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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE ACAYUCAN Asignatura: Operaciones unitarias III

INVESTIGACÓN

UNIDAD I Procesos Industriales que incluyen Torres de Enfriamiento Presentan: Eduardo Alain Vázquez Mateo

Grupo: 701-A Docente: ING. Victoria Castillo Miguel

Acayucan, Ver a 30 de Agosto de 2015.

Operaciones Unitarias III

Alumno: Eduardo Alain Vázquez Mateo IBQ 701-A

CONTENIDO Introducción ............................................................................................................................ 3 Torres de enfriamiento ........................................................................................................... 4 Torres de enfriamiento de tiro natural ................................................................................ 5 Torres por tiro forzado ........................................................................................................ 6 Usos especiales de torres de refrigeración............................................................................ 7 Clasificación en función de la forma en que el aire atraviesa el relleno ............................... 8 OPTIMIZACION DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO..................................................... 8 Función:............................................................................................................................... 8 Funcionamiento................................................................................................................... 8 Centrales térmicas .............................................................................................................. 9 Principio de funcionamiento de la refrigeración evaporativa ................................................12 La refrigeración evaporativa y la eficiencia energética en la industria ............................13 Tecnología con futuro ........................................................................................................13 Usos y mercado .................................................................................................................14 Conclusión .............................................................................................................................15 Bibliografía...............................................................................................................................16

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Introducción En la presente investigación realizada después de una revisión documental, tratara el tema de las torres de enfriamiento, que son, para que se utilizan, y en que procesos industriales se aplican estos equipos para un buen funcionamiento de una planta industrial. Se pretende que alumno logre identificar estos equipos así como su clasificación, operación y diseños de las torres de enfriamiento su importancia radica en los ámbitos industriales, así el ingeniero bioquímico en su formación académica, aprovechara todos los conocimientos que esta indagación presenta.

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Torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua y otros medios a temperaturas próximas a las ambientales; en grandes volúmenes (extraen calor del agua mediante evaporación o conducción). Su uso se da en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales. Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generación de energía eléctrica. Las torres de enfriamiento varían en tamaño desde pequeñas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 120 metros de altura y 100 metros de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren En la industria química hay muchos casos de operaciones unitarias en los que se descarga agua caliente (condensadores o de otros aparatos), donde el valor de esta agua es tal que es más económico enfriarla y volver a utilizarla antes que descargarla como inútil. Este enfriamiento se efectúa poniendo en contacto el agua con aire sin saturar en condiciones tales que el aire se humidifica y el agua se enfría aproximadamente a la temperatura del termómetro de bulbo húmedo. Este método se utiliza únicamente en el caso en que la temperatura del termómetro húmedo para el aire es más baja que la temperatura que se quiere que alcance el agua que sale. Existen varios tipos de aparatos en los que puede efectuarse esta operación: los principales son los de tiro natural, y las torres enfriadoras de tiro forzado. Todos los métodos para enfriar el agua por el procedimiento de ponerla en contacto con aire, entrañan la subdivisión del agua en forma tal que presente la mayor superficie posible. Esto puede efectuarse con la mayor sencillez por simple pulverización del agua por medio de pulverizadores. Estos pulverizadores deben estar situados sobre un estanque o pileta que recoge el agua pulverizada.

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Torres de enfriamiento de tiro natural En las torres de tiro natural, tipo chimenea están fundadas en el hecho de que el aire se calienta por el agua y de esta forma se produce una corriente de convección ascensional. Un ejemplo de este tipo se representa en la Figura 1. Los lados de una torre de este tipo van completamente cerrados, desde el fondo hasta la parte superior, llevando dispuestas entradas de aire cerca del fondo. El material de tipo rejilla, que distribuye el agua, está confinado en una parte relativamente poco alta de la sección inferior de la torre, y la mayor parte de la estructura es necesaria para producir el tiro. En las torres de este tipo la resistencia al flujo de aire debe reducirse al mínimo y, por tanto, el llenarlas de tablas planas como en las torres de circulación atmosférica, no es posible. Es corriente el empleo de tablas en zig zag, como se indica en la Figura 1. Las desventajas de las torres de tiro natural son, la altura que es necesario darles para producir el tiro natural y el hecho de que el

agua

debe

tener

una

temperatura superior a la del termómetro de bulbo seco del aire

para

que

éste

pueda

calentarse y producir la corriente de convección ascensional. La sección rellena no puede ser tan alta

como

en

la

torre

de

circulación atmosférica, porque las

pérdidas

excesivas

por

fricción, necesitarían una mayor altura de torre para producir el tiro.

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En el caso de que se necesite enfriar grandes caudales de agua (como en usinas nucleares) se utilizan torres de enfriamiento de tiro natural, que son muy características, tal como se muestra en la Figura 2. El método de funcionamiento de estas torres es exactamente igual a las anteriores. En el caso de que se necesite enfriar grandes caudales de agua (como en usinas nucleares) se utilizan torres de enfriamiento de tiro natural, que son muy características, tal como se muestra en la Figura 2. El método de funcionamiento de estas torres es exactamente igual a las anteriores.

Torres por tiro forzado En estas se utilizan ventiladores para producir la circulación del aire. Si el ventilador está

situado

superior

de

en

la

la

torre

parte se

denomina de “tiro inducido” (Figura 3) y si está en el fondo, “de tiro forzado” (Figura 4) El primero es el tipo preferido porque evita el retorno del aire saturado al interior de la torre, lo que sucede con las de tiro forzado.

Las

torres

son

similares en su parte inferior a la representada en la Figura 1, y la parte superior que actúa como chimenea no es necesario que sea tan larga .

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Usos especiales de torres de refrigeración Algunas torres de refrigeración tienen usos especiales, que les confieren características que deben de ser tenidas en cuenta aisladamente, por tanto algunas de las recomendaciones que aparecen es esta guía no les son de aplicación. Entre estos usos se pueden destacar los siguientes: a) Torres que utilizan agua de mar. La evidencia científica actual indica que es altamente improbable el crecimiento de bacterias del tipo Legionella en el agua de mar, por tanto, las torres que utilizan exclusivamente agua de mar en su funcionamiento quedarían excluidas del ámbito de aplicación del Real Decreto. No obstante se recomienda realizar revisiones para comprobar su funcionamiento y estado higiénico-sanitario con la misma periodicidad establecida para el resto de las torres. b) Torres que refrigeran aguas residuales en depuradoras. En algunos sistemas de depuración de aguas residuales se usan torres para disminuir la temperatura del agua, antes de proceder a su vertido para cumplir la legislación vigente. Estas suelen ser torres de circuito único, sin recirculación, en las que se airea el agua Estas aguas suelen tener concentraciones elevadas de microorganismos que pueden dificultar el crecimiento de Legionella (tanto aerobios como anaerobios) y los parámetros físico-químicos se suelen mantener fuera de los rangos normales por su origen. Por tanto, en este tipo de torres no se deben considerar los análisis de parámetros físico-químicos y de aerobios totales en los controles habituales. Será suficiente garantizar niveles de Legionella, de acuerdo a los requisitos de esta guía.

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Clasificación en función de la forma en que el aire atr aviesa el relleno Flujo en contracorriente: El aire atraviesa de abajo a arriba el relleno de la torre. Flujo cruzado: El aire atraviesa de forma lateral el relleno de la torre. A continuación se muestran los esquemas de los diferentes tipos de torres según la forma de los flujos de aire y agua

OPTIMIZACION DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO Función: Las Torres de Enfriamiento llevan a cabo la transferencia de calor entre las corrientes de agua y aire con la finalidad de disipar el calor a la atmósfera; el costo de operación de una torre de enfriamiento estará en función del costo de transformación del agua y el aire. Maximiza la cantidad de calor liberado a la atmósfera por unidad de costo de operación invertido. Basado en el control de las temperaturas de suministros y retorno de agua. Procesos: Las variables a manipular para lograr el control óptimo de temperaturas, son el flujo de aire y agua; la manipulación de esos flujos puede llevarse a cabo mediante el uso de variadores, tanto en las bombas de carga, como en los ventiladores de enfriamiento. Funcionamiento En los ventiladores es necesario conocer el punto de suministro de agua a la temperatura mínima económica, la cual está en función de la temperatura de bulbos húmedo (twb) del aire; la torre de enfriamiento no puede generar agua a una

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temperatura menor a esta, pero puede aproximarse. La aproximación es la diferencia de temperatura de bulbos húmedo (twb) del aire y la temperatura del agua a la salida de la torre. Cuando el diferencial de temperatura se incrementa, los costos de operación de la torre de enfriamiento ventilación y bombas se ven igualmente incrementados.

Centrales térmicas FUNCIONAMIENTO El funcionamiento podría describirse del siguiente modo: El combustible, almacenado en depósitos situados en las inmediaciones de la central (carbón. gasoil o gas natural), entra en la caldera para ser quemado. Durante su combustión se produce calor que permite la evaporación del agua presente en las numerosas tuberías que se encuentran alrededor de la caldera. El vapor de agua adquiere mucha presión, por lo cual se utiliza para mover una turbina conectada al generador. Al girar la turbina se produce la electricidad, que viaja del generador hasta los transformadores, que elevan la tensión para transportar esta energía por la red eléctrica hasta los centros de consumo. PARTES Las principales partes de una central de este tipo se podría decir que son:

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Quemador El quemador, que se encuentra en la caldera, es el encargado de quemar el carbón, el gasoil o el gas natural, para evaporar el agua de las tuberías que tapizan la caldera. Chimeneas Las altas chimeneas que se encuentran en la caldera se encargan de expulsar a la atmósfera los gases producidos durante la combustión. Turbinas Las turbinas pueden considerarse como la parte mas importante de la central ya que son las encargadas de mover el generador para producir la electricidad. Estas turbinas están diseñadas para soportar una temperatura de unos 600º C y una presión de unos 350 bares. Las turbinas están formadas por unas series de álabes de distintos tamaños que aprovechan la presión del vapor de agua para hacer girar la turbina. Generador Es el encargado de producir la electricidad. Condensador Es el encargado de condensar el vapor que se encarga de mover la turbina para que pueda volver a ser utilizado Torres de refrigeración Se encargan de mantener baja la temperatura del condensador, garantizando el correcto funcionamiento de la central. El agua que refrigera el condensador es enfriada en las torres de enfriamiento al entrar en contacto con el aire frío que circula

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a través de ellas. Otras partes de la central, también importantes para garantizar un buen funcionamiento, serían todas las tuberías y bombas que transportan todo el agua a través de toda la central y los potentes ventiladores que introducen aire en la caldera para facilitar la combustión. En el siguiente dibujo podremos observar todas las partes ya nombradas:

VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas - Producen mucha energía - Producción de energía relativamente rentable - Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la construcción Inconvenientes - Los gases producidos en la combustión contaminan la atmósfera - El agua usada para la refrigeración queda contaminada - En los procesos de limpieza de la central se producen muchos residuos - Uso de combustibles fósiles (no renovables) Este sería un pequeño resumen de las principales ventajas e inconvenientes de este tipo de centrales.

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Principio de funcionamiento de la refrigeración evaporativa Para comprender las ventajas de este principio, y antes de comenzar a hablar de sus beneficios medioambientales, cabe hacer una aproximación al principio del enfriamiento evaporativo. Se trata de un proceso natural que utiliza el agua como refrigerante y que se aplica para la transmisión a la atmósfera del calor excedente de diferentes procesos y máquinas térmicas. En este principio se basa el funcionamiento de equipos como las torres de enfriamiento y condensadores evaporativos, frecuentemente utilizados para la condensación del gas refrigerante en las instalaciones frigoríficas. En estas instalaciones los equipos de enfriamiento evaporativo liberan el calor de condensación de las máquinas frigoríficas transfiriéndolo a la atmósfera mediante la evaporación de una reducida cantidad de agua. Este proceso se hace efectivo gracias al establecimiento de un estrecho contacto entre el agua en circulación y una corriente de aire en un intercambiador de calor. Los equipos de enfriamiento evaporativo, con independencia de cuales sean sus modalidades y características específicas, incorporan una sección de intercambio de calor humedecido con la utilización de un dispositivo rociador de agua, un sistema de ventilación encargado de forzar el paso del aire ambiente a través del intercambiador de calor y diferentes componentes auxiliares, tal como la estanque de agua, bomba de recirculación, eliminadores de gotas e instrumentos de control.

El consejo de la industria de la refrigeración Española es que la elección de la mejor tecnología debe basarse en un minucioso análisis y evaluación de los factores

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medioambientales, además de en criterios comerciales y técnicos. El valor añadido de un sistema que se resume en las palabras: natural, sencillo, limpio, seguro y económico.

La refrigeración evaporativa industria

y la eficiencia energética en la

Las torres de enfriamiento y condensadores evaporativos se constituyen como una de las alternativas más eficientes en el campo del enfriamiento industrial, aportando eficiencia energética y respeto medioambiental, además de ahorro económico. Los equipos de enfriamiento evaporativo, que utilizan el agua como refrigerante, constituyen una tecnología que favorece el ahorro energético tanto por su aplicación como por su diseño, desempeñando un papel fundamental en la industria moderna, tanto en lo que se refiere a los procesos productivos como al aire acondicionado de las instalaciones.

Tecnología con futuro Un informe publicado por la Royal Society of Chemistry (Real Sociedad de Química) de Reino Unido que concluye que, con independencia del tipo de fuentes energéticas que se utilicen en el futuro, las torres de refrigeración constituirán un elemento esencial en la generación de energía y ahorro de la misma, teniendo en cuenta que no contribuyen al cambio climático. Lo cierto es que la utilización de la refrigeración evaporativa en los procesos industriales supone una opción de plena actualidad dados los beneficios de eficiencia energética, respeto al medio ambiente y optimización que recursos en función del rendimiento que aporta. La refrigeración evaporativa se afianza, de este modo, como una tecnología de futuro. Como muestra de la relevancia de estos equipos en el terreno industrial cabe señalar como la revista Fortune premió a la cadena de supermercados estadounidenses Wal-Mart, el vendedor minorista más grande del mundo con 3.000 establecimientos repartidos en una decena de países, por su política de ahorro energético. En ella, se destaca que la cadena ha abierto una primera tienda en la

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que utiliza un 20 por ciento menos de energía que un supermercado tradicional gracias, entre otras cosas, a la instalación de equipos de refrigeración evaporativa.

Usos y mercado La refrigeración por agua constituye un mercado en constante crecimiento a nivel europeo y mundial, tanto en lo relativo al número de instalaciones, como en lo que se refiere al número de empresas suministradoras de los mismos. En Europa, más de 500.000 instalaciones industriales utilizan equipos de enfriamiento evaporativo y existen más de treinta fabricantes con más de cincuenta plantas de fabricación de este tipo de equipos que proporcionan trabajo a más de 7.000 personas y generan una facturación media anual que se sitúa por encima de los quinientos millones de euros. Las torres de refrigeración de agua y condensadores evaporativos se utilizan en casi todas las aplicaciones industriales que requieren refrigeración: industrias petroquímicas y farmacéuticas, industria alimentaria, industria automovilística, producción

de

acero,

fabricación

de

componentes

de

electrónica

y

semiconductores, centrales eléctricas, plantas de cogeneración, refrigeración industrial y de maquinaria, al mismo tiempo que constituyen la base de multitud de instalaciones frigoríficas industriales, comerciales y de hostelería, así como de sistemas de aire acondicionado y refrigeración de maquinaria. En definitiva, estos equipos se han convertido en elementos fundamentales en una gran cantidad de procesos productivos que utilizan la condensación del gas refrigerante en las instalaciones frigoríficas. El uso del enfriamiento evaporativo está respaldado por una importante industria manufacturera, que elige el enfriamiento evaporativo en casi todas las aplicaciones que han de disipar calor y que ha mostrado su preocupación ante las restricciones impuestas a estos equipos y que ponen en peligro el progreso industrial responsable.

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Conclusión Para finalizar con investigación el alumno aprendió que en las torres de enfriamiento el agua que refrigera el condensador es enfriada al entrar en contacto con el aire frío que circula a través de ellas y además se utilizan en casi todas las aplicaciones industriales que requieren refrigeración: industrias petroquímicas y farmacéuticas, industria alimentaria, industria automovilística, producción de acero, fabricación de componentes de electrónica y muchas industrias más. Se espera que con esta serie de indagaciones ayude mucho en la parte académica del alumno así como en su perfil de ingeniero bioquímico.

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Bibliografía Industrial, A. (26 de Junio de 2009). Industria Sustentable . Obtenido de file:///F:/torres/Industria%20Sustentable.html M. L. (Noviembre de 2013). La refrigeración evaporativa y la eficiencia energética en la industria. Obtenido de file:///F:/torres/7oVOrydETw2MlOvy7JK31DmbaUedebcZEynwlG163rGd73Q3Abt2eV%20( 2).pdf MENDOZA CARRANZA ,, J. (2007). UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO. Obtenido de Facultad de Ingeniería Química : http://galeon.com/jackzavaleta/balw6.pdf Mundial, U. T. (s.f.). Torres de enfriamiento. Obtenido de Depertamento de Ingenieria Quimica: http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/Torres_de _enfriamiento.pdf Torres de enfriamiento. (s.f.). Obtenido de http://socios.ainia.es/hemanet/legionellosis/31Marzo2004/ANBEAL-Torres.pdf

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