I. MA MARCO RCO TEÓR TEÓRICO ICO Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico). El obeto que se persigue en la torre es que la gota este el ma!or tiempo posible en contacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma ! además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo ! al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, "acen que se forme una película mu! delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. En t#rminos generales, podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el dise$o ! selección de la misma ! nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de dise$o, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia t#rmica. %na torre de refrigeración es una instalación que extrae calor del agua mediante evaporación o conducción. Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. &omo resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. 'ambi#n "a! torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. &uan &uando do el agua agua es reut reutililiz izada ada,, se bombe bombea a a trav# trav#ss de la inst instal alac ació ión n en la torr torre e de enfriamiento. espu#s de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse enfriarse generalmente generalmente tiene temperaturas entre * ! +* &. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento ! de a"í flu!e "acia abao a trav#s de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. &uando el agua flu!e "acia abao, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de -* a *&. /arte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. /or eso se puede observar vapor de agua encima de las las torres de refrigeración. /ara crear fluo "acia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un fluo de aire ascendente "acia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente ! se retraerá desde a"í para al proceso de producción. 1
Descripción de Componentes -. Entrada de agua caliente. . 0anco de esperas para asegurar una distribución uniforme del agua sobre el relleno. 1. 2elleno de enfriamiento que tiene una alta eficiencia ! ofrece la máxima área de . 3. +. 6. 8.
transferencia de calor, lo que traduce en una gran capacidad de enfriamiento. Eliminador de rocío. 4entilador axial. 5otor específicamente seleccionado para cada torre. 7ilenciador (opcional). &uerpo constituido por paredes laterales fácilmente removibles para inspección !
9. -*. --. -. -1. -.
mantenimiento. &isterna de agua fría. 2ebosadero. 7alida de agua fría. 4álvula con flotador. Entrada de aire. 7alida de aire.
Funcionamiento de las torres de refrigeración 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 ! materia al aire que circula por el interior de la torre. : fin de meorar el contacto aire;agua, se utiliza un entramado denominado
sta se produce debido a dos mecanismos? la transmisión de calor por convección ! 2
la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. En la transmisión de calor por convección, se produce un fluo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento@ alrededor del 9* A es debida al fenómeno difusivo. :l entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire "Bmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire "Bmedo que circula por la torre, produci#ndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteni#ndose un enfriamiento del agua ! un aumento de la temperatura del aire. La diferencia de temperaturas del agua a la salida ! la temperatura "Bmeda del aire se llama CacercamientoD o
Clasificación de las torres de enfriamiento La forma más simple ! usual de clasificar las torres de enfriamiento es segBn la forma en que se mueve el aire a trav#s de #stas. 7egBn este criterio, existen torres de circulación natural ! torres de tiro mecánico. En las torres de circulación natural, el movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas ! ambientales. Las torres de tiro mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a trav#s del relleno. •
Torres de circulación natural
7e clasifican, a su vez, en torres atmosf#ricas ! en torres de tiro natural. Las torres
atmosféricas utilizan
las corrientes de aire de la atmósfera. El aire se mueve de
forma "orizontal ! el agua cae verticalmente (fluo cruzado). 7on torres de gran altura ! peque$a sección transversal. eben instalarse en lugares mu! despeados, de forma que ningBn obstáculo pueda impedir la libre circulación de aire a trav#s de la torre. 'ienen un costo inicial alto debido a su gran tama$o, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes mecánicas móviles. %na torre de este tipo puede ser una solución mu! económica para determinadas necesidades de refrigeración si se puede garantizar que funcionará "abitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores a los 8 mF". 7i la velocidad promedio del viento es baa, los costos fios ! de bombeo aumentan muc"o en relación a una torre de tiro mecánico ! no compensan el a"orro del costo de ventilación. :ctualmente, las torres atmosf#ricas están en desuso.
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%na torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran c"imenea situada sobre el relleno. La diferencia de densidades entre el aire "Bmedo caliente ! el aire atmosf#rico es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a trav#s de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo ! el viento que circula por la parte superior de la c"imenea tambi#n a!uda a establecer el fluo de aire. /or ambos motivos, las torres de tiro natural "an de ser altas !, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen baos costos de mantenimiento ! son mu! indicadas para enfriar grandes caudales de agua. :l igual que las torres atmosf#ricas, no tienen partes mecánicas. La velocidad media del aire a trav#s de la torre suele estar comprendida entre - ! mFs. 7:LI: E :I2E seca del aire es Las torres de tiro natural no son adecuadas cuando la temperatura elevada, !a que #sta debe ser siempre inferior a la del agua caliente. Go es posible conseguir un valor de acercamiento peque$o ! es mu! difícil controlar exactamente la temperatura del agua. En las torres de tiro ;natural no se pueden utilizar rellenos
de
gran
compacidad,
debido a que la resistencia al fluo de aire debe ser lo más peque$a posible. Estas torres son mu! utilizadas en centrales t#rmicas@ mu! pocas veces son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversión inicial necesaria. •
Esquema de una torre de tiro natural
Torres de tiro mecánico Las torres de tiro mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. 7e trata de torres compactas, con una sección transversal ! una altura de bombeo peque$as en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, ! se pueden lograr valores de acercamiento mu! peque$os ("asta de - o H&, aunque en la práctica acostumbra a ser de 1 o H&). 7i el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. &uando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se "abla de tiro inducido.
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En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baa velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de fluo a contracorriente. 7on más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabao Btil. El aire que se mueve es aire frío de ma!or densidad que en el caso de tiro inducido. Esto tambi#n significa que el equipo mecánico tendrá una duración ma!or que en el caso de tiro inducido, !a que el ventilador trabaa con aire frío ! no saturado, menos corrosivo que el aire caliente ! saturado de la salida, &omo inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida "acia la zona de baa presión, creada por el ventilador en la entrada de aire. Esquema de una torre de tiro mecánico
Torres de tiro inducido
Las torres de tiro inducido pueden ser de fluo a contracorriente o de fluo cruzado. El fluo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a trav#s del relleno, de manera que los fluos de agua ! de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto. La ventaa 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 #stas, el aire puede entrar a trav#s de una o más paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. :demás, la elevada velocidad con la que entra el aire "ace que exista el riesgo de arrastre de suciedad ! cuerpos extra$os dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran p#rdida de presión estática ! en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de fluo cruzado.
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'orre de fluo cruzado (tiro inducido)
'orre de fluo a contracorriente ! tiro inducido.
En las torres de fluo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende. Estas torres tienen una altura menor que las torres de fluo a contracorriente, !a que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaa de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto t#rmico ! un valor de acercamiento peque$o, puesto que ello significará más superficie transversal ! más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de fluo a contracorriente.
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