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La refrigeración de fluidos de proceso, recipientes de reacción, vapor de escape de turbina y otras aplicaciones es una operación crítica en miles de instalaciones industriales en todo el mundo, como plantas de fabricación general o plantas de minería y minerales. Los sistemas de refrigeración requieren protección contra corrosión, escamas yincrustacionesmicrobiológicaspara maximizar el rendimiento, preservar la vida útil y la fiabilidad del equipo y, lo que es más importante, ayudar a garantizar la seguridad de los empleados.
En este capítulo, examinamos el diseño fundamental del sistema de refrigeración y los aspectos básicos de la transferencia de calor. Esta descripción general proporcionará la base para eltratamiento del agua de refrigeracióndiscutido en el siguiente capítulo.
También se anima a los lectores interesados a explorar el sitio web delCooling Technology Institute. Esta organización de larga data proporciona información excelente sobre todas las facetas de las aplicaciones de refrigeración industrial y comercial.
Los tres principales diseños de sistemas de refrigeración son de recirculación abierta (basada en torre de refrigeración) y cerrada. Los dos primeros suelen servir como refrigeración primaria para los intercambiadores de calor más grandes, con bucles cerrados para sistemas de plantas auxiliares. Los fundamentos de cada uno se describen a continuación.
Como su nombre indica “una vez a través”, el agua de refrigeración proviene de una fuente externa como un lago, un río o incluso el océano. Después de servir los intercambiadores de calor, el agua se descarga directamente de vuelta a la fuente original. Un ejemplo común, especialmente en el último siglo, fue la refrigeración por vapor de escape de turbina en grandes plantas de energía, como se muestra a continuación.
Figura 6.1. Esquema básico de refrigeración de una sola vez de un condensador de planta de energía.
Las tomas de aire pasante normalmente están equipadas con rejillas de barra y/o rejillas de desplazamiento para eliminar material como ramas de árboles, hojas y otros elementos grandes, incluida la vida acuática, que de otro modo ensuciarían físicamente los tubos del condensador y del intercambiador de calor. Hace años, se hizo evidente que el proceso de detección era mortal para muchos organismos acuáticos, que o bien se vieron violentamente atrapados o quedaron atrapados contra las pantallas. El aumento de la preocupación por la protección de la vida acuática ha provocado cambios en el diseño y la selección del sistema de refrigeración con un mayor enfoque en las soluciones de agua sostenibley los avances en la refrigeración de agua sostenible. Algunas tomas existentes se han modernizado con pantallas modernas que minimizan el daño a la vida acuática, mientras que para muchas plantas modernas ya no se permite la refrigeración, sino quese requieren sistemas de torre de refrigeración.
Nota:Aunque muchas plantas nucleares tienen torres de refrigeración, los sistemas de respaldo de una sola vez son comunes para la refrigeración de emergencia.
También es preocupante con los sistemas de paso rápido la descarga de agua de refrigeración caliente a la fuente de suministro. Las temperaturas cálidas pueden ser letales para algunos organismos, mientras que otros como el pescado se congregarán en la descarga durante los meses de frío. Algunas plantas se diseñaron con canales de descarga para permitir que el agua se enfriara un poco antes de entrar en el cuerpo de agua primario.
En algunas aplicaciones de una sola vez, un sistema de pulverización ayuda con la refrigeración por descarga. De forma similar al proceso de la torre de refrigeración, que se examina en detalle a continuación, un sistema de pulverización mejora la refrigeración mediante la evaporación de una pequeña porción de la descarga.
Figura 6.2. Cubeta de pulverización.
“Grey Water Pond at Palo Verde” por NRCgov cuenta con licencia CC BY 2.0.
El tratamiento químicode los sistemas de una sola vez es a menudo sencillo, pero sigue siendo muy importante paraminimizar la formación de incrustaciones microbiológicas y macrobiológicas. Estos temas se tratan en el Capítulo 7.
Ahora examinaremos alternativas a la refrigeración de una sola vez.
En los sistemas de refrigeración de recirculación, el agua se recicla continuamente. La forma más sencilla de un sistema de refrigeración de recirculación es un estanque de refrigeración. La mayor parte de la refrigeración se produce por transferencia de calor sensible con una menor pérdida de calor evaporativo que aumenta en días ventosos y cálidos. Los estanques de refrigeración requieren un gran espacio, por lo que los sistemas de recirculación abierta son mucho más comunes.
La capacidad de transferir grandes cantidades de calor a través de una pequeña cantidad de evaporación de agua de recirculación es la base de las aplicaciones de torres de refrigeración.
Figura 6.3. Foto de una torre de refrigeración de contraflujo.
El proceso fundamental se muestra a continuación:
Figura 6.3. Foto de una torre de refrigeración de contraflujo.
Millones de torres de refrigeración están en servicio en todo el mundo en instalaciones de diferentes tamaños, desde enormes plantas industriales hastainstalaciones comercialescomo edificios de oficinas.
Las torres de refrigeración modernas son de dos tipos principales: de tiro mecánico (los ventiladores mueven el aire a través de la torre) y de tiro natural (el aire fluye naturalmente a través de la torre). Esta última es la enorme torre hiperbólica de las grandesplantas de carbón o de energía nuclear, y es mucho menos común que las torres de tiro mecánico, que son el principal foco de esta sección.
Una ventaja de las torres de tiro mecánico es que se pueden diseñar y montar en celdas que se asientan una al lado de la otra dentro de una estructura común. Las celdas individuales pueden colocarse o retirarse del servicio para manejar cargas cambiantes. Las torres pueden ser de tiro forzado, en las que los ventiladores empujan el aire a través de la torre, o de tiro inducido por donde los ventiladores tiran del aire.
Figura 6.5. Un ventilador de tiro inducido en la campana de escape de una celda de torre de refrigeración. Foto cortesía de International Cooling Tower.
La mayoría de las torres industriales grandes son de tiro inducido, pero las unidades más pequeñas suelen ser de tiro forzado para simplificar el funcionamiento. En las torres de tiro forzado, la velocidad del aire disminuye durante el paso de aire a través de la torre. La menor velocidad puede provocar la recirculación del aire de escape a la entrada de la torre, lo que reduce la eficiencia.
Otra diferenciación primaria es el flujo cruzado o el flujo de contracorriente, en el que el aire fluye perpendicular o contracorriente, respectivamente, hacia la trayectoria de flujo de agua.
Figura 6.6a. Esquema de una torre de refrigeración de contraflujo de tiro inducido. El flujo de aire es opuesto al flujo de agua.
Figura 6.6b. Esquema de una torre de refrigeración de flujo cruzado de tiro inducido. El flujo de aire es perpendicular al flujo de agua.
Tenga en cuenta que las torres mostradas en las Figuras 6.6 a y b son de doble entrada, en las que el aire entra desde lados opuestos. Son más eficientes que las torres de entrada única, donde la dirección del viento tiene un mayor impacto en la eficiencia. Las torres grandes suelen colocarse para aprovechar los patrones de viento predominantes. Ocasionalmente, se puede ver una torre octogonal o circular para lograr la máxima eficiencia independientemente de la dirección del viento, pero los costos de diseño y construcción de estas torres son mayores que para las torres rectangulares estándar y, por lo tanto, no son tan comunes.
Los componentes de la torre que se muestran en las ilustraciones anteriores son fundamentales para una correcta estabilidad estructural y funcionamiento. Las siguientes secciones revisan la más importante de ellas.
Dependiendo del tamaño, la antigüedad y otros factores, los soportes estructurales y los componentes internos de las torres de refrigeración pueden ser de varios materiales. El conocimiento de los diversos materiales para cualquier aplicación es importante para optimizar el tratamiento del agua, como se analiza en el Capítulo 7.
En los últimos años, las grandes torres de refrigeración tenían estructuras de soporte de madera. Douglas Fir y Redwood tratados a presión fueron las dos opciones más comunes. Las principales ventajas de estos materiales son un coste razonable, una resistencia decente y que los productos se pueden cortar fácilmente según especificaciones precisas en el campo. Las desventajas incluyen:
El reemplazo de la madera en muchas torres industriales grandes y modernas es plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP).
Figura 6.7. Estructura de soporte de FRP para una torre de refrigeración de contraflujo. Foto cortesía de International Cooling Tower.
Los beneficios de la fibra de vidrio incluyen:
Las limitaciones de la fibra de vidrio incluyen:
Típico para torres de refrigeración grandes, y como se muestra en la Figura 6.8, es un estanque de hormigón. Esto a veces puede presentar desafíos de corrosión, como se discutirá en el Capítulo 7. En estos casos, se pueden utilizar métodos avanzados para proteger los sistemas de agua de refrigeración, así como los programas de química del agua de refrigeración.
Para torres de refrigeración más pequeñas, como las de edificios comerciales, el acero galvanizado es un material estructural común. Las torres pequeñas a menudo se pueden fabricar en un patín en la tienda del proveedor y enviar directamente al sitio.
Figura 6.8. Una torre de refrigeración de paquete.
Las torres galvanizadas pueden tener un recipiente de acero al carbono. Otras torres pequeñas pueden fabricarse con acero inoxidable, a veces con la creencia errónea de que el inoxidable es resistente a todas las formas de corrosión.
El método principal de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es la evaporación de una pequeña porción del agua de recirculación. La clave para la máxima transferencia de calor (dentro de varias restricciones de calidad del agua como veremos) es la selección de llenado correcta. La selección adecuada reduce la relación líquido-gas (L/G) para la torre y, en consecuencia, reduce el tamaño y los costes de material/operación de la torre y del equipo auxiliar, como las bombas de recirculación y los ventiladores.
Las primeras torres de refrigeración tenían relleno de salpicaduras de madera; una serie de listones escalonados debajo de las boquillas de pulverización de agua o distribución.
Figura 6.9. Esquema general del llenado temprano de salpicaduras de madera en una torre de refrigeración de flujo cruzado.
El agua que entra en contacto con las lamas se rompe en pequeñas gotas que aumentan el área de la superficie.
El relleno de salpicaduras es común en las torres de flujo cruzado, y la tecnología se ha mejorado considerablemente, con un diseño moderno que se muestra a continuación.
Figura 6.10. Un moderno arreglo de relleno para salpicaduras.
Fuente: Brentwood Industries y Rich Aull Consulting.
El relleno de salpicaduras puede ser la única opción en torres de refrigeración donde el agua tiene una alta tendencia a incrustarse, pero en la mayoría de las torres el relleno de película es el material preferido, ya que mejora el contacto aire-agua. Los rellenos de película típicos están hechos de PVC por bajo costo, durabilidad, buenas características de humectación y tasa de propagación de llama inherentemente baja. El relleno de película no es de naturaleza genérica y hay numerosos diseños disponibles. La elección de la configuración del flujo y el espaciado entre las hojas de llenado (tamaño del canal) deben evaluarse cuidadosamente y dependen de la calidad proyectada del agua de recirculación. Las siguientes ilustraciones describen varios estilos de relleno de película que van desde un diseño de baja contaminación para aguas con un fuerte potencial de contaminación hasta tipos de alta eficiencia.
|
Figura 6.11a. Canales verticales (VF). Cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11b. XF separador. Cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11c. Canales de desplazamiento (OF). Cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull Consulting. |
Figura 6.11d. Canales cruzados (CF). Cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull Consulting. |
Las Figuras 6.11a–d muestran una progresión de varias configuraciones de llenado de película que pasan de baja eficiencia y el potencial de incrustación bajo correspondiente a alta eficiencia y alto potencial de incrustación.
Los fabricantes de torres de refrigeración siguen mejorando la eficiencia, pero esta es una espada de doble filo en el sentido de que la compleja trayectoria del flujo aumenta las ubicaciones potenciales para la deposición de sólidos. La siguiente tabla describe las directrices generales para algunos de los diseños mostrados anteriormente.
Fuente: Referencia 2
| 19 mm CF | 21 mm DE | VF de 19 mm | M/S de 25 mm | VF de 38 mm | 19 mm XF - separador4 | |
| TSS permitido (ppm) con buen control microbiano2 | <100 | <200 | <500 | <1000 | Sin límite | <500 |
| TSS permitido (ppm) con control microbiano deficiente3 | <25 | <50 | <200 | <500 | <1000 | <200 |
| Aceite y grasa permitidos (ppm) | Ninguna | <1 | <5 | <50 | <25 | <5 |
| Fibras | Ninguna | Ninguna | Ninguna | Ninguna | Ninguna | Ninguna |
La Figura 6.12 ilustra el efecto de la velocidad del agua en la profundidad de las biopelículas.
Figura 6.12. Grosor de la biopelícula en función de la velocidad del agua (referencia 3, 4)
Una comparación de esta ilustración con los tipos de llenado de la torre de refrigeración mostrados anteriormente destaca la vulnerabilidad de los paquetes de película de plástico celular a la bioincrustación. Se ha informado que la velocidad de la película de agua en los paquetes de película de canal cruzado típicos es de solo 0,48 pies/s, y para los paquetes de película resistentes a la suciedad, solo 0,89 pies/s – 0,95 pies/s para una velocidad de carga de agua de 8 gpm/ft2.
Figura 6.13. Velocidad de película de agua para los típicos paquetes de relleno de plástico celular de diseños de canal cruzado y resistentes a la suciedad. (Referencia 3, 5)
Las biopelículas recogen sólidos suspendidos que entran en la torre a través del maquillaje y el flujo de aire para producir depósitos similares al barro que pueden volverse muy espesos.
Figura 6.14. Una sección extraída de la película se llena con depósitos microbiológicos/de seda.
Los depósitos pueden cerrar los conductos de llenado, lo que, por supuesto, reduce el contacto aire-agua y degrada la transferencia de calor. La deposición también puede añadir un peso enorme al relleno. Ambos efectos se muestran claramente a continuación.
Figura 6.15. Pérdida de capacidad de torre frente a aumento de peso de llenado para un paquete de llenado de plástico celular con canal de desplazamiento estándar. (Referencia 3, 6)
En casos extremos, el relleno sucio se ha desplomado, lo que provoca una interrupción no programada y grandes costes de sustitución. Afortunadamente, existentécnicas modernas para la protección contra la corrosión y la suciedad.
Las colonias microbiológicas tienden a acumularse en el medio del paquete de llenado. Las velocidades del agua directamente debajo de las boquillas de pulverización son lo suficientemente altas como para desalentar la adhesión de los microbios. Además, la suciedad tiende a ser más intensa en el medio del relleno que en el fondo porque los sólidos suspendidos se filtran antes de alcanzar la capa de relleno más baja y porque las últimas pulgadas de relleno no soportan físicamente una masa de depósito blando. La ausencia de colonias microbianas en la parte superior o inferior del relleno, combinada con la dificultad de inspeccionar las capas intermedias, a menudo permite que la suciedad progrese sin detectar hasta que haya alcanzado una etapa avanzada. El personal de las centrales eléctricas y las instalaciones industriales ha intentado supervisar la contaminación de llenado durante el funcionamiento de la torre utilizando secciones de llenado suspendidas de las celdas de carga, o cortando una ventana de acceso en el extremo de la carcasa de la torre para permitir que una sección intermedia se retire periódicamente para su inspección utilizando un elevador de personal, o suspendiendo una sección de llenado debajo del paquete de llenado principal para permitir que se inspeccione y pese fácilmente. Estas técnicas de monitorización pueden ser algo eficaces, pero ninguna ha demostrado ser totalmente satisfactoria.
Existen varios métodos para eliminar los depósitos biológicos/de seda del llenado de la torre de enfriamiento. La hiperhalogenación es un método, pero la efectividad puede ser limitada. Además, la alta concentración de cloro puede causar corrosión en los componentes del sistema y, cuando se completa la limpieza, elflujo de residuos puede requerir tratamientoantes de la descarga. Las colonias microbiológicas tienen un alto contenido de agua y se encogerán y se desprenderán de las superficies cuando se sequen completamente. La patente estadounidense 5,558,157 describe este método para la eliminación de biopelículas en intercambiadores de calor de carcasa y tubo. Sin embargo, secar eficazmente el llenado de la torre de refrigeración puede resultar problemático incluso con la ayuda de los ventiladores. El dióxido de cloro también ha servido como limpiador para enfriar biopelículas de torre con cierto éxito.
El producto químico de limpieza más utilizado y eficaz para los depósitos microbiológicos es el peróxido de hidrógeno (H2O2). El peróxido es efectivo debido a su resistencia oxidante y a la acción física de las microburbujas de oxígeno producidas a medida que reacciona con los depósitos orgánicos. Los productos de descomposición del peróxido son el agua y el oxígeno, por lo que el compuesto tiene un perfil ambiental muy positivo. Las dosis típicas están en el rango de 500-3.000 ppm de producto químico activo. Al igual que con la mayoría de los procesos de limpieza de este tipo, la adición de niveles bajos de surfactantes ayudará a aflojar los depósitos. Los dispersantes poliméricos a menudo también se incluyen para mantener sólidos desplazados en suspensión hasta que puedan descargarse.
Eliminadores de niebla
La interacción de aire y agua en la torre genera muchas gotitas finas que pueden salir potencialmente de la torre en la columna. El término común para esta pérdida es “deriva”. La descarga de humedad es problemática por dos razones. En primer lugar, los sólidos dentro de las gotas pueden depositarse en las aspas del ventilador de tiro inducido e impactar gradualmente en el rendimiento. En segundo lugar, las regulaciones de emisiones de aire de la planta generalmente también incluyen la descarga de la torre de enfriamiento. Una instalación puede estar infringiendo las pautas de descarga de los sólidos arrastrados en las gotitas. En consecuencia, los eliminadores de neblina de chevron-vanos son elementos de torre de enfriamiento estándar. Los desmisores recogen agua por impacto y permiten que el agua drene de nuevo en la torre.
Figura 6.16. Un moderno diseño eliminador de niebla.
Foto cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull Consulting.
La tecnología ha avanzado de manera que los desmisters modernos pueden reducir la humedad arrastrada a menos del 0,0005 % de la tasa de agua de recirculación. Para ponerlo en perspectiva, la deriva de una torre con una tasa de recirculación de 100 000 gpm y una deriva del 0,0005 % sería de 0,5 gpm. ¡De hecho, muy leve!
El diseño adecuado del sistema de distribución de agua es fundamental para el funcionamiento eficiente de la torre. La siguiente figura muestra una parte de un sistema de pulverización moderno para una torre de contraflujo.
Figura 6.17. Fotografía de varios laterales y boquillas de pulverización por encima de la empaquetadura de contraflujo en una nueva torre. Los tablones se retiraron antes del arranque de la torre.
Foto cortesía de International Cooling Tower.
Las torres de flujo cruzado normalmente tienen una plataforma de distribución por encima del llenado, donde se mantiene un nivel estable de agua en la superficie de la plataforma. El agua fluye hacia el relleno a través de un patrón preciso de perforaciones en la cubierta.
Figura 6.18. La plataforma de distribución de una torre de refrigeración circular de flujo cruzado. Observe las perforaciones uniformes.
Foto cortesía de International Cooling Tower.
El llenado requiere una distribución uniforme del agua para minimizar la canalización. La canalización por sí sola reducirá la eficiencia de la torre, pero también puede establecer ubicaciones de bajo flujo que permitan una mayor deposición y formación de colonias microbiológicas. En las torres de contraflujo con redes de distribución de agua, las inspecciones periódicas deben incluir el examen de las boquillas de pulverización para encontrar boquillas obstruidas, rotas o faltantes. Para las torres de flujo cruzado, la obstrucción de las perforaciones de la plataforma distribuidora por materiales sólidos o algas puede causar una distribución incorrecta.
Normalmente, los sistemas de recirculación están diseñados con varias bombas para que el caudal de agua se pueda ajustar según los cambios de temperatura estacionales. Además, en las torres de varias celdas típicas, las celdas pueden colocarse o retirarse del servicio dependiendo de los requisitos de refrigeración.
Como se ha indicado anteriormente, la mayoría de las torres de refrigeración grandes han inducido ventiladores de arrastre. Los aspectos importantes de los ventiladores más allá del tamaño y la potencia del motor incluyen la velocidad del ventilador y el paso de la cuchilla. El flujo de aire del ventilador puede detenerse si los ajustes del ventilador no están configurados correctamente. La supervisión y el mantenimiento regulares son importantes. Los ventiladores pueden desequilibrarse y desalinearse debido a la acumulación de depósitos que salen con la columna. Las cajas de engranajes son otro elemento que requiere una inspección regular y un control del lubricante.
Una disposición común es el control de ventilador de doble velocidad, o quizás una mayor flexibilidad con el control de variador de frecuencia (VFD). Por lo tanto, en lugar de colocar una celda o celdas dentro o fuera de servicio para ajustar la carga o los cambios de temperatura del aire ambiente, se puede modificar la velocidad del ventilador. Este ajuste puede ser especialmente beneficioso durante el invierno para minimizar la formación de hielo. También en este sentido, el lector puede recordar que algunos de los diagramas de torre anteriores de este capítulo mostraban rejillas de entrada. Estos se pueden ajustar para modificar el flujo de aire.
A lo largo de varias décadas del siglo pasado, las torres de refrigeración hiperbólicas se seleccionaron a menudo en grandes centrales eléctricas porque podían incorporarse a los costes generales de la planta y no requerían ventiladores.
Figura 6.19 Torre de refrigeración hiperbólica o de “borrador natural”.
Como indica la figura, las torres hiperbólicas son estructuras muy grandes y altas, fabricadas con hormigón. El diseño permite el flujo de aire natural (desde cualquier dirección) y la estabilidad estructural. El público a menudo confunde las torres hiperbólicas con las centrales nucleares cuando no hay nada “nuclear” en las torres, algunas de las cuales se instalaron en grandes plantas de carbón. Casi no se han construido torres hiperbólicas en los Estados Unidos en las últimas décadas, y no se tratarán más en este libro.
A medida que el aire pasa a través de una torre de refrigeración, induce la evaporación. El agua que se evapora consume una gran cantidad de energía durante el cambio de estado de un líquido a un gas. Esto se conoce como el calor latente de la vaporización, que a nivel del mar suele ser de alrededor de 1000 Btu/lb. Por lo tanto, las torres de refrigeración eliminan mucho calor del agua de recirculación por una pequeña cantidad de evaporación.
Un concepto importante para comprender la transferencia de calor de la torre de refrigeración es la temperatura de la “bombilla húmeda”. Considere estar al aire libre, pero a la sombra, en un día a 90 °F con una humedad relativa del 40 %. Un termómetro estándar diría 90°, que es la temperatura de la “bombilla seca”. Ahora, imagínese si colocamos otro termómetro junto al termómetro de bulbo seco, pero en este caso hemos envuelto un trozo de paño empapado alrededor del bulbo del segundo termómetro, y hemos colocado ambos en una pieza giratoria para que los termómetros puedan girarse muy rápidamente a través del aire. Este instrumento, un dispositivo sencillo y común, se conoce como psicrómetro de cabestrillo.
Figura 6.20. Ilustración de un psicrómetro de cabestrillo vintage.
Foto cortesía de Rich Aull Consulting.
Después de un breve periodo de tiempo, el termómetro de bulbo seco seguirá mostrando 90 °F, pero el otro termómetro mostrará 71,2 °F. Esta última lectura es la temperatura de bulbo húmedo, y es la temperatura más baja que se puede lograr mediante enfriamiento por evaporación. Los psicrómetros modernos se aspiran mecánicamente (los ventiladores mueven el aire a través de la mecha húmeda) y son aún más precisos.
No importa lo eficiente que sea, una torre de refrigeración nunca puede enfriar el agua de recirculación hasta la temperatura de bulbo húmedo, y en algún momento, los costos y los requisitos de espacio limitan el tamaño de la torre de refrigeración. La separación de la temperatura entre el valor del agua enfriada y el de la masa húmeda se conoce como enfoque.
A continuación se ilustra una representación gráfica del rango y el enfoque, reproducidos de la referencia 1. Obviamente, estos valores serán variables en el amplio rango de condiciones en las que operan las torres de refrigeración.
Figura 6.21. Esquema gráfico del rango y las temperaturas de aproximación. (Referencia 1)
El enfoque más cercano a la temperatura de bulbo húmedo que se puede alcanzar económicamente con una torre moderna es de aproximadamente 4 °F, con un valor típico de 10 °F.
Figura 6.22. Gráfico del tamaño relativo de la torre de refrigeración frente a la temperatura de aproximación para aplicaciones generales.
Ilustración cortesía de Rich Aull Consulting.
Los datos necesarios para calcular la transferencia de calor por enfriamiento de aire y evaporación se han recopilado en un gráfico conocido como gráfico psicrométrico. A continuación se muestra una versión.
Los gráficos psicrométricos contienen una gran cantidad de datos y a veces pueden ser difíciles de interpretar. El Apéndice 6-1 describe cómo evaluar estos datos.
La referencia 8 proporciona un ejemplo directo de cómo calcular la evaporación de la torre de refrigeración a partir de datos psicrómicos, pero hay disponible una ecuación más sencilla que proporciona buenas aproximaciones.
E = (℮ * R * ΔT)/1000 | Eq. 6-1
E = Evaporación en gpm
R = Velocidad de recirculación en gpm
ΔT = Diferencia de temperatura (rango) entre el agua de circulación templada y refrigerada (o F)
℮ = Factor de corrección que tiene en cuenta la transferencia de calor por evaporación y sensible, donde ℮ (promedio) se considera a menudo de 0,75 a 0,80, pero aumentará en verano y disminuirá en invierno.
El factor de 1000 es el calor latente aproximado de vaporización (Btu/lb) de agua en condiciones ambientales.
Como ilustración de este cálculo, considere una torre de refrigeración en las siguientes condiciones:
Para estos parámetros, E = 1800 gpm. Por lo tanto, la refrigeración necesaria se consigue con solo un 1,2 % de evaporación del agua de recirculación, con un 20 % de transferencia de calor sensible.
Un aspecto crítico del funcionamiento de la torre de refrigeración yel tratamiento del agua de refrigeraciónes que la evaporación provoca un aumento de las concentraciones de sólidos disueltos y suspendidos. El vernacular común en la industria para el factor de concentración son los ciclos de concentración (COC). El COC puede controlarse comparando los niveles de un ión muy soluble, como el cloruro, en el agua y el maquillaje (MU) de recirculación (R). Sin embargo, este procedimiento requiereanálisis de laboratorio. Un sustituto típico es la monitorización de conductividad específica en línea de los dos flujos, que se puede programar para purgar automáticamente algo de agua recirculante cuando se concentra demasiado. Un rango de COC común es de 4 a 6. El ahorro de agua al aumentar la purga más allá de este rango es mínimo, como se muestra claramente en el gráfico siguiente.
Figura 6.24. Ciclos de concentración frente a velocidad de purga para el ejemplo de transferencia de calor descrito anteriormente.
El COC, o quizás con mayor precisión, el COC permitido, varía de una torre a otra dependiendo de muchos factores, como la química del agua de constitución, la carga de calor, la efectividad de los programas de tratamiento químico y las posibles restricciones en la calidad o cantidad de descarga de agua. En ubicaciones áridas, el COC puede tener que ser alto, pero el control químico se vuelve más difícil.
Se dispone de un conjunto sencillo de ecuaciones para calcular razonablemente los requisitos de purga (BD) y disolvente de una torre cuando se conoce la evaporación y se ha determinado el COC permitido.
BD = E/(COC – 1)|Eq. 6-2
MU = E + BD + D + L| Eq. 6-3
Con respecto a la Ecuación 6-3, ya se ha observado que parte del agua escapa de la torre como deriva (D), pero en las torres con eliminadores de deriva de última generación, la deriva es bastante pequeña. Las fugas en el sistema de refrigeración se denominan pérdidas (L), que también contribuyen a la purga. En sistemas más antiguos, las fugas por corrosión de tuberías y otros equipos pueden ser significativas.
El capítulo 7 trata las tecnologías de tratamiento del agua para controlar la incrustación y la contaminación en las torres de refrigeración y los sistemas que suministran, pero en la siguiente sección se describe un método físico para el control de sólidos suspendidos.
Los sólidos suspendidos entran en las torres de refrigeración a través del agua de reposición y como polvo y otros residuos en el aire. Un buen ejemplo de este último en muchos lugares son las semillas de sótano, que ensucian fácilmente los filtros de los equipos en línea. Al igual que con los sólidos disueltos, las partículas se “acumulan” en el agua de recirculación y pueden asentarse en áreas de baja velocidad del sistema de refrigeración, incluida la cuenca de la torre.
La filtración lateral puede eliminar eficazmente los sólidos suspendidos en sistemas de refrigeración abiertos y cerrados. La Figura 6.25 muestra dos ubicaciones de filtro comunes.
Figura 6.25. A la izquierda hay una disposición común de filtro lateral de “bucle de riñón” en una cuenca de torre de enfriamiento. Una ubicación alternativa es la descarga de la bomba de recirculación que se muestra en la parte inferior derecha.
La siguiente tabla describe cuatro de las tecnologías de filtro de flujo lateral más comunes.
Tabla 6-2. Tecnologías Sidestream
Fuente: Filtración lateral para torres de refrigeración (energy.gov)
| Tipo de filtro | Nivel de eliminación de partículas | Mecanismo de filtrado básico | Aplicaciones | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Separador centrífugo | De 40 a 75 micras, inorgánicos de finos a gruesos con una gravedad específica de 1,62 o más | El agua de alta velocidad se alimenta con un patrón circular que [fuerza] las partículas más pesadas hacia abajo y hacia fuera del sistema | Ideal para eliminar partículas grandes y pesadas | Mantenimiento mínimo requerido |
| Filtro de pantalla automático | Hasta 10 micras | El agua fluye a través de una pantalla rígida, donde las partículas grandes quedan atrapadas y luego se retiran del sistema | Lo mejor para sistemas que no se pueden interrumpir, como procesos industriales y hospitales | El mecanismo de autolimpieza es automático y requiere poco tiempo de inactividad |
| Filtro de disco de plástico | Hasta 10 micras | Las placas ranuradas y apiladas atrapan las partículas a medida que el agua se mueve a través de los discos | Adecuado cuando se requiere la eliminación de sólidos y orgánicos | El mecanismo de autolimpieza es automático y requiere poco tiempo de inactividad |
| Filtros de arena | Hasta 10 micras para filtros de arena a presión; hasta 0,45 micras para filtros de arena de alta eficiencia | Capas de partículas granuladas de trampa de arena | Ideal para aplicaciones que requieren la eliminación de partículas finas y de baja densidad | Puede ser necesario un aporte complementario de cloro porque los filtros de arena pueden promover el crecimiento microbiológico |
A continuación se muestra un filtro de arena a presión.
Figura 6.26. Un filtro de arena a presión para filtración lateral.
Cortesía de Marmon Industrial Water.
Elegir el método de filtración óptimo puede requerir una evaluación cuidadosa de las fuentes de partículas y el alcance de la entrada.
Además de las inspecciones visuales periódicas de los componentes de la torre de refrigeración para determinar si presentan incrustaciones, suciedad o daños, es importante realizar análisis periódicos de los datos operativos para garantizar un rendimiento fiable de la torre. La siguiente lista describe datos importantes para cada prueba.
También se recomiendan evaluaciones periódicas exhaustivas realizadas por un proveedor de confianza. El Instituto de Tecnología de Refrigeración puede proporcionar información sobre empresas cualificadas.
A lo largo de las décadas han surgido varias modificaciones de la torre de refrigeración o tecnologías totalmente alternativas. Aunque un análisis detallado de estas alternativas está fuera del alcance de este capítulo, en las siguientes secciones aparece una descripción general de algunas de las más importantes.
Un condensador evaporativo (consulte la Figura 6.27 a continuación) consta de una torre de refrigeración convencional con un intercambiador de calor desnudo (sin carcasa exterior) ubicado dentro de la torre.
Figura 6.27. Un condensador evaporativo.
Colocar el condensador dentro de la torre de refrigeración reduce el espacio necesario para enfriar el refrigerante en un sistema de aire acondicionado de la enfriadora. Sin embargo, esta disposición presenta desafíos para minimizar la corrosión y la deposición en los tubos.La limpieza del intercambiador de calorpuede ser bastante difícil, especialmente los tubos interiores dentro de un paquete.
Con estas unidades es importante el diseño y la colocación adecuados del cabezal de pulverización para distribuir uniformemente el agua sobre los tubos. La inspección y el mantenimiento regulares de las boquillas de los cabezales de pulverización es importante.
Una variación de este diseño es el enfriador de aire de superficie húmeda (WSAC®), como se muestra en la Figura 6.28.
Figura 6.28. Diseño WSAC®
El agua de refrigeración y el aire viajan conjuntamente en este diseño, donde la configuración proporciona una gran superficie para la refrigeración y reduce la cantidad de agua perdida por evaporación.
Los condensadores refrigerados por aire (ACC) se diseñaron originalmente para la refrigeración por vapor de escape de turbina de la planta de energía en aplicaciones áridas, pero ahora se están adoptando en otras ubicaciones.
Figura 6.29. Condensador refrigerado por aire.
Estas unidades utilizan aire ambiente para la refrigeración y, por lo tanto, la condensación de vapor es solo por transferencia de calor sensible.
Figura 6.30. Diagrama básico del proceso ACC de una planta de energía.
Como ilustra la Figura 6.30, los ACC deben ser bastante grandes para proporcionar la refrigeración necesaria. Esto se entiende fácilmente comparando la densidad y la capacidad de calor del aire con el agua. Además, los ACC solo pueden enfriar el vapor a temperaturas que se aproximan a la bombilla seca de aire ambiente, no a la bombilla húmeda. Por lo tanto, durante los meses cálidos, la eficiencia de la turbina es significativamente menor que para una unidad comparable con una torre de refrigeración y un condensador refrigerado por agua.
Un primo más pequeño de este proceso, la refrigeración con ventilador de aleta se utiliza en muchas plantas para acondicionar el agua líquida y los flujos de proceso.
Figura 6.31. Refrigerador de ventilador de aleta.
Estos refrigeradores suelen tener muchos tubos de diámetro pequeño, que pueden obstruirse con sólidos si el control químico es inadecuado.
Las lavadoras de aire están presentes en algunas industrias, por ejemplo,molinos giratorios textiles, para controlar la temperatura y la humedad del aire, y para maximizar la producción y eliminar partículas del aire.
Durante el verano, cuando se mejora la evaporación, las unidades pueden funcionar como un sistema de paso único. En invierno, el proceso puede volver a abrir la recirculación como una torre de refrigeración, lo que requiere purga.
Muchas plantas tienen numerosos intercambiadores de calor integrados en uno o más sistemas de agua de refrigeración cerrados. Estos intercambiadores de calor auxiliares “cerrados” rechazan el calor al sistema de refrigeración de recirculación abierto primario.
Figura 6.33. Esquema general de una disposición de sistema de refrigeración de recirculación abierta primaria y secundaria cerrada.
El término sistema de agua de refrigeración cerrada es algo erróneo, ya que prácticamente todos los sistemas tienen fugas o pequeñas pérdidas en algún lugar que requieren disolvente. (Si se ha producido corrosión grave, estas pérdidas pueden ser significativas). Un sistema cerrado se define básicamente como un bucle que tiene poca o ninguna evaporación, y donde los requisitos de disolvente no superan
5–15% del volumen cada año.
Los sistemas se diseñan a menudo con un depósito de carga para el agua y para absorber los cambios de volumen por temperatura y fluctuaciones de carga. Esta disposición puede permitir que el oxígeno entre en el agua de refrigeración, lo que, por supuesto, influye en el potencial de corrosión. Algunos sistemas cerrados pueden tener un depósito de expansión o cámara presurizado para mantener una presión constante del agua. Los depósitos o recipientes de disolvente suelen ubicarse en el punto más alto de un circuito cerrado para servir como salida de liberación de aire para gases no condensables que de otro modo podrían acumularse en el sistema y pueden causar corrosión y cavitación de la bomba.
Algunos ejemplos de aplicaciones de refrigeración cerrada industriales y comerciales son:
La siguiente figura muestra el esquema de un sistema básico de agua enfriada.
Figura 6.34. Diagrama de flujo básico de un sistema de agua enfriada. Un rango común de temperatura del agua enfriada es de 40 a 45o F.
A continuación se muestra una variación de este diseño, con una torre de refrigeración cerrada que sirve como circuito de refrigeración principal.
La mayoría de los sistemas cerrados están equipados con un pequeño alimentador de recipientes de flujo lateral que tiene válvulas de aislamiento de entrada y salida para la alimentación química por lotes. Una mejora es una combinación de alimentador y filtro de corriente lateral para eliminar los productos metálicos de corrosión que inevitablemente se forman durante el funcionamiento. Un filtro puede ser particularmente valioso para algunas aplicaciones. Un ejemplo son los ancianos automatizados en las plantas de ensamblaje de automóviles, que tienen líneas de enfriamiento serpentinas de pequeño diámetro en los cabezales de soldadura. La acumulación de partículas (y la incrustación) puede ser muy problemática.
Como se tratará con mayor detalle en el Capítulo 7, algunos circuitos cerrados de agua requieren agua de maquillaje de alta pureza, es decir, condensado. Un ejemplo es un refrigerador de fundición continua de una acería donde la velocidad de transferencia de calor es extremadamente grande (106 Btu/ft2/hr). La corrosión o la contaminación que restringe la transferencia de calor puede ser extremadamente perjudicial y peligrosasi se produce una “erupción” de acero fundido durante el proceso de fundición.
Una técnica utilizada en algunas instalaciones centrales municipales de calefacción y refrigeración es el almacenamiento de energía térmica (TES).
Figura 6.36. Esquema de TES.
Los medios refrigerados pueden ser agua, hielo o incluso salmuera congelada, con capacidades de almacenamiento quizás en millones de galones. El agua se enfría por la noche durante la demanda eléctrica fuera de temporada cuando los costos de energía son más bajos.
Los bucles cerrados de agua caliente se emplean ampliamente para el calor de edificios. Hay varias configuraciones posibles, muchas con retorno de agua al calentador, lo que mejora la eficiencia. A menudo, en grandes instalaciones industriales se utiliza agua caliente para la transferencia de energía entre procesos industriales. Por ejemplo, en las unidades de agrietamiento de etileno, un intercambiador de calor cerrado apaga el gas de etileno agrietado y luego transfiere el calor a la materia prima de hidrocarburos entrante. Este bucle térmico en particular se denomina “cinta de agua caliente”. El agua enfriada del intercambiador de calor de hidrocarburos vuelve al triturador de etileno.
En secciones anteriores de este capítulo se examinó un intercambiador de calor muy grande en muchas plantas, la torre de refrigeración. Y el capítulo 4 cubrió otro conjunto de grandes intercambiadores de calor, calderas de vapor. En las siguientes secciones, examinaremos otros intercambiadores de calor refrigerados por agua y las propiedades fundamentales de transferencia de calor.
La transferencia de calor se describe a menudo como el transporte de energía y entropía de un punto a otro. Al diseñar un sistema de transferencia de calor, los costes de ingeniería y construcción deben equilibrarse con los costes operativos y de mantenimiento. A veces, las aleaciones costosas o el tamaño generoso del equipo merecen el costo adicional de prolongar la vida útil de la unidad y aumentar la eficiencia. En otros casos, los materiales y el diseño sencillos pueden ser perfectamente satisfactorios.
Quizás el diseño de intercambiador de calor más común es la configuración de carcasa y tubo. A continuación se muestra un intercambiador de dos pasadas con doblez en U.
Figura 6.37. Diseño de intercambiador de calor de carcasa y tubo.
Estos intercambiadores son comunes para la transferencia de calor líquido a líquido cuando solo uno o ninguno de los fluidos es agua. Este manual, centrado en el tratamiento del agua, considera los intercambiadores con agua como refrigerante primario y dónde se encuentra el flujo de agua a través de los tubos con el fluido de proceso en las superficies externas del tubo. El diseño de la Figura 6.37 es la cocorriente con el refrigerante y el fluido del proceso que fluye en la misma dirección. Observe las placas deflectoras en el intercambiador para mejorar la mezcla de flujo y la transferencia de calor. Los intercambiadores de calor de dos pasadas son populares porque pueden proporcionar una mayor refrigeración en una menor cantidad de espacio que las neveras de una sola pasada.
A continuación se muestra un intercambiador de calor de contraflujo.
Figura 6.38. Intercambiador de calor de contraflujo.
Este diseño suele preferirse debido a la menor tensión térmica en el equipo, ya que el agua de refrigeración se calienta considerablemente antes de entrar en la zona de mayor calor.
Una variación interesante de este diseño es el condensador de superficie de vapor, que era tan prominente en grandes plantas de carbón y energía nuclear, y que aún prevalecen en muchas plantas de energía de ciclo combinado.
Figura 6.39. Condensador de superficie de vapor de dos pasos.
El vapor de escape de la turbina entrante normalmente es (y debe ser) de 90 % o mayor calidad. El intercambiador de calor, con miles de tubos, convierte el vapor en líquido para volver a la caldera. La condensación mejora la eficiencia termodinámica del proceso de generación de energía en casi un tercio. Sin embargo, la condensación genera un vacío muy fuerte cuando el vapor se derrumba en el agua. El fuerte vacío penetra en el aire incluso en las aberturas más diminutas de la carcasa del condensador u otros puntos. Si se deja que el aire se acumule, cubrirá los tubos y reducirá en gran medida la transferencia de calor. Por lo tanto, los condensadores de superficie normalmente están equipados con un compartimento de extracción de aire que se agota continuamente con bombas de vacío.
Las plantas de carbón más antiguas a menudo tenían intercambiadores de conchas y tubos alineados verticalmente para el calentamiento del agua de alimentación. Esta orientación es práctica cuando el espacio horizontal es limitado.
Figura 6.40. Intercambiador de calor vertical.
Los sólidos suspendidos en el agua pueden acumularse en el fondo de un intercambiador de calor vertical si el flujo es insuficiente para mantener los sólidos en suspensión. Puede ser necesario retirar periódicamente los depósitos para evitar que los tubos se bloqueen con material.
Para los intercambiadores de calor de carcasa y tubo refrigerados por agua, la carcasa suele ser de acero al carbono, con materiales de mayor calidad para los tubos. En un condensador de vapor, los posibles materiales de los tubos incluyen latón admirable (70 % cobre, 29 % zinc con elementos adicionales menores), níquel-cobre 90-10, níquel-cobre 70-30 y, más recientemente, los aceros inoxidables de la serie 300. Para sistemas con agua de refrigeración con altas concentraciones de cloruro, titanio o aceros inoxidables superferríticos como SeaCure® son materiales de tubos comunes. Los intercambiadores de calor en refineríasyplantas químicaspueden requerir aleaciones especiales debido a agentes corrosivos específicos y altas temperaturas dentro de los flujos de proceso. Los sulfuros pueden ser bastante corrosivos para muchos metales. Los ácidos fuertes o cáusticos pueden requerir una manipulación especial. La lista es extensa.
Otro diseño común es el intercambiador de calor de placa y bastidor.
Figura 6.41. Intercambiador de calor de placa.
Estas unidades ofrecen un tamaño más pequeño y un menor costo que los intercambiadores de carcasa y tubo. La siguiente figura ilustra una trayectoria de flujo básica.
Figura 6.42. Trayectoria de flujo básica del intercambiador de placas.
Una desventaja es que las placas estrechamente espaciadas proporcionan ubicaciones para velocidades de fluido bajas que permiten que los sólidos suspendidos se asienten. Algunos intercambiadores pueden tener placas corrugadas para mejorar la mezcla de fluidos, lo que puede presentar desafíos de limpieza que requieren el desmontaje del intercambiador.
Figura 6.43. Una placa corrugada de un intercambiador de placas y marcos. Parte inferior de la placa ya limpiada con chorro de agua, parte superior sin limpiar con suciedad claramente visible.
El acero inoxidable es un material común para los intercambiadores de placas, pero pueden ser necesarios materiales más exóticos en aplicaciones corrosivas o de alto estrés.
Otros intercambiadores de calor pueden ser espirales o helicoidales. A continuación se muestra un diagrama de cada uno.
Figura 6.44. Un intercambiador de calor helicoidal.
Figura 6.45. Un intercambiador de calor en espiral.
Estos intercambiadores de calor se emplean para aplicaciones especiales no cubiertas en este manual.
Las figuras anteriores ilustran intercambiadores de calor que proporcionan un límite físico entre dos fluidos. En algunas aplicaciones, no existe ningún límite. Un ejemplo principal es la inyección directa de vapor. A continuación, el vapor se recupera como condensado más adelante en el proceso. Sin embargo, el condensado puede contener cualquier cantidad de impurezas que requieran ser eliminadas antes de volver a la caldera.
Los tres modos generales de transferencia de calor son convección, conducción y radiación. Estos se analizan en el Capítulo 4. Para la mayoría de los intercambiadores de calor descritos anteriormente, la conducción y la convección son los principales métodos de transferencia de calor. Las matemáticas de la transferencia de calor pueden ser bastante complicadas, especialmente al diseñar sistemas. Sin embargo, es posible una gran comprensión a partir de cálculos directos, “Cuando el calor fluye de un fluido a otro a través de una pared de retención sólida, la cantidad total de calor transferido puede expresarse de la siguiente manera:
(Q/t)total= U*A*ΔTtotal|Eq. 6-4
La variable clave en la Ecuación 6-4 es la U. Cuando el fluido fluye a través de un tubo, tubería o a lo largo de una placa, incluso si el flujo a granel es turbulento, se forma una fina subcapa laminar en la superficie del material. Esta película influye en la transferencia de calor. En consecuencia, para una superficie limpia, la ecuación para U se convierte en:
1/U = 1/h′+ 1/h′′+ xw/k | Eq. 6-5
Un excelente ejemplo de transferencia de calor desde la condensación de vapor en una tubería de acero al carbono de 2”, Anexo 40, se describe en la referencia 11. Todos los detalles no se repiten aquí, pero vale la pena señalar que h′(película de agua) se administra como 500 Btu/(h) (ft2) (oF), h′′(lado de vapor) se administra como 2000 Btu/(h) (ft2) (oF), y xw/k es 0,00046 (h) (ft2) (oF)/Btu, donde k para acero al carbono se enumera como 26 Btu/(h) (ft2) (oF/ft). Si se toma la inversa de los dos primeros y se suman estos números al tercer valor (y se ajusta ligeramente para las diferencias de área de superficie de la tubería interna y externa) se obtiene un valor U de 346 Btu/(h) (ft2) (oF). Para este ejemplo en particular, con una sola tubería de 10 pies de largo y LMTD de 91 oF, según la Ecuación 6-4, la transferencia de calor al agua de refrigeración es de 170 000 Btu/h.
Una observación clave de este ejemplo es que la transferencia de calor a través del lado de vapor y la pared de la tubería son aproximadamente equivalentes, pero que la transferencia de calor a través de la película de agua es considerablemente menor. Por lo tanto, los intercambiadores de calor a menudo están diseñados para maximizar el flujo turbulento (dentro de las limitaciones de los requisitos de bombeo y la resistencia del metal a la erosión-corrosión) para reducir el grosor de la subcapa laminar. Para los intercambiadores con líquido en ambos lados de los tubos o placas, la resistencia a la transferencia de calor de la película aumenta. Estos factores son muy importantes al diseñar la unidad. Si el fluido del proceso no es agua o vapor, los cálculos se vuelven más complejos.
Un criterio muy importante para seleccionar los materiales del intercambiador de calor es la conductividad térmica. Los siguientes datos ofrecen algunos valores seleccionados de materiales comunes del intercambiador de calor.
Tabla 6-3. Conductividad térmica de algunos materiales comunes del intercambiador de calor.
Información proporcionada por Dan Janikowski, Plymouth Tube Company según los datos del Instituto de Intercambio de Calor (HEI).
| Metal | Conductividad térmica a 68 oF (o cerca) (Btu/(hr) (ft2) (oF/ft) |
|---|---|
| Acero al carbono | 27,5 |
| Latón Admiralty (70 Cu, 29 Zn) | 64 |
| 90-10 Cu-Ni | 26 |
| 70-30 Cu-NI | 17 |
| Acero inoxidable 304 y 304L | 8.6 |
| Acero inoxidable 316 y 316L | 8.2 |
| Titanio (grado 2) | 12.7 |
La tabla ilustra la gran variedad de conductividades térmicas y claramente ilustra la conductividad mucho mayor del latón admirable en comparación con el acero al carbono y especialmente el acero inoxidable. (Existe una advertencia a este respecto, como se describirá en breve). Por este motivo, a mediados del siglo pasado, el latón admiral era una selección común para los tubos de condensador y calentadores de agua de alimentación en unidades de energía de carbón. Fueron posibles paredes gruesas de tubos; diseñadas para proporcionar una larga vida útil. Sin embargo, se hizo cada vez más evidente que la corrosión gradual del cobre permitía el transporte de los productos de corrosión a las turbinas de vapor, que se depositaban en las palas de la turbina y reducían la eficiencia. Muchos empleados de la planta reemplazaron los admirales tubos por acero inoxidable para eliminar este problema. Desafortunadamente, cuando se realizó esta modificación en algunos condensadores, los tubos de acero inoxidable comenzaron a sufrir corrosión inducida microbiológicamente (MIC) en el lado del agua. Los iones de cobre que se filtraban de los tubos de admiración eran tóxicos para los microbios, mientras que el acero no ofrecía la misma protección. Este es otro ejemplo que muestra la importancia de combinar las características de corrosión del metal con las condiciones del proceso y se tratará con más detalle en el Capítulo 7.
La advertencia mencionada anteriormente es que se desarrolla una capa de óxido en muchos metales durante el servicio. La capa puede ser más o menos protectora dependiendo del entorno y del metal. Las aleaciones de cobre forman una pátina de óxido, que es considerablemente más aislante que el metal base. Este es otro factor que debe tenerse en cuenta durante el diseño del intercambiador de calor.
La siguiente ecuación, que se expande en la Ecuación 6-5, ilustra la influencia de la deposición en cada lado de la superficie metálica.
1/U = 1/h′+ 1/h′′+ xw/k + 1/h′d+ 1/h′′d| Eq. 6-6
Los dos últimos términos explican la formación de deposición o película a cada lado de la pared o placa del tubo.
Los depósitos minerales y microbiológicostienen bajos coeficientes de transferencia de calor, como se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 6-4. Conductividad térmica de tres depósitos comunes en el lado del agua.
Información proporcionada por Dan Janikowski, Plymouth Tube Company.
| Contaminante o incrustado | Conductividad térmica(Btu/(hr) (ft2) (oF/ft) |
|---|---|
| Carbonato de calcio | 1.25 |
| Sílice | 0,8 |
| Biopelícula o agua estancada | 0,36 |
Incluso una capa de depósito fina reducirá significativamente la transferencia de calor. Observe la confirmación del efecto aislante de una capa de agua estancada. Las biopelículas porosas pueden inducir corrosión por debajo del depósito, lo que puede provocar fallos prematuros y cortes de la unidad.
Cuando se intercambia calor entre dos líquidos sin cambio de fase, la cantidad de calor perdido por el líquido más caliente se equilibra con la obtenida por el refrigerante. El intercambio de energía es toda transferencia de calor sensible y, excluyendo pérdidas menores, puede describirse mediante la siguiente ecuación estándar.
Q/t = .| Eq. 6-7
Si uno de los fluidos se condensa de un vapor, entonces también se transfiere el calor latente (H) y la Ecuación 6-7 se expande a:
Q/t = . | Eq. 6-8
La importancia de la recuperación de calor latente sigue teniendo una influencia creciente en el diseño de la planta. Considere las muchas unidades de carbón construidas en el último siglo. El proceso fundamental implica la producción de vapor sobrecalentado para impulsar un generador de turbina. (Consulte el Capítulo 4). El vapor de escape de la turbina se enfría a líquido en el condensador para volver a la caldera. La condensación mejora significativamente la eficiencia termodinámica neta de la unidad, pero la mayor parte del calor latente del vapor sigue perdiéndose en el agua de refrigeración. Las mejores unidades de tambor solo son capaces de alcanzar aproximadamente un 35 % de eficiencia neta, e incluso las unidades ultrasupercríticas más modernas pueden alcanzar como máximo un 45 % de eficiencia. Las unidades de cogeneración y combinadas de calor y energía (CHP) pueden lograr hasta un 80 % de eficiencia neta. Una configuración común de cogeneración utiliza vapor sobrecalentado para impulsar una turbina para la producción de electricidad, pero con extracción de vapor antes de la pérdida completa de sobrecalentamiento. Los suministros de vapor extraídos procesan intercambiadores de calor, en los que también se utiliza el calor latente. Este esquema se está volviendo cada vez más común en las instalaciones industriales para producir electricidad internamente y maximizar la eficiencia del calor del vapor.
Las hojas de especificaciones son típicas para los nuevos intercambiadores de calor, y a continuación se muestra un ejemplo de la Asociación de Fabricantes de Intercambio Tubular (TEMA).
Figura 6.46. Hoja de especificaciones para un intercambiador de calor de carcasa y tubo.
Cuando las unidades se ponen en servicio, es importante recopilar todos los datos de funcionamiento relevantes, ya que es cuando el intercambiador está en su punto más prístino con la máxima eficiencia de transferencia de calor. Normalmente, los datos no coincidirán exactamente con la hoja de especificaciones, pero sirven como referencia para el futuro. Los datos importantes para las corrientes de entrada y salida se describen en la Figura 6.46 e incluyen lo siguiente:
También son muy importantes los diagramas de flujo de proceso (PFD) y los diagramas de proceso e instrumento (P&ID) que describen claramente el equipo y las tuberías dentro de una operación de unidad, incluidos los caudales, las presiones y las temperaturas a plena capacidad. Para plantas como refinerías, fabricación de productos químicos y otras instalaciones similares, es necesario un gran número de diagramas. Un error frecuente en muchas plantas ha sido la falta de documentación para las modificaciones de tuberías y equipos. Esto se vuelve aún más problemático cuando se realizan cambios en las tuberías subterráneas sin la documentación adecuada.
Los problemas comunes que afectan a los intercambiadores de calor materialmente y/o en términos de rendimiento incluyen:
Otro error común, y especialmente en plantas con muchos intercambiadores de calor, es supervisar todos los intercambiadores de forma bastante superficial y pasar por alto los datos de unidades individuales que sugieren un problema grave. Asignar recursos para que el personal se centre mejor en el funcionamiento del intercambiador de calor puede ser beneficioso para encontrar y corregir problemas antes de que se conviertan en problemas importantes.
Se han realizado enormes avances en el desarrollo de instrumentación en línea y algoritmos de análisis de datos para realizar un seguimiento del rendimiento del equipo, proporcionar lecturas a la sala de control y a los operadores auxiliares y, en algunos casos, realizar ajustes automáticos en equipos como las bombas de alimentación de productos químicos para el tratamiento de agua. Los costes a menudo pueden justificarse muchas veces mediante la identificación temprana de condiciones desfavorables para permitir una acción correctiva inmediata que evite la pérdida de eficiencia o incluso fallos del equipo.
La información importante que recopilan los sistemas de datos incluye:
La sección siguiente y final proporciona detalles adicionales sobre la supervisión del rendimiento del condensador de vapor.
La industria energética sigue experimentando muchos cambios. La generación de energía alimentada con carbón ha sufrido un pronunciado descenso en muchas áreas del mundo debido a las preocupaciones climáticas y los esfuerzos por reducir las emisiones de CO2. Además de las tecnologías de energía renovable, la generación de energía de ciclo combinado está sustituyendo a las unidades de carbón. Una parte significativa de la energía de ciclo combinado es producida por generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG) y turbinas de vapor adjuntas, cuya fuente de calor es el gas de escape de la turbina de combustión. Aunque los ACC son cada vez más comunes para la refrigeración por escape de turbinas de vapor, muchos HRSG siguen teniendo condensadores refrigerados por agua. Para las plantas con estos condensadores, varias mediciones son muy eficaces para supervisar el rendimiento.
Las tres mediciones de temperatura críticas para evaluar el rendimiento del condensador son la entrada y salida de agua de refrigeración y el vapor condensado que se acumula en el pozo caliente. Por supuesto, las temperaturas de entrada y salida siempre sufrirán cambios estacionales, lo que puede enmascarar problemas. La medida clave es el TTD, que para los condensadores es la temperatura del vapor condensado menos la temperatura de salida del agua de refrigeración. Cuando los datos del TTD se recopilan a lo largo del tiempo a una carga uniforme de la unidad, preferiblemente a plena carga, las lecturas deben permanecer estables si el condensador funciona correctamente. Los factores que impiden la transferencia de calor e inducen un aumento de TTD son la formación de incrustaciones o incrustaciones en el lado del agua, o el exceso de aire en el lado del vapor.
Hace años, la HEI desarrolló cálculos que utilizan las lecturas de temperatura mencionadas anteriormente junto con los datos del material del tubo del condensador, el número total de tubos y el número de tubos obstruidos, las dimensiones del tubo, incluida la longitud, el diámetro y el grosor de la pared, el número de pasadas (normalmente 1 o 2) y el caudal de agua de refrigeración para generar lo que se conoce como factor de limpieza del condensador (CF). El programa calcula un coeficiente de transferencia de calor de diseño (Ud) y un coeficiente de transferencia de calor real (Ua), donde Ua/Ud* 100 es la CF en porcentaje. En teoría, la CF debe ser de alrededor del 85 % para un condensador limpio sin tubos obstruidos, pero el valor es particular para cada unidad individual. Por lo tanto, los datos deben recopilarse al inicio del condensador o después de la limpieza del tubo para servir como punto de partida para la supervisión continua. El programa puede ser muy eficaz en la detección de la pérdida gradual de transferencia de calor desde la incrustación del lado del agua o la contaminación microbiológica, hasta el exceso de aire en el lado del vapor.
La enorme disminución del volumen cuando el vapor de escape de la turbina se convierte en agua en el condensador induce un vacío muy fuerte. En invierno con agua fría de refrigeración, el vacío puede alcanzar aproximadamente 1 pulgada (Hg) por encima de la presión absoluta (-29,92 pulgadas manométrica a nivel del mar). Este valor se conoce como contrapresión del condensador. Subirá durante la primavera y el verano, razón por la que los sistemas de agua de refrigeración de la central eléctrica suelen tener varias bombas, de modo que el caudal de agua de refrigeración puede aumentar durante los meses de calor. La contrapresión es una herramienta valiosa para realizar un seguimiento del rendimiento del condensador, ya que reconoce que aumentará quizás entre dos y cuatro pulgadas de invierno a verano. Si la contaminación del condensador induce contrapresiones más altas, los requisitos y costos de combustible pueden aumentar drásticamente. Más allá de ese problema, las turbinas están diseñadas para desconectarse si la contrapresión aumenta mucho más que el máximo normal del verano. Un viaje unitario durante un pico de verano puede ser extremadamente caro.
Como nota adicional, es el fuerte vacío generado en el condensador el que absorbe el aire ambiente en irregularidades estructurales o fallos en el condensador o en cualquier sistema auxiliar circundante. Una ocurrencia común es una grieta repentina en la carcasa del condensador. Si la entrada de aire es mayor de lo que puede ser manejada por el sistema de eliminación de aire, el exceso de aire formará bolsas en el condensador y restringirá significativamente la transferencia de calor. Un buenprograma de CF suele detectar estos problemas muy rápidamente.
La obstrucción o incrustación del condensador impide el flujo de fluido y aparecerá como un aumento de la presión de descarga de la bomba circulante. Por lo general, la presión de descarga oscila entre 20 y 80 psi, según el equipo al que se presta servicio y las elevaciones. Por el contrario, con el tiempo el flujo de la bomba circulante tiende a disminuir debido a la degradación del impelor. Durante mucho tiempo, la medición precisa de flujos tan grandes en el campo fue casi imposible, pero la nueva instrumentación ofrece soluciones a ese problema.
En este capítulo se describieron aspectos fundamentales importantes del intercambiador de calor en instalaciones industriales y centrales eléctricas. Hay muchas variedades de intercambiadores disponibles, con numerosas metalurgias posibles. Estos detalles son muy importantes a la hora de seleccionar e implementarprogramas de tratamiento químicopara proteger los sistemas de refrigeración dela corrosión, la incrustación y la contaminación microbiológica. Por este motivo, las plantas industriales y otras instalaciones pueden beneficiarse enormemente del tratamiento de la torre de refrigeración. En el siguiente capítulo, abordaremos estos problemas químicos.
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Consultor sénior de personal técnico
Tom Nix es un experto técnico de confianza con décadas de experiencia en el tratamiento de aguas industriales. Nix cuenta con una amplia experiencia en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen clarificación de afluentes, ablandamiento, desmineralización, ósmosis inversa, tratamiento de agua de refrigeración, tratamiento de calderas de baja y alta presión y tratamiento de aguas residuales. Tiene una licenciatura en Biología Ambiental de la Universidad de Texas en Austin.
Presidente de Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, y más recientemente trabajó como publicista técnico sénior en ChemTreat, Inc. Cuenta con más de cuatro décadas de experiencia en el sector de la energía, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua y control de calidad del aire. Buecker tiene una licenciatura en Química de la Universidad Estatal de Iowa. Ha sido autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas de comercio técnico y ha escrito tres libros sobre química de centrales eléctricas y control de la contaminación del aire. Forma parte de la Junta Asesora Editorial de Tecnología del Agua y es miembro del comité de planificación de ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (ahora AMPP) y del Taller de Química de Servicios Eléctricos.
El manual de ChemTreat Water Essentials no habría sido posible sin las contribuciones de muchas personas.Consulte la lista completa de colaboradores.
