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Torres de Enfriamiento

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by

alfonso castro

on 7 May 2015

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Torres de Enfriamiento
Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua por medio de intercambio de calor y masa entre la corriente de agua y una corriente de aire mediante evaporación o conducción
La capacidad de enfriamiento de la torre es directamente proporcional a la superficie de contacto aire-agua y al tiempo de contacto.

Principio de Funcionamiento

El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible.
El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración.

Aplicaciones
• Sistemas de aire acondicionado y climatización de plantas y naves industriales.
• Industrias petroquímicas y farmacéuticas.
• Industrias alimentarias.
• Industrias automovilísticas.
• Procesos de producción de acero.
• Plantas de fabricación de componentes de electrónica y semiconductores.
• Centrales eléctricas.
• Instalaciones de refrigeración industrial.
• Refrigeración de maquinaria, como es el caso de compresores o motores de combustión interna.
• Centrales nucleares

Parámetros Básicos
Aire y Psicrometría
Temperatura del bulbo seco
Temperatura del Bulbo Húmedo
Temperatura de Rocío
Humedad Absoluta
Humedad Relativa
Entalpía
Carta Psicrométrica
Acercamiento
Salto Térmico
Clasificación de las torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua

Torre de Tiro Mecánico
En estas torres, el aire es movido por uno o más ventiladores. Si se colocan a la entrada del aire, se denominan torres de tiro forzado, mientras que si se sitúan a la salida del aire, se denominan torres de tiro inducido.
Los ventiladores son movidos por sistemas mecánicos que generalmente incluyen reductores, ejes de transmisión y motor eléctrico.
Si el aire circula de forma paralela al flujo de agua y en sentido contrario, se trata de torres de flujo en contracorriente, mientras que si circula de forma perpendicular (horizontal), se trata de una torre de flujo cruzado.

Torres de Enfriamiento
El aire atmosférico es una mezcla de gases compuesta principalmente por Nitrógeno y oxígeno, sin embargo existen otros gases como el vapor de agua y otros. En este sentido el aire seco consiste en la mezcla de gases con ausencia de agua, el aire saturado corresponde a la mezcla con la cantidad máxima de agua que es posible estar en la fase de vapor. Cuando el aire se encuentra saturado con agua, no es capaz de recibir más agua en forma de vapor y por lo tanto, cualquier intento en ello provocaría la condensación del vapor, generándose la lluvia. De allí la importancia de conocer los principales parámetros que rigen el comportamiento
Aire y Psicrometria
Temperatura del bulbo
• Temperatura del Bulbo seco
Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra en contacto directo con el sistema, se expresa en ºC o ºF

• Temperatura del bulbo Húmedo
Es la temperatura medida con un termómetro cuyo bulbo o sensor se encuentra cubierto de un material humedecido con agua. El paso del aire en contacto con el termómetro cuyo bulbo está húmedo, provoca la evaporación del agua hasta que se logra la saturación del aire. La temperatura que registra dicho termómetro es inferior a la observada en un termómetro de bulbo seco, debido a que la evaporación del agua en el bulbo húmedo requiere calor que se toma del termómetro logrando su enfriamiento

Es la temperatura del aire en condiciones de saturación. Se evalúa determinando la temperatura de saturación a la presión de vapor en la mezcla. Cuando ocurre la saturación la temperatura de bulbo húmedo, seco y punto de rocío tienen el mismo valor.




Temperatura de Rocío
Según la ley de Dalton, en una mezcla de gases se denomina presión parcial de un componente a la presión que éste ejercería si ocupara todo el volumen que ocupa la mezcla. En el aire atmosférico se tiene que PTotal = Pvapor + Paire seco.
Normalmente la fracción de presión del vapor de agua no supera el 5% de la presión total, sin embargo esa pequeña fracción es determinante en las condiciones del aire.
Presión Parcial

Es la relación entre la cantidad másica de vapor de agua y la cantidad másica de aire seco contenida en una muestra. Se define como
ωW= Mv/Mas
Tiene unidades de kg de agua / kg de aire seco
Humedad Absoluta
Es la relación que existe entre la presión del vapor en la mezcla y la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de bulbo seco en que se encuentra la mezcla. Puede definirse también como la relación entre la masa de vapor de agua de la muestra y la máxima cantidad de vapor de agua posible a las condiciones dadas. Se expresa como:
HR= PV/Pg
Tiene unidad de fracción o porcentaje y varía entre el 0 y el 100%.


Humedad Relativa
Es el contenido energético de cierta sustancia. Para el caso del aire atmosférico es la suma de la energía asociada al aire seco y la energía asociada al vapor de agua, se expresa por unidad de kg de aire seco y viene dado por
h = has + w( hv)
donde has es la entalpía del aire seco que se calcula como :

has = Cpaire(T)
w es la humedad específica
hv es la entalpía del vapor de agua que puede leerse en una tabla termodinámica como la entalpía de vapor saturado a la temperatura dada.
Entalpía
La carta psicrométrica es una representación gráfica de las propiedades termodinámicas de una mezcla aire-vapor de agua. En ellas se puede dibujar un proceso ubicando los diferentes estados, vgr. Una línea horizontal a humedad absoluta constante representa un proceso de calentamiento o enfriamiento; una línea diagonal paralelas a las líneas de entalpia constante o a las de temperatura de bulbo húmedo constante, representa un proceso de evaporación o de desorción; entre otros
Carta Psicrometrica
El acercamiento, aproximación o approach es la diferencia de temperatura entre el agua que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. Mientras menor sea el acercamiento mayor será el tamaño de la torre. Un acercamiento típico está por el orden de los 7ºC, llegando hasta 3 ó 4ºC
Acercamiento
Es la diferencia de temperatura entre el agua fría que sale de la torre y el agua caliente que entra. El salto térmico determina la carga térmica de la torre y es un parámetro de selección importante. Una torre eficiente y bien seleccionada brinda, en condiciones atmosféricas favorables, un salto térmico cercano a los 10ºC. Cuando las condiciones ambientales no son buenas, es decir, la temperatura de bulbo húmedo es alta y/o la humedad relativa está por encima del 75%, no pueden esperarse buenos saltos debido a que la evaporación de agua se ve reducida.
Salto Térmico

Haciendo uso de los parámetros basicos podemos determinar las propiedades de funcionamiento de las torres de enfriamiento
Presión barométrica P 752.0 mbar
Temp. bulbo seco Tbs 34.4 °C
Temp. bulbo humedo Tbh 22.2 °C
Temp. punto de rocio Tpr 18.2 °C
Humedad absoluta Wa 0.0178 kg H2O/kg aire seco
Volumen específico va 1.210 m^3/kg
Humedad relativa HR 38.3 %
% humedad 2.8 vol
Entalpia ha 79.94 kJ/kg
Cp aire seco Cpa 0.999 kJ/kg°C
Pv 20.890 mbar
Psat Tbh 26.787 mbar
Psat Tbs 54.544 mbar


Cálculos Psicrometricos
El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas
a) Tiro Inducido Flujo Cruzado
Características
• El aire circula perpendicular al flujo de agua.
• Son de baja altura.
• Usan rellenos compactos.
b) Tiro Inducido Contraflujo
Características
• El ventilador está arriba y succiona el aire a través de la torre.
• Tienen rellenos compactos.
• El ventilador es de tipo axial
Torre de tiro Inducido
El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre.
a) Tiro Forzado Contraflujo
Características:
• El aire es forzado por el ventilador que está abajo.
• Usan rellenos compactos.
• El ventilador puede ser axial o centrífugo (usualmente).
• Diseño más común en la industria
Tiro Forzado
El aire se mueve ascendentemente por efecto chimenea, sin consumir ningún tipo de energía para impulsarlo.
Son particularmente seguras en su funcionamiento y generalmente se emplean para el enfriamiento de grandes caudales de agua.
Su aplicación se da en lugares expuestos que tienen vientos con velocidades promedio de 5 ó 6 millas por hora, la torre atmosférica puede ser la más económica y donde los costos de energía pueden ser altos, pueden ser preferibles a velocidades de aire tan bajas como 2 ½ a 3 mph. Puesto que las corrientes atmosféricas penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual. Se clasifican en :
Torres de Circulación Natural
Torres de Circulación Natural
El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 pie alto y 400 pie de diámetro), son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas

Características
• Llamadas también torres «hiperbólicas», por su forma.
• El aire es succionado por diferencias de densidad de aire entre base y tope (como en chimeneas)
• Para grandes flujos de aguas (centrales térmicas).

Torres Atmosféricas
En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire. Éstas presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos
El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.
Características:
• Básicamente es una ducha de agua caliente.
• No tienen ventiladores, el aire proviene de corrientes atmosféricas (viento).
• No tienen relleno.
• Son torres muy voluminosas
Componentes de las Torres de Enfriamiento
Sistemas de Distribución de agua
Cisterna
Entrada/Salida de Agua
Sistemas de Distribución de Aire
Entrada/Salida de Aire
Relleno
Cuerpo o Bastidor
Eliminador de Rocío
Drenaje para la limpieza
Ventilador con Motor
En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de tiro forzado e inducido y centrífugos para torres de tiro forzado
Los ventiladores axiales son apropiados para mover grandes volúmenes de aire y tienen mayores aplicaciones en equipos industriales grandes. Los ventiladores centrífugos son adecuados para impulsar caudales relativamente pequeños con mayores caídas de presión.
Determinación del tamaño
Normalmente de acuerdo a la experiencia de muchos fabricantes, las torres de enfriamiento trabajan con cargas de aire que oscilan entre los 900 a 1800 lb/hft2, y con cargas de agua entre 500 y 2000 lb/hft2. Entonces se puede empezar a definir los parámetros de la torre de la siguiente manera:
- Primero especificar una carga de agua para el diseño: esto se hace basándose en factores como la capacidad de los rociadores.
- Para estimar el área de la torre se divide la carga total de agua de la torre por hora para la carga de agua de diseño.
- Se puede definir una carga de aire fija como factor de diseño, recomendándose que dicha carga sea como mínimo la mitad de la carga de agua para rangos de enfriamiento de 10 ºC, aunque se pueden utilizar factores entre 0.5 y 1.5 que pueden aumentar significativamente el costo del equipo.
La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación (También conocida como proceso de transferencia de masa)

L*Cp*(T1-T2 ) =G(h2-h1 )

Dónde:
L: Flujo másico de agua en kg/h,
T1 y T2: temperatura de entrada y salida del agua de la torre en ºC .
G: Flujo másico de aire en kg/h.
h1 y h2: Entalpía de entrada y salida del aire en Kcal/kgºC .
Cp: Calor específico del agua, puede tomarse como Cp=1 kCal/kgºC
Ecuaciones de Diseño
Entrada de Agua Caliente
El agua caliente es distribuida a través de los
empaques por gravedad a través de unos pequeños
orificios ubicados en el piso de la base de entrada. El aire se mueve horizontalmente a través del empaque y se cruza con el agua que cae.
En las torres de flujo cruzado el componente de presión interna de la cabeza de bombeo es insignificante debido a que el flujo es principalmente por gravedad
Cuerpo
Sustenta todos los demas elementos
Los requisitos que debemos exigir a los materiales son de dos tipos; que sean resistentes a la acción de los biocidas, y que eviten o al menos no favorezcan la aparición de la biocapa. no solo de la propia torre sino
también de las tuberías de aporte
La biocapa está formada principalmente por polisacáridos, y puede eliminarse mediante el uso de detergentes
o biodispersantes. Estos se suelen emplear durante el proceso de higienización periódica de la torre, no obstante
en torres con una gran tendencia a formar biocapa, por el tipo de materiales, temperaturas o cualquier otro
factor puede resultar conveniente la adición de biodispersantes regularmente
En las torres contracorriente la resistencia al flujo ascendente
del aire por parte de las gotas que caen resulta en una
elevada pérdida de presión estática y una mayor potencia
del ventilador que en flujo cruzado.
Las torres a flujo cruzado contienen una configuración del
relleno a través de la cual el aire se mueve
horizontalmente a través del agua que cae.
Las torres de flujo cruzado utilizan esencialmente toda la
altura de la torre para las rejillas de ventilación,
reduciendo la velocidad de entrada del irá, y minimizando
la recirculación y pérdida de tiro.
Entrada de Aire
En la torre de refrigeración hay pérdidas de agua tanto por la evaporación del propio funcionamiento de la torre como de ciertas purgas en el sistema.
Esta agua tiene que ser repuesta por tal de garantir que se disipe completamente toda la potencia térmica que requiere el sistema
Cuando el flujo se haya estabilizado en el valor de diseño o cerca de él, se debe ajustar la reposición de agua para mantener el nivel del agua que se ha bombeado hacia el estanque de agua fría

Reposición de Agua
Salida del Agua Fría
Es la temperatura del agua en circulación al salir de la torre y está determinada por el proceso en cuestión
Los eliminadores básicamente retienen las gotas de agua arrastradas por el aire que salen de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que redireccionan el flujo y separan las gotas del aire, haciéndolas caer de nuevo sobre el relleno, tienen dos efectos positivos; el primero es reducir la reposición del agua y el segundo evitar la formación de ambientes saturados que puedan afectar las torres adyacentes.
Eliminador de Rocío
Tapaderas
Es un accesorio cuya finalidad es mantener fuera del alcance del personal no autorizado el eliminador de rocío y el relleno de la torre.
Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor tiempo y área de contacto del aire con el agua.
El relleno debe provocar poca resistencia al paso de aire y mantener una distribución uniforme del agua durante todo su recorrido.
Pueden diferenciarse varios tipos de relleno:
1. De goteo : En los rellenos de goteo las gotas de agua caen sobre una serie de pisos superpuestos que van haciendo la gota cada vez más pequeña. Puede presentar arrastre de gotas, por lo que se recomienda el uso de eliminadores de gota.
2. De película o laminares: Los rellenos laminares proporcionan mayor capacidad de enfriamiento, son más eficientes y no producen tanto goteo al exterior del equipo, sin embargo requiere un mantenimiento más frecuente
Relleno
Situado en la parte inferior de la torre. Recoge el agua enfriada y da suministro al circuito de refrigeración a través del sistema de succión unido a su parte inferior
Cisterna de agua Fria
Es normal una ligera pérdida de agua por el rebosadero en torres de
enfriamiento de tiro forzado cuando los ventiladores están funcionando, ya que el equipo tiene una sobrepresión y se expulsará del equipo cierta cantidad de aire saturado que arrastrará gotas de agua.
Rebosadero o desagüe
Drenaje de Limpieza
la conexión de drenaje se utiliza para expulsar todo el agua de la torre

Puede calcularse como el cociente entre la energía retirada al agua y la máxima retirable, de acuerdo a las condiciones atmosféricas del sitio o en términos de temperaturas puede expresarse como

N = (Tentrada agua - Tsalida agua) / (Tentrada agua - Tbh aire de entrada)

Una eficiencia superior al 60% refleja un buen desempeño de la torre, valores inferiores a este indican posibles problemas en los rellenos, flujos inadecuados de aire debido a fallas de los ventiladores o flujos inadecuados de agua debidos a fallas de operación en las bombas.
Eficiencia de la Torre
Al interior de la torre existe un volumen efectivo de transferencia, compuesto tanto por los rellenos como por los espacios vacíos por los que fluye el agua y el aire y define un área total de transferencia conocida como a. Con base en ésta área puede calcularse la transferencia de energía de la siguiente forma:
LdT =Ka dV(hW-ha )=Gdh
Donde:
K: Parámetro experimental común al agua y al relleno definido por el fabricante
ha: Entalpía del aire en cada punto calculada con base en la temperatura de bulbo húmedo.
hw: Entalpía del aire saturado a la temperatura del agua en cada punto de la torre.

Existen diferentes métodos para realizar una evaluación de rendimiento entre los que se destacan el de la curva característica, el de la curva de rendimiento, y el de la curva de garantía de enfriamiento. Siendo el primero el método más común





Rendimiento de la torre
Durante la puesta en marcha de una torre de enfriamiento deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
• Efectuar una inspección visual sobre ventiladores, motores y reductores de velocidad, debe hacer correcta lubricación y la correa del ventilador debe estar tensada.
• Debe controlarse el sentido de giro y las vibraciones del ventilador, ajustar el ángulo de los álabes si es necesario.
• Inspeccionar los rellenos, comprobar el buen estado, la correcta colocación y la posible formación de algas que obstruya el paso del aire.
• La válvula que controla la reposición debe estar en buen estado y en la medida de lo posible sin corrosión que impida su funcionamiento.
Mantenimiento
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