Las torres de enfriamiento son un componente esencial de la mayoría de las instalaciones industriales y comerciales. Enfrían el agua utilizada para una variedad de procesos y aplicaciones. En una publicación futura, analizaremos el papel que desempeñan las torres de enfriamiento en los esfuerzos de sostenibilidad de sus instalaciones, pero hoy queremos responder la pregunta: ¿Cómo funcionan las torres de enfriamiento? Comencemos con lo básico.
Los fundamentos de cómo funcionan las torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor especializados que están diseñados para eliminar el calor residual mediante la creación de vapor. Su función es extraer calor del agua y devolver el agua fría para enfriar el equipo industrial. En una torre de enfriamiento, el calor se transfiere a través de calor sensible y calor latente.
- Calor sensible: transferencia de calor relacionada con cambios en la temperatura del agua
- Calor latente: transferencia de calor relacionada con cambios en el estado físico
Con las torres de enfriamiento, la mayor parte del calor se transfiere a la atmósfera a través de la evaporación del agua de enfriamiento recirculante. La refrigeración evaporativa se utiliza con frecuencia para eliminar grandes cantidades de calor de los procesos, equipos y espacios habitables. Esto se muestra en la siguiente ecuación de transferencia de calor:
Q = LHe x m
Donde: Q = calor evaporativo (pérdida de calor)
LHe = calor latente de vaporización/evaporación de agua (Btu/lb)
m = masa de agua
El papel del agua en el proceso de enfriamiento
El agua se utiliza como medio en las torres de enfriamiento. Se libera una cantidad relativamente grande de calor (1.000 Btu) por cada libra de agua evaporada. Cuando se trata de agua, la transferencia de calor es aproximadamente 1.000 veces más eficiente a través de la evaporación frente al calor sensible. El valor real es ligeramente menor (970,4 Btu), pero en toda la industria, el valor de 1.000 Btu por libra se acepta universalmente.
Las torres de enfriamiento están diseñadas para crear una transferencia de calor efectiva al conectar el aire y el agua de manera eficiente y rápida. En cualquier lugar, entre el 75 y el 95 por ciento del calor del proceso, equipo o edificios se elimina a través de la evaporación y solo entre el 5 y el 25 por ciento se elimina por convección.
Se debe considerar el concepto de temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco. La temperatura del bulbo húmedo se define como la temperatura más baja del agua a la que se puede eliminar el calor mediante evaporación. Cuanto menor sea la temperatura del bulbo húmedo, menor será la humedad relativa y más eficiente será la torre de enfriamiento en la eliminación del calor.
Diseños de torres de enfriamiento
Hay tres diseños de torres diferentes. El tipo correcto se determina en función del tamaño del sistema/aplicación, la ubicación geográfica/clima, la calidad del agua y los costos de los servicios públicos locales.
- Borrador natural: hiperbólico grande, que generalmente se encuentra en plantas de energía
- Flujo cruzado: borrador inducido o borrador forzado
- Contraflujo: borrador inducido o borrador forzado
Evaporación
Cuando el agua recirculante en una torre de enfriamiento se evapora, teóricamente sale como vapor puro. Un porcentaje extremadamente pequeño de este vapor transporta pequeñas gotas de agua que contienen sólidos disueltos. Esto se conoce como desviación de la torre de enfriamiento. En este punto temprano de nuestra discusión, la desviación de la torre de enfriamiento se considerará fuera del alcance.
Ciclos de concentración
Los diagramas secuenciales de la Figura 1 ilustran lo que queremos decir con ciclos de concentración. A medida que se evapora más agua, la cantidad de sólidos disueltos permanece constante, por lo que su concentración aumenta.
Enfoque de la torre de enfriamiento
- La diferencia entre la temperatura del sumidero frío y la temperatura del bulbo húmedo se denomina enfoque de la torre de enfriamiento.
- La diferencia de temperatura entre el agua de retorno caliente y el agua fría del sumidero se denomina intervalo de enfriamiento (Δ T).
Ecuación de evaporación
La ecuación de la Figura 2 ayuda a determinar cuánta agua se evapora (E) en términos de galones por minuto.
Nota: El término ΔT es la caída de temperatura real medida a través de la torre y no la temperatura de diseño.
Internos de la torre de enfriamiento
Contraflujo
El agua de retorno caliente y el flujo de aire están en oposición directa entre sí. Los eliminadores de desviación introducen un camino difícil para que las gotitas de agua naveguen. La mayoría de las gotitas de agua no pueden llegar a la atmósfera y volver a caer en la cuenca de la torre de enfriamiento, lo que lleva a una disminución del consumo anual de agua.
Relleno de salpicaduras
Aunque no se considera el más eficiente, el relleno de salpicaduras se sigue utilizando en muchas aplicaciones, incluidas el agua de aporte de mala calidad o las torres que sirven a aplicaciones con un alto potencial de contaminación del proceso de agua de enfriamiento. En estas condiciones, el llenado de mayor eficiencia puede contaminar y requerir limpiezas químicas frecuentes.
Relleno de película
El relleno de película se utiliza con más frecuencia y se conoce ampliamente. Es la construcción familiar tipo PVC, con el patrón de gofres característico que distribuye el agua de enfriamiento sobre una superficie más grande para entrar en contacto con el flujo de aire circulante. El relleno de película se puede utilizar en aplicaciones donde la calidad del agua de aporte es buena y las temperaturas del agua de retorno caliente nunca superan los 140 °F.
Cálculos del balance de masa de la torre de enfriamiento
Además de las ecuaciones a continuación, los ciclos de concentración (COC) también pueden calcularse utilizando la relación entre el agua de aporte y la purga.
Evaporación (gpm)
Velocidad de recirculación (gpm) x ΔT x Ef / 1.000
Maquillaje (gpm)
MU = Evap (gpm) x (C/(C-1))
C = ciclos de concentración, comúnmente determinados por:
concentración de cloruro de la torre de enfriamiento/cloruros de agua de reposición
o
Torre de enfriamiento magnesio/agua de reposición concentración de magnesio
Utilice magnesio si se utiliza cloro, hipoclorito, bromo o dióxido de cloro como biocida oxidante.
- Purga = Maquillaje – Evaporación (todos en gpm)
- Sangrado (pérdida de agua intencional) = purga – desviación
- Desviación = 0,01 a 0,3 % para torres de tiro mecánicas
- Desviación = 0,3 a 1,0 % para torres de tiro naturales
- Vida media (Índice de tiempo de retención) (h) = 0,693 x V/BD (tiempo hasta la reducción del 50 %)
- Semivida (h) = 2,303 x V/B x Log10Ci /Cf
- V = Volumen del sistema
- BD = purga
- Ci = concentración inicial de aditivos
Cf = concentración final de aditivos
Elegir la ubicación correcta para su torre de enfriamiento
Si es posible, siga las siguientes recomendaciones al elegir la ubicación de una torre de enfriamiento:
- No colocar cerca de fuentes contaminantes
- Lugar donde el sumidero puede limpiarse fácilmente
- Evite las patas muertas para reducir los depósitos potenciales y la corrosión
- Minimizar la luz solar para reducir el posible crecimiento de algas
- Agregar filtros de corriente lateral para eliminar sólidos (5 a 7 % del flujo)
Sistema de enfriamiento libre
A través de la manipulación del condensador y las válvulas de aislamiento del cabezal de agua helada, el sistema se puede configurar para que el flujo de agua de la torre de enfriamiento evite la enfriadora (que está asegurada/no está en funcionamiento) y fluya directamente a través de la tubería/bobina de agua helada hacia el manipulador de aire.
Luego, el agua del manipulador de aire regresa a la torre de enfriamiento para repetir el ciclo. No hacer funcionar el compresor de la enfriadora y las bombas de circulación de circuito de agua helada ayudan a conservar el uso de energía eléctrica. La temperatura del aire exterior requerida para el enfriamiento libre es de 40 a 45 °F.
Pautas operativas generales
- Mantener el flujo a través del equipo fuera de línea o retirarlo del servicio correctamente
- Detenga las fugas del proceso rápidamente
- Intente mantenerse dentro de los parámetros recomendados de control del tratamiento del agua refrigerante
Es importante estar atento y tener en cuenta lo siguiente:
- Operación
- Tratamiento de agua
- Mantenimiento preventivo y correctivo (documentación)
- Tendencia estadística de indicadores clave de desempeño y parámetros de prueba
- Monitoreo, control y comunicación automatizados del sistema
- Programa de calibración bien diseñado y ejecutado
Muchos factores contribuyen a la eficiencia de su sistema de enfriamiento. Al igual que con todas las demás tecnologías, la diligencia debida es necesaria al determinar la viabilidad de utilizar nuevos métodos. Consulte siempre los manuales y guías de su equipo, y no olvide comunicarse con el equipo experimentado de ChemTreat para obtener ayuda.
