor se mueve mientras un ventilador mueve el aire de la sala mediante la esponja húmeda.
Figura 7. Esquema de un humidificador de evaporación.
c) Deshumidificador La deshumidificación es necesaria muy a menudo en procesos de aire acondicionado o en procesos industriales. La humedad puede removerse por absorción en líquidos o en sólidos (procesos llamados de absorción química) o enfriando por debajo del punto de rocío. Existen dos tipos de deshumidificadores, ambos eléctricos y la elección de uno o de otro dependerá del clima. Estos son los deshumidificadores desecantes y los deshumidificadores refrigerantes.
Deshumidificadores desecantes: Se llaman así porque eliminan la humedad del aire moviéndolo mediante materiales desecantes, como el cloruro de litio o gel de sílice. Funcionan con un tambor que gira lentamente, el aire ambiental es conducido a través de un sector del tambor y la humedad es extraída por el desecante durante el proceso.
Figura 8. Esquema de un humidificador desecante.
Deshumidificador refrigerante: Consiste en un sistema de bobinas de alta y baja presión llevando el aire ambiental hacia ellas mediante ventiladores. El aire ambiental se enfría primero por las bobinas de baja presión, y deberá enfriarse por debajo de su punto de condensación para que el agua se condense y gotee por un pozo que deberá ser drenado. Entonces el aire pasa directamente a las bobinas de altas presiones, que hacen retroceder el calor llegado de las bobinas enfriadoras. El aire que expulsa el aparato es más seco e inalterado en su temperatura, como se pretendía.
Figura 9. Esquema de un deshumidificador refrigerante.
BIBLIOGRAFÍA Green, D.; Perry, R (2008). Perry´s Chemical Engineers handbook , 8th. Edition, Mc. Graw-Hill. USA. Hernández, E. (2009). Fundamentos de aire acondicionado y refrigeración, Editorial Limusa. México. Montoya, C. (s.f). Torres de enfriamiento. Obtenido el 31/10/2014 de: http://www.si3ea.gov.co/ Mundo HVACR (s.f). Torres de enfriamiento. Obtenido el 31/10/2014 de: http://www.mundohvacr.com.mx/ Thompson, G. (s,f). El museo y su entorno . Obtenido el 31/10/2014 de: http://books.google.com.mx/ Treybal R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa , segunda edición, editorial McGraw-Hill. México.
