Una torre de enfriamiento o torre de refrigeración extrae calor del agua y la transfiere al aire aplicando procesos de tranferencia de calor complejos; pero con un principio muy simple.
Descubre TODO sobre estos equipos y sistemas de refrigeración de agua. Sigue leyendo, aprende y acompáñanos a conocer toda la ingeniería que tienen dentro.
¿Qué es una Torre de Enfriamiento de Agua?
Una torre de enfriamiento es un equipo que ayuda a enfriar el agua caliente, de un proceso industrial, utilizando el aire del medio ambiente.
Antiguamente las torres de enfriamiento eran unas estructuras rectangulares de madera, con los 4 lados cubiertos, en donde el agua caliente ingresaba por la parte superior en forma de chorro.
El agua se enfriaba por el aire de refrigeración y caía sobre un sumidero o reservorio para ser reutilizada en el sistema de refrigeración.
Partes de una Torre de Enfriamiento
En la imagen se muestra una torre de enfriamiento de tiro mecánico con sus componentes principales que se definen a continuación:
La estructura de una torre de enfriamiento de agua esta conformada por:
Carcasa
Es la estructura que encierra el proceso de enfriamiento, está reforzado para soportar los componentes que sostiene y puede ser metálica o de fibra de vidrio.
Entrada y Salida de Aire
Aperturas de la torre por donde ingresa el aire frío y sale el aire caliente. En algunas torres es recomendable protegerlas con rejillas para evitar ensuciamiento y fugas de agua.
Ventilador
Otorga la masa de aire de enfriamiento para disminuir la temperatura del agua caliente en la torre según el diseño de esta.
En una torre del tipo natural o tiro natural, se protege la entrada y salida de aire con unas rejillas para evitar las pérdidas de agua y el ensuciamiento por partículas externas.
En una torre de tiro inducido, la salida del aire es la carcasa del ventilador.
En la torre de tiro forzado la carcasa del ventilador es la entrada del aire.
Una adecuada selección del ventilador asegura una mejor eficiencia operativa de la torre de enfriamiento.
El caudal volumétrico del ventilador, presión y el ruido del motor deben de considerarse de acuerdo a las necesidades de enfriamiento y la ubicación de la torre.
Eliminadores de Gotas o Rocío
Se colocan en la salida del aire para prevenir que las pequeñas gotas de agua sean arrastradas fuera de la torre por la corriente de aire de enfriamiento.
Entrada de Agua Caliente
Es la línea o punto de entrada por donde ingresa el agua caliente del proceso retornando a la torre de refrigeración de agua.
Sistema de Distribución de Agua
Esta formado por las tuberías principales o cabezales, tuberías secundarias y boquillas de pulverización que distribuyen el agua lo más uniforme posible.
El agua caliente que recircula por la torre de enfriamiento debe distribuirse en la torre de enfriamiento lo más uniforme posible.
La distribución del agua debe ser por dispersión y tiene que ocupar toda el área transversal del relleno que se encuentra dentro de la torre de enfriamiento.
Empaque o Relleno
Conjunto de deflectores que aumenta el tiempo de contacto entre el agua caliente y el aire.
Persianas o Louvers
Son accesorios que cubren el área de ingreso de aire para impedir la contaminación y la pérdida de agua por arrastre o pulverización.
Recipiente de Agua Fría
También conocido como depósito o sumidero de agua, es donde se recepciona el agua enfriada antes de ser distribuido al proceso.
Un relleno bien distribuido hace la velocidad del agua más lenta y asegura un máximo tiempo de contacto entre cada gota de agua y el flujo de aire de enfriamiento.
El relleno debe tener la capacidad de máximizar el área superficial y minimizar el espesor de la película de agua que se forma sobre su superficie.
Salida de Agua Fría
Punto en el que el agua fría sale de la torre de enfriamiento para conectar la tubería de salida de agua hacia el proceso.
Entrada de Agua de Reposición
Punto de entrada del agua para conectar la tubería y renovar el agua que se pierde en la torre.
Punto de Rebose
Salida de agua cuando el recipiente de agua fría sobrepasa su nivel. Con esto se previene el desbordamiento del agua.
¿Cómo es el Funcionamiento de una Torre de Refrigeración?
El agua fría ingresa al proceso industrial o equipos como: intercambiadores de calor, chaquetas de enfriamiento, rodillos de enfriamiento, máquinas de extrusión, chaquetas de reactores y sistemas de aire acondicionado.
Y retorna con una mayor temperatura para reingresar a la torre de refrigeración y realizar nuevamente su circuito de recirculación de enfriamiento.
Para un diseño eficiente se consideran distintos principios de diseño, mantenimiento y fabricación.
Las condiciones de funcionamiento de una torre de enfriamiento son.
Condiciones de Funcionamiento
El aire, el agua, las condicones climáticas o de temperatura y el ruido son parámetros operativos que debemos conocer, controlar y medir para tener un mejor control de la operación de la torre.
Flujo de Aire
Es la masa o volumen total de aire, que incluye el vapor de agua que fluye por el área transversal de la torre.
Kilogramos por segundo y metros cúbicos por segundo son las únidades más conocidas para expresarlos.
Pérdida por Deriva o Gotas
Son las gotas de agua que son arrastradas por la corriente de aire de salida.
Purga
Es el agua del recipiente de agua fría que es desechada al drenaje, de forma controlada, para disminuir la concentración de sales y otro tipo de impurezas que contaminen el agua.
Agua de Reposición
Es la cantidad de agua que se agrega al sistema de recirculación de agua para reponer las pérdidas de agua por: fugas, evaporación, pérdidas por deriva y por la purga.
Concentración
Las sales o sólidos disueltos y otro tipo de impurezas no se evaporan.
Entonces, cuando el agua se evapora, estas quedan en el mismo volumen de agua y conlleva a un aumento en la concentración de sales e impurezas.
Ciclos de Concentración
También conocida como la relación de concentración, es la relación entre la concentración de un contaminante del agua de recirculación y la concentración del mismo pero en el agua de reposición.
Carga de Agua
Es el caudal o flujo de agua que está relacionado con el área transversal del relleno.
Se expresa en kilogramos por segundo o minuto por metro cuadrado de la sección transversal del relleno de la torre.
Carga de Calor o Refrigeración
La cantidad de calor que contiene el agua que fluye através de la torre expresado en kilovatios.
Temperatura del Bulbo Húmedo
Es la temperatura que se mide con un termómetro de bulbo húmedo.
Temperatura del Bulbo Húmedo del Ambiente
Se mide en la dirección del viento respecto a la torre y que no tenga influencia alguna con la torre de enfriamiento.
Temperatura del Bulbo Húmedo del Aire de Entrada
Esta temperatura incluye cualquier efecto del sistema de recirculación. Se utiliza para el diseño de torres de enfriamiento, pero es difícil de medir.
Temperatura Nominal del Bulbo Húmedo del Aire de Entrada
Es el promedio tomada a 1.5 metros de la entrada del aire y entre 1.5 m y 2.0 m por encima del borde del tanque de agua fría.
Temperatura del Agua Caliente
Es la temperatura del agua que retorna del proceso y que ingresa a la torre por el sistema de distribución de agua.
Temperatura del Agua Fría
Se mide en el punto de descarga del recipiente o balsa de agua fría, libre del efecto del agua de reposición.
Gradiente de Refrigeración
Viene a ser la diferencia entre la temperatura del agua caliente y la temperatura del agua fría.
Gradiente de Aproximación
Es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la del bulbo húmedo del aire de entrada.
Cuanto más pequeño es el valor, de la diferencia, el diseño es más complicado de realizar.
El valor de la gradiente o temperatura de aproximación es de 2°C, sin embargo lo común es 4 o 6°C.
Tipos de Torres de Enfriamiento
La posición de las partes de una torre de refrigeración son las que definen los distintos tipos que existen.
La estructura de una torre de enfriamiento, en sus primeros diseños, fueron fabricados de madera.
La madera ha sido reemplazada por materiales como la fibra de vidrio, PVC, polipropileno y acero como el galvanizado que han sido reforzados contra la corrosión o de acero inoxidable.
Torre de Enfriamiento de Tiro Natural
Son torres que normalmente no se utilizan en la actualidad. Todos los diseños que se hicieron, en sus inicios, fueron con madera.
Eran ubicados de tal forma que se puedan aprovechar las grandes corrientes de aire, esto provocó que tengan muchas limitaciones.
Seguramente es familiar a la vista las enormes torres hiperbólicas de hormigón ubicadas en las centrales hidroeléctricas.
Esta forma hiperbólica permitío aprovechar el efecto chimenea y se redujo la dependencia de la dirección del aire.
En la imagen se muestran las partes principales de una torre hiperbólica.
Tiro Forzado de Flujo Cruzado
Se fuerza el ingreso de aire, que fluye através del relleno y de los elminadores de gotas en la salida del aire.
Generalmente se utilizan ventiladores de flujo axial y la distribución de agua es mediante la caída del agua caliente por gravedad.
También se hacen arreglos modulares para aumentar la capacidad de enfriamiento en tiempos calurosos.
Con dos o más unidades, uno al lado de otro, se consigue controlar la demanda de refrigeración con el encendido y apagado de los ventiladores según la temporada de calor o frío.
Tiro Inducido de Flujo Cruzado
Se utilizan ventiladores axiales que mejoran la distribución del aire por toda la sección transversal del empaque o relleno de la torre en comparación del tiro forzado.
Por la fuerza de extracción del aire es muy complicado controlar las pérdidas por deriva o gotas.
El ventilador tiene una menor potencia comparado con los de tiro forzado y el área para colocar los eliminadores de rocío o gotas en bastante amplia.
Los motores de los ventiladores deben protegerse con estándares de protección IP55 porque se ubican en las mismas corrientes del aire cálido y húmedo.
En las torres fabricadas con doble relleno, como en imagen anterior, permite realizar la descarga del aire de salida de forma vertical y no horizontal.
Tiro Forzado Contra-Flujo o Contracorriente
Se fuerza el ingreso de aire hacia arriba, atravesando la sección transversal del relleno, utilizando un ventilador ubicado en el nivel bajo de la torre.
Se utilizan ventiladores axiales o del tipo centrífugos.
Utilizando ventiladores centrífugos se puede reducir el ruido por la vibración porque se puede colocar y sujetar en el piso con una sujeción resistente entre la carcasa del ventilador y la torre.
También se puede reducir la altura total de la torre porque se requiere una altura más baja para una capacidad más alta de ingreso de aire.
Tiro Inducido Contra-Flujo o Contracorriente
Se utilizan ventiladores del tipo axial. El aire entra a través de las aperturas ubicadas en la parte inferior de la torre.
En estas torres de enfriamiento de agua se recomiendan cubrir las aperturas de aire con persinas para prevenir el esuciamiento, contaminación y pérdidas de agua.
Los fuertes aires disminuyen el rendimiento de la torre. Además los agentes contaminantes del ambiente se introducen en el agua de refrigeración.
También se pueden utilizar varios ventiladores para apagarlos y encenderlos según las necesidades de enfriamiento y es recomendable cubrir los motores para que estén protegidos.
Torres de Enfriamiento de Agua por Evaporación Indirecta
Son torres de enfriamiento para aire acondicionado en edificios, su diseño tiene un serpentín en lugar del relleno.
El agua caliente que viene del condensador enfriado por el agua de la planta de refrigeración recircula por el serpentín y se enfría en la torre.
La evaporación del agua aún existe pero en menor proporción que una torre con empaque y su capacidad de enfriamiento es menor.
Por tener un circuito cerrado, estás torres evitan la contaminación del agua pero necesariamente se deben hacer purgas y tener un control riguroso del tratamiento del agua de la torre.
Condensadores Evaporativos
Tiene un principio similar al enfriamiento por evaporación indirecta. La diferencia es que el refrigerante ingresa por el serpentín y se enfría en la torre.
El enfriamiento es por evaporación indirecta del refrigerante (normalmante amoniaco) antes de retornar al condensador / compresor del sistema de aire acondicionado.
Principales Criterios para el Diseño y Fabricación de las Torres de Enfriamiento de Agua
Entre los criterios básicos para el diseño y la fabricación se tienen:
- Conseguir un máximo tiempo de contacto entre el aire y el agua. Esto se consigue optimizando el diseño, distribución y tipo del relleno, así como la dispersión del agua.
- Utilizar extractores o ventiladores para un mejor flujo de aire.
- Minimizar la pérdida de agua para disminuir los costos operativos y prevenir las enfermedades infecciosas a las personas.
- Asegurar agua de calidad para evitar la corrosión, ensuciamiento y crecimiento de bacterias.
- Encontrar la mejor ubicación de la torre para no molestar a quienes viven en los alrededores.