Torres de refrigeración

Las torres de enfriamiento son exclusivamente dispositivos de conservación y recuperación de aguas de refrigeración de procesos. Se basan en el enfriamiento que experimenta el agua cuando se evapora una pequeña cantidad de ella, al ser pulverizada en el aire. La capacidad de enfriamiento de la torre es directamente proporcional a la superficie de contacto aire-agua y al tiempo de contacto.

Principios de funcionamiento
Cuando una gota de agua se pone en contacto con el aire, se produce la evaporación de la película exterior de la gota, requiriéndose para este proceso la absorción de calor. La evaporación consume aproximadamente un 1% del caudal total de agua por cada 7ºC en que reduce su temperatura. El calor requerido para la evaporación se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Por tanto, el enfriamiento se realiza tanto por transferencia de calor sensible (cambio de temperatura) como de calor latente (cambio de estado físico). De todo el calor transferido del agua al aire, el calor latente de vaporización supone frecuentemente más del 90%, correspondiendo tan sólo un 10% a calor sensible de disminución de la temperatura del agua. El objeto que se persigue en la torre es que la gota esté el mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cual se logra con:
● Una altura de torre adecuada.
● Interponiendo obstáculos (relleno), que ralentizan su avance y al mismo tiempo la van fragmentando, aumentando así la superficie de contacto aire-agua. A esta fragmentación se la denomina salpiqueo.
En los sistemas más modernos, el relleno hace que se forme una película muy delgada de agua, en lugar de provocar salpiqueo de gotas.

Clasificación
Las clasificaciones son múltiples dependiendo del criterio escogido (tipo de flujo, forma, circuito cerrado o abierto, etc.) pero distinguiremos principalmente los siguientes tipos, atendiendo al tipo de tiro de la corriente de aire: 1) Torres 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. Las torres de flujo cruzado siempre son de tiro inducido. El agua circula con un flujo descendente. Las unidades pueden ser colocadas una al lado de otra, en línea o agrupadas por su parte trasera (espalda con espalda). Este tipo de torres se usa generalmente para caudales pequeños o medios. 2) Torres de tiro natural: 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. La carcasa encierra el sistema de distribución de agua y el relleno de intercambio, dando una apariencia compacta. Fuera de esta clasificación encontramos unas torres de características especiales:
A. Torres híbridas:
Este tipo de torres se caracterizan porque en ellas se elimina el penacho (columna de vapor condensado que sale de la chimenea), siendo su consumo de agua levemente reducido y no presentando impacto visual.
B. Torres modulares:
Están construidas en materiales plásticos, por lo que no existen partes susceptibles de oxidarse en contacto con el agua. Son ligeras y pueden transportarse montadas, por lo que pueden ser colocadas fácilmente (por ejemplo en una terraza). Pueden llevar la balsa incorporada y sus grupos mecánicos son especialmente diseñados para reducir el mantenimiento al mínimo.
 

Calor sensible y Calor latente
● Calor sensible: es el calor que se emplea en variar la temperatura de un cuerpo, en este caso agua. Está relacionado con el calor específico, que en caso del agua líquida es de 1kcal/kg ºC.
● Calor latente: es el calor empleado en producir un cambio de estado en un cuerpo, como por ejemplo la vaporización del agua, cuyo calor latente de vaporización es de 540kcal/kg (a 100ºC).

Glosario de términos
● Celda: es la subdivisión más pequeña de una torre de enfriamiento que puede funcionar de modo independiente. Está limitada por paneles o particiones.
● Rango: es la diferencia entre las temperaturas del agua caliente y el agua fría, es decir, a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento.
● Temperatura del bulbo húmedo: es la temperatura teórica del agua fría que se puede alcanzar con una torre de altura infinita.
● Aproximación: es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la temperatura del bulbo húmedo.
● Capacidad: es el caudal máximo de agua (en m3/h) que puede manejar una torre de enfriamiento para un rango específico, una temperatura de bulbo húmedo, y una aproximación determinada.

Equipo mecánico
La parte mecánica de la torre es la responsable de impulsar el aire a través de la instalación. Consta de:
● Motor eléctrico. Suministra la potencia necesaria al ventilador.
● Flecha de transmisión. Transmite el movimiento del motor al reductor de velocidad. Se fabrica en acero galvanizado, acero inoxidable o fibra de carbono.
● Reductor de velocidad. Dispositivo formado por engranajes y rozamientos cuya misión es reducir las revoluciones del motor eléctrico según los requerimientos de velocidad del ventilador.
● Ventilador. Impulsa el aire a través del relleno en torres de tiro mecánico, compensando la caída de presión del aire a través de la torre. Se fabrica con aspas de aluminio o de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio.
Interruptor de vibración.
● Soporte. Sustenta físicamente todo el equipo mecánico.

Sistema de distribución
Agrupa a todos los elementos relacionados con la distribución del flujo de agua. Está integrado por:
● Depósito de agua caliente.Situado en la parte superior de la torre.
● Válvula de control de flujo.Regula la alimentación de agua caliente y se controla manualmente.
● Cabezal de distribución.Tubo principal que conduce el agua a cada celda o a la tubería de distribución de cada celda.
● Panel de orificios de distribución. Dispositivo utilizado para convertir en gotas el flujo de circulación y distribuir de manera uniforme el agua sobre el área húmeda en torres de flujo cruzado.
● Boquillas rompedoras de chorro. Se utilizan para distribuir el agua por la parte superior en torres de flujo en contracorriente. Suministran el agua en forma de rocío si es a presión o de chorro si es por gravedad.
● Chimenea o venturi. Construida en cemento o fibra de vidrio. En su interior se alojan las celdas.
● Persianas o louvers. Ensambles instalados en las entradas de aire de la torre para eliminar el salpiqueo de agua.
● Relleno. Parte del sistema interno de la torre que puede consistir en barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones destinado a mejorar el contacto entre aire y agua. Los materiales utilizados son madera, PVC y polipropileno.
● Eliminadores de rocío. Ensambles fabricados en madera, PVC o metal, diseñados para retener las gotas de agua líquida arrastradas por la corriente de aire. Las configuraciones de los ensambles más eficientes son la de tableta hueca de PVC y las celulares.
● Depósito de agua fría. 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.
● Estructura de la torre. Sustenta todos los demás elementos.

Ventajas
El uso de refrigeración por agua en sistemas de climatización es mucho más barato que el empleo de aire. Las torres de refrigeración pueden alcanzar dimensiones muy grandes y altas capacidades, pudiendo incluso dar servicio a las centrales nucleares donde se necesitan enfriar grandes volúmenes de agua. Permiten una gran flexibilidad en su operación, pudiendo trabajar a mayor o menor capacidad dependiendo de las exigencias puntuales de la planta.

Inconvenientes
Por la naturaleza del proceso evaporativo, las sales minerales disueltas en el agua tienden a concentrarse en cada nuevo ciclo de recirculación, provocando:
● Incrustaciones en las conducciones y el relleno. Estas incrustaciones son responsables de problemas como la reducción de la eficiencia y capacidad de la torre debido a la disminución de la transferencia de calor. Además, el peso añadido puede dañar el relleno e incluso la estructura que sustenta la torre.
● Crecimiento de microorganismos. La torre presenta unas condiciones de temperatura y humedad estables junto con una ausencia de luz. Esto es un caldo de cultivo ideal para el crecimiento de algunos microorganismos como la Legionella.
Para evitar estos problemas es necesario el empleo de químicos desincrustantes y biocidas. También se necesita la extracción de una purga de aproximadamente un 5% del caudal de circulación para evitar una excesiva concentración de sales. El acceso al interior es complicado, por lo que la limpieza se hace difícil, lo que lleva muchas veces al deterioro de rellenos y su consiguiente reemplazo.

En la actualidad, las torres de refrigeración suelen ser anexas a todos los equipos de refrigeración evaporativa, que se utilizan para casi todas las aplicaciones industriales que requieren refrigeración. Las aplicaciones industriales más reseñables son:
● 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.

Fichas Climatización IndustrialParada de ventiladores
Los ventiladores son grandes consumidores de energía, suponiendo el mayor porcentaje del consumo energético en una torre de refrigeración. Bajo determinadas circunstancias es posible reducir la velocidad de los ventiladores e incluso parar su funcionamiento, dejando el movimiento del aire a cargo del tiro natural. Las situaciones en que se puede parar algún ventilador son las siguientes:
● Cuando la hora del día o la época del año permite tener temperaturas de bulbo húmedo menores a la de diseño. Esta situación hace aumentar la capacidad de la torre sin requerir un elevado flujo de aire. Para ello es necesario llevar un registro estadístico de las lecturas de temperatura de bulbo húmedo.
● Cuando el rango de enfriamiento y la temperatura del agua fría actuales son menores a los de diseño. En estos casos se puede ajustar el rango al de diseño, con la consecuente reducción de potencia necesaria en los ventiladores.
● Cuando la planta que recibe el servicio de la torre está trabajando a una menor capacidad de procesamiento. En este caso se puede seccionar la torre, es decir, que algunas celdas dejen de operar, y así no solo efectuar el paro de los ventiladores sino también el de bombas de suministro al sistema de distribución.

Empleo de sistemas de filtración
Uno de los problemas para el buen funcionamiento en la torre de enfriamiento es la cantidad de sólidos suspendidos que la contaminan (arena, algas, limo), que resultan en:
● Incrustaciones en las conducciones que aíslan los tubos.
● Altos promedios de purga de lodos.
● Prematuro reemplazo de tubos.
● Incremento de la caída de presión.
● Aumentos de costes de mantenimiento.
Estos sólidos se forman en el proceso o son arrastradas por el agua, concentrándose en las zonas de menor velocidad de flujo. La solución a estos problemas es la instalación de un sistema de filtración, típicamente con filtros laterales, por los que se hace pasar un pequeño porcentaje del flujo total (normalmente de un 1% a un 5%). Los beneficios que proporcionan estos filtros son:
● Reducción de los costes de mantenimiento debido a una menor frecuencia de limpieza.
● Disminución de las purgas, que implica reducción de costes en productos químicos.
● Reducción del sobreconsumo energético asociado al aumento de la resistencia a la transferencia de calor por incrustaciones.
No obstante, la operación de filtrado también requiere un mayor consumo de bombeo a través del medio filtrante, aunque éste es menor que el ahorro energético que supone.

Elección del relleno óptimo
El relleno más eficiente es aquel que proporciona mayor cantidad de agua fría o una menor temperatura del agua fría para un mismo volumen de agua caliente, manteniendo el resto de parámetros constantes Para determinar qué relleno opera de forma más eficiente para una determinada torre es necesario compararlos fijando los siguientes parámetros fundamentales:
● Dimensiones de la celda.
● Número de celdas.
● Datos térmicos y geográficos de la torre.
● Temperatura del agua caliente.
● Caudal de agua de circulación.
● Temperatura del bulbo húmedo.
● Humedad relativa del aire.
● Tipo de eliminador de rocío.
● Potencia del motor que mueve a un ventilador igual.

Otras medidas generales
Todas ellas aumentan la eficiencia total de la torre en mayor o menor medida:
● Limpieza del depósito de agua caliente.
● Limpieza y reparación de boquillas de distribución de agua caliente.
● Ajuste del ángulo de ataque de las aspas en ventiladores. Se debe uniformizar para todas las aspas, de modo que el ventilador pueda manejar mayor caudal de aire para una misma potencia del motor absorbida.
● Reparación y cierre de puertas de acceso en cada celda de la torre.
● Regulación de niveles en depósitos de agua caliente mediante válvulas de control, para evitar paradas por falta de suministro.
● Mantenimiento programado de la torre.