TORRES DE ENFRIAMIENTO

INTRODUCCIÓN

En todos los casos que involucran a la transferencia de masa, necesariamente debe

transferirse también calor. Cuando se transfiere un componente de una fase gaseosa a una solución

en fase líquida, se desprende el calor latente asociado con la condensación. Cuando se transfiere un

componente de una solución en un disolvente a otra solución en otro, como en la extracción líquido-

líquido, se desprende la diferencia entre los calores de disolución del soluto en los dos disolventes.

Se presentan efectos caloríficos similares en destilación, adsorción, lixiviación, secado, entre otros.

En cada caso la temperatura interfacial se ajustara por sí misma, de manera que ha estado estable, la

velocidad de transferencia de calor establecerá un equilibrio con la velocidad equivalente de

transferencia de calor asociada con la transferencia de masa.

Entre las operaciones en donde tanto la transferencia de calor como la de masa afectan a la

velocidad, la humidificación y des humidificación son las más simples y también las que tienen una

aplicación más directa de la teoría. Aquí, participan solo dos componentes y dos fases. La fase

líquida, que con mucha frecuencia es el agua, es un solo componente, y la fase gaseosa consiste en

un gas incondensable, por lo general aire, en donde está presente algo de vapor de la fase líquida.

En este caso, existe una mayor intimidad de contacto directo entre las dos fases,

generalmente, esto permite lograr coeficientes de transferencia de calor mayores que en equipos

tubulares usuales, como los intercambiadores de calor.

Posiblemente la aplicación más notable de un aparato que opera con contacto directo entre

un gas y un líquido, es la torre de enfriamiento. Usualmente es una estructura parecida a un cajón de

madera que tiene estructura interna del mismo material. Las torres de enfriamiento se emplean para

poner en contacto agua caliente que proviene de los sistemas de enfriamiento de procesos con aire

para el propósito de enfriar el agua y poder usarla de nuevo en el proceso. La función de su relleno

interior es aumentar la superficie de contacto entre el agua y el aire. Una torre de enfriamiento

reduce ordinariamente los requerimientos de enfriamiento de agua por cerca de 98%, aun cuando

hay alguna contaminación natural causada por la saturación del aire con el vapor de agua.

TORRES DE ENFRIAMIENTO (definición)

Los procesos de enfriamiento por agua, son de lo más antiguos y simples conocidos por el

hombre. Todo lo que se requiere para enfriar el agua, es exponer su superficie al aire con un grado

de eficiencia variable.

La disipación del calor contenido en el agua, depende en gran parte de la evaporación en el

aire de una parte del agua. También sede calor sensible el agua al aire para evaporar 1 Kg de agua

se necesitan 600 calorías que bastan para enfriar 100kg de agua 6°F. Por consiguiente por cada6 C

se pierde aproximadamente el 1%de agua por evaporación, ay una perdida debido al rociado de

0.2%

En las torés de enfriamiento de tiro natural o mecánico, bien proyectadas al enfriar agua de

48°C a 30°C, por ejemplo se perderá 3.2% del peso de la misma, cada vez que pase atreves de la

torre.

En las torres de enfriamiento de agua generalmente el armazón y el relleno interno son de

madera de pino, material muy durable, en contacto continuo con agua. Es de práctica común

impregnar la madera con fungicidas y recubrirla con neopreno para protegerla del ataque de los

hongos; los costados de las torres son comúnmente de pino, ladrillo, cemento-asbesto, plásticos de

poliéster reforzado con vidrio y otros de materiales resistentes a la corrosión provocada por la

humedad atmosférica y el agua circulante.

El agua suele introducirse por la parte superior mediante un sistema de distribución,

bajando atreves del empaque hasta la parte baja de la torre.

COMPUNENTES

Los componentes principales de las torres de enfriamiento son los siguientes

1. Armazón de la torre

2. Depósito de agua

3. Sistema de distribución

4. Empaque

5. Eliminadores de brisa

6. Persianas envolventes

7. Equipo mecánico

8. Acceso

COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTODE AGUA

ARMAZON DE LA TORRE

Es una estructura capaz de soportar el relleno, ventiladores, sistema de distribución de agua

y otros accesorios; además de las cargas por viento que deben ser mayores a las existentes en el

lugar de instalación.

DEPOSITO DE AGUA:

Este depósito sirve para igualar la temperatura de recirculación, asentamiento de sólidos

suspendidos en el agua y otras veces como base de la estructura de la torre

ELIMINADORES DE BRISA:

Los eliminadores se instalan sobre el sistema de distribución de agua, con la única finalidad de

minimizar la perdida de agua por arrastre del aire.

PERCIANA O ENVOLVENTE:

Se instala a la entrada de las torres de aire para evitar que el agua se pierda al salpicar fuera de la

torre.

ENPAQUE

El objetivo del empaque es el de acelerar la dispersión del calor del elemento a enfriar, aumentando

el tiempo de contacto entre el agua y el aire y así proporcionar mayor superficie de contacto entre dos fases.

Además de cumplir con lo anterior el empaque debe ser de bajo costo y fácil de instalar, presentar

menor resistencia al (aire) flujo de aire, lograr una buena distribución de agua a lo largo de la torre, ser

resistente a la corrosión, tener una baja densidad a granel para evitar problemas de soporte (peso

excesivo),etc.

Este es fabricado en forma de largueros de madera de sección rectangular o triangular (Fig. 6.7.8),

esto permite pequeñas caídas de presión.

La proyección horizontal del relleno no permite que las gotas caigan sin golpear los largueros

inferiores. El mecanismo de producir gotas en la parte inferior de cada hilera horizontal se basa en que el

líquido drenado se rompa en flujo turbulento y de esta manera generar mayor superficie de gota. Existe una

tendencia al uso de largueros rectangulares por ser económicos en su instalación y fabricación

SISTEMA DE DISTRIBUCION

El sistema más usado es el de boquillas pulverizadoras, este consiste en una tubería alimentadora

principal que distribuye el agua a una serie de tubos laterales. Se instalan en los tubos a intervalos

apropiados boquillas que se esparcen uniformemente hacia arriba.

Estas boquillas son del tipo de obstruccionables, introduciendo el agua lateral y tangencialmente para

que adquiera un movimiento en espiral, pues su funcionamiento depende de la fuerza centrifuga, esta acción

genera la velocidad suficiente para una dispersión fina asegurando un tamaño uniforme de partícula.

El sistema de esperado debe ser a baja presión; en la práctica es recomendable una presión de 0.49

Kg/cm2, sin embargo es adecuada la de 0.35 Kg/cm2, esto es para un lanzado ascendente. El sistema de

distribución se instala por debajo de los eliminadores de brisa.

CLASIFICACION

Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo por los medios que se les suministra el aire, tosas

poseen hileras de empaques para suministrar una gran superficie de contacto entre el aire y el agua, como se

vio anteriormente por lo antes dicho podemos establecer dos tipos de torres: las de tiro mecánico y las de tiro

natural

TORRES DE TIRO MACANICO

Las torres de tiro mecánico son aquellas torres donde el aire es forzado a circular dentro de la torre

mediante extractores o sopladores, los dos tipos existentes son; tiro forzado y tiro inducido. Operan de la

misma manera siendo independientes de la velocidad del aire y sufren menos perdida de arrastre de vapor.

TORES DE TIRO FORSADO

En esta unidad el aire entra atreves de una abertura circular donde se encuentra montado un abanico

que envía el aire hasta la parte superior de la torre en su recorrido el aire es forzado a través del emparrillado

a contra corriente, con el flujo de agua que fluye hacia la parte inferior de la torre.

En este tipo de distribución el aire es pobre debido al cambio de dirección brusca a unos 90° (Fig.

10). La desventaja es que debido a la baja velocidad de descarga del aire en la parte superior el aire saturado

tiende a recircular reduciendo la capacidad de enfriamiento de ésta.

TORRES DE TIPO INDUCIDO

En estas a diferencia de las de tiro forzado, el extractor esta situado en la parte superior de la torre, y

el aire es forzado a contracorriente con el flujo de agua, se tiene de dos tipos: a contracorriente (Fig. 11) y ha

flujo cruzado (Fig. 12).

En las torres de flujo cruzado con capacidad hasta de 100,000 galones (398.500 lts), por minuto de

agua, el aire puede forzarse atreves de ella mediante los lados abiertos de la torre hasta un ventilador centra, a

través de deflectores inclinados.

Debido a la diferencia indicada en las torres de tiro forzado, el aire se descarga a través del ventilador

a alta velocidad, proyectándose hacia las corrientes naturales de aire que evitan su recirculación, su desventaja

principal es que presenta una caída de presión en la toma de aire (ventilador), aumentando los requerimientos

de energía y su alta velocidad de descarga produce arrastre de agua por el aire.

TORRES DE CIRCULACION NATURAL

Las torres de tiro natural son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento

y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra a usar llegan a tener diámetros de hasta 25 pies

(7.62 m) y alturas de 340 pies. (103.7 m).Generalmente usadas en Europa. Se dividen principalmente en dos

tipos: Torres Atmosféricas y de Tiro Natural.

TORRES ATMOSFERICAS

Estas torres (fig. 13) dependen del viento atmosférico que sopla horizontalmente hacia la torre; debe

de estar en áreas relativamente abiertas, para recibir y aprovechar el viento en cualquier dirección. Son

recomendables velocidades de viento de 4.5 a 6.5 millas por hora, para una operación razonable.

La torre opera a flujo cruzado, no son capases de producir una temperatura más cercana de 4°F a la

de bulbo húmedo del aire de entrada. No requiere ventiladores, pero requiere energía al bombear el agua a la

cima de la torre; son necesarias áreas superficiales muy grandes.

El agua bombea a la parte superior de donde se derrama por un sistema de distribución, cuando el

agua desciende se divide y distribuye por la cubiertas que contienes en el relleno de la torre. La redistribución

asegura una concentración uniforme del agua por la torre en su caída.

Aunque el costa de una torre atmosférica, es casi el mismo que el de una de tiro mecánico ciertas

limitaciones importantes rigen sus resultados de funcionamiento, tienen que tener orientada el área mas ancha

hacia el viento, la principal objeción es la excesiva perdida de agua rociada durante los periodos de fuerte

viento, actualmente se resuelve este problema incorporando a las persianas eliminadores de niebla.

TORES DE TIRO NATURAL

Estas torres (Fig. 14) dependen de la acción del tiro natural (como chimenea del horno), el aire se

calienta (en la torre) por el agua caliente que entra en contacto bajando su densidad originando, por diferencia

de densidades, un flujo de aire en la parte baja y una expulsión de aire caliente en la parte superior.

La acción de la torre depende de la temperatura atmosférica por lo tanto en un día caliente su eficiencia

disminuye.

Estas torres deben ser altas para promover dicho efecto y deben tener una sección transversal

grande pues su velocidad de circulación de aire es baja, su costo de bombeo es alto debido a su gran tamaño,

siendo esta la razón por la que esta pasada de moda.

ECUACIONES CARACTERÍSTICAS

La transferencia de energía entre el aire y el agua se puede expresar mediante la siguiente

ecuación:

L∗Cp∗(T 2−T1 )=G( h2−h1 )Donde:

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

Es posible evaluar el anterior balance de energía en forma diferencial entre dos puntos

internos de la torre de tal manera que

LdT=GdhAl 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=KadV (hw−ha )=GdhDonde:

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.

De la ecuación anterior se obtiene por integración dos expresiones independientes:

KaVL

=∫ ¿T 1

T 2 dThw−ha

¿

y

KaVG

=∫ ¿h 1

h 2 dhhw−ha

¿

La primera ecuación se conoce como Característica termodinámica y la segunda ecuación

de Merkel.

Se define una curva característica del fabricante que relaciona el valor de KaV/L, con la

relación agua-aire L/G, su cálculo se efectúa de manera experimental. Existe otra curva denominada

característica requerida, que expresa el término ECN como función de L/G.

En la figura a se observan ambas curvas.

En muchos casos la curva característica se obtiene con base en ecuaciones y coeficientes

que brinda el fabricante sobre el tipo de relleno, Con dichos coeficientes puede construirse el

término KaV/L como función de L y G y de esta forma graficarlos en el diagrama. La característica

requerida se grafica como función del acercamiento y se encuentra en literatura de diseño de torres,

RENDIMIENTO Y EFICIENCIA

La evaluación energética de una torre de enfriamiento puede hacerse desde varios puntos de

vista. El primero de ellos hace referencia a la eficiencia de una torre y 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=T entradadeagua

−T salidade aguaT entradade agua−T dhairede

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.

El segundo punto de vista hace referencia al rendimiento de la torre, trata de evaluar el

comportamiento en términos de capacidad de enfriamiento de agua y se basa en los datos nominales

de diseño y en la curva característica brindada por el fabricante. La evaluación del rendimiento es

una opción que brinda más información, pero en muchas ocasiones es difícil contar con las curvas

de diseño.

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.

Para aplicar este método se debe tener la curva característica de la torre, así como el valor

de diseño L/G, la potencia demandada por el ventilador en las condiciones de diseño y la curva

característica requerida de acuerdo al acercamiento de diseño.

Se diferencian dos tipos de datos: Los de diseño, marcados con el subíndice d y los de la

prueba, marcados con el subíndice p.

Determinación de L/G de prueba.

( LG )p

=LpLd (

PdPp )

1/3

∗( LG )d

Donde:

Lp: Flujo de agua en las condiciones de prueba (medido previamente en campo)

Ld: Flujo de agua en las condiciones de diseño

G: Flujo de aire

Pp: Potencia del motor del ventilador en condiciones de prueba (medida previamente en campo)

Pd: Potencia del motor del ventilador en condiciones de diseño

Determinación del KaV/L de la prueba.

Con base en los valores registrados de temperatura de bulbo húmedo a la entrada (Th), el

agua caliente que entra a la torre (T1), el agua fría que sale de la misma (T2) y la relación de flujos

L/G se calcula:

KaVL

=∫ ¿T 1

T 2 dThw−ha

¿

Determinación de la capacidad de la torre.

Se ubica sobre la curva brindada por el fabricante el punto (L/G) p, KaV/L obtenido

mediante los cálculos y se traza una curva paralela a la curva de diseño que pase por el punto ya

indicado. La intersección de dicha curva con la del requerimiento del sistema determina el valor de

L/G de prueba, con el cual la torre alcanzaría las condiciones térmicas de diseño. El cociente entre

el (L/G) de la prueba y el (L/G) de diseño determina el porcentaje de capacidad al que trabaja la

torre.

CONDICIONES DE PROCESO PARA LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

Desde el punto de vista de corrosión de tubos, 120ºF es la máxima temperatura a la que el

agua de enfriamiento emerge ordinariamente. Cuando la temperatura del agua está sobre 120ºF se

puede utilizar un enfriador atmosférico que prevenga el contacto directo entre el agua caliente y el

aire.

La temperatura mínima a la que el agua puede enfriarse en una torre de enfriamiento

corresponde a la temperatura de bulbo húmedo del aire. La diferencia entre la temperatura de agua a

la salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo se llama aproximación.

Una de las características objetables en las torres de enfriamiento se conoce como fogging,

o producción de niebla, lo cual se da cuando el aire caliente saturado a la salida de la torre se

descarga en la atmosfera fría y ocurre condensación.

INFLUENCIAS EXTERNAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE

RECIRCULACION

La recirculación en las torres de enfriamiento se define como una adulteración de la

atmósfera de entrada a la torre por la atmósfera de salida de la misma.

El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del

aire que entra a la torre de enfriamiento (por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire

ambiente), y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre.

Dependiendo del grado de recirculación la temperatura del agua fría puede incrementarse

hasta en 5 grados o más.

A lo mejor esto también ocasiona que el sistema opere por encima de los parámetros de

diseño.

Todas las torres ofrecen un potencial riesgo de recirculación, la extensión de esta depende

de las velocidades de entrada y salida del aire.

Altas velocidades de entrada incrementan el potencial para la recirculación, mientras que

elevadas velocidades de salida disminuyen el riesgo de recirculación.

RESTRICCIÓN DEL FLUJO DE AIRE

A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de bulbo

húmedo particular la temperatura del agua fría producida por una torre de enfriamiento es

totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada.

Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará.

Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se preocupan en diseñar

correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que estos son los que mueven el aire contra la

presión estática encontrada dentro de la torre.

La presión estática es una medida de la resistencia del sistema para un determinado flujo de

aire, esto resulta de las restricciones en el sistema (lo cual incrementa la velocidad del aire) y de los

cambios en la dirección del flujo de aire.

VIENTO

Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar el potencial de la torre de

enfriamiento a la recirculación.

No solamente la curvatura creada por el aire de salida en la dirección del flujo del viento,

también se crea una zona de baja presión en la cual puede formarse una porción de niebla, si la

admisión de aire a la torre esta en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con

esa niebla.

El grado al cual puede afectar la dirección del viento aumenta dependiendo de la relación de

la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la velocidad del viento (Va)

INTERFERENCIA:

Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden “Interferir” con el

desempeño térmico de la misma.

Estas interferencias pueden ser causadas por otras instalaciones de la planta u otros equipos.

Muchas veces consisten de contribución térmica del efluente de otra torre de enfriamiento

cercana.

RECOMENDACIONES

Verificar que las bombas estén operando en el punto de mayor eficiencia.

Evitar al máximo la regulación de flujo en los sistemas a través del uso de válvulas, placas

de orificio ó elementos similares. Se obtienen resultados mucho más eficientes cuando la

velocidad de rotación del motor puede variar de manera continua. La economía de energía

es tanto mayor cuanto más frecuentemente se marche en régimen de agua parcial.

Instalar controles automáticos de temperatura que manejen las bombas y ventiladores de las

torres de enfriamiento, para que estos no operen sino durante los períodos estrictamente

necesarios.

Instalar controles de nivel en todos los tanques para evitar pérdidas de agua por los reboses.

Bombear únicamente la cantidad de agua requerida por el sistema de enfriamiento y evitar

el sobredimensionamiento.

Utilizar filtros que den baja caída de presión de 5 a 8 psi (34,55 kpa a 76,89 kpa) y alta

densidad de filtración 3 Gpm/pie (122,16 lpm/m)

Utilizar torres de enfriamiento con rellenos de alta eficiencia y boquillas que den baja caída

de presión de 5 a 7 psi (34,55 kPa a 48,36 kPa), mantener en óptimo estado los

eliminadores de rocío.

Mantener los sistemas de intercambio de calor libres de incrustaciones y depósitos aislantes

Instalar elementos de medición en cada sistema para poder mantener bajo control los

índices de consumo.

Hasta donde sea posible utilizar los retornos y transportes por gravedad.

Cambiar rellenos de goteo por rellenos laminares, ofrecen mayor eficiencia y pueden

reducir el volumen del mismos.

Si se piensa en un cambio a gran escala puede considerarse lo siguiente: Conversión de

torre de tiro atmosférico a torre de tiro forzado, conversión de torre de tipo forzado a torre

de tiro inducido, conversión de torre de flujo cruzado a torre de flujo en contracorriente.

BIBLIOGRAFIA

http://www.si3ea.gov.co/Eure/11/inicio.html

www.mussayasociados.com.ar/images/torres_de_enfriamiento_graf.jpg&imgrefurl

http://www.airetecnica.com.co/PDF%B4s/TAYCOPANO.pdf

http://www.ashraecdmexico.org/sesiones%20tecnicas/2008-2009/Tip%20Nov%202008.pdf

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