1. Funcionamiento de las torres de Enfriamieo
de agua
En las torres de enfriamiento se consigue disminuir
la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración
mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior
de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado
denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye
uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se
consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
El relleno sirve para aumentar el tiempo y la
superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto
entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire.
Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección
y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento
del agua debido a la evaporación.
En la transmisión de calor por convección, se
produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de
la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.
La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 % es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire. La diferencia de temperaturas del agua a la salida y la temperatura húmeda del aire se llama «acercamiento» o “aproximación”, ya que representa el límite termodinámico de enfriamiento al que puede llegar el agua
2. Clasificación de las torres de enfriamiento
La forma más simple y usual de clasificar las
torres de enfriamiento es según la forma en que se mueve el aire a través de
éstas. Según este criterio, existen torres de circulación natural y torres de
tiro mecánico. En las torres de circulación natural, el movimiento del aire
sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales. Las torres de tiro
mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a través del relleno.
2.1. Torres de circulación natural
Se clasifican, a su vez, en torres atmosféricas
y en torres de tiro natural.
Las torres atmosféricas utilizan las corrientes
de aire de la atmósfera. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae
verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal.
Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningún obstáculo pueda
impedir la libre circulación de aire a través de la torre. Tienen un costo inicial
alto debido a su gran tamaño, pero el costo de mantenimiento es reducido, al
no existir partes mecánicas móviles. Una torre de este tipo puede ser una solución
muy económica para determinadas necesidades de refrigeración si se puede garantizar
que funcionará habitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores
a los 8 km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos
y de bombeo aumentan mucho en relación a una torre de tiro mecánico y no compensan
el ahorro del costo de ventilación. Actualmente, las torres atmosféricas están
en desuso.
Una torre de tiro natural es aquella en la que
el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno (Fig. 1.2).
La diferencia de densidades entre el aire húmedo caliente y el aire atmosférico
es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a través de la torre.
La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y
el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer
el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas
y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento
del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son
muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Al igual que las torres
atmosféricas, no tienen partes mecánicas. La velocidad media del aire a través
de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. Las torres de tiro natural
no son adecuadas cuando la temperatura seca del aire es elevada, ya que ésta
debe ser siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un
valor de acercamiento pequeño y es muy difícil controlar exactamente la temperatura
del agua. En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran
compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña
posible. Estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas; muy pocas veces
son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversión inicial necesaria.
SALIDA DE AIRE
Figura 1.2. Esquema de una
torre de tiro natural.
Las torres de tiro mecánico proporcionan un control
total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con
una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las
torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa
la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento
muy pequeños (hasta de 1 o 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3
o 4 ºC). Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro
es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se
habla de tiro inducido.
En las torres de tiro forzado el aire se descarga
a baja velocidad por la parte superior de la torre (Fig. 1.3). Estas torres
son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres
de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza
un trabajo útil. El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que
en el caso de tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida, Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire.
Figura 1.4. Torre
de flujo a contracorriente y tiro inducido.
Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo
a contracorriente o de flujo cruzado. El flujo a contracorriente significa que
el aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos
de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto (Fig. 1.4).
La ventaja que tienen este tipo de torres es que el agua más fría se pone en
contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas, el
aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se
consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la
elevada velocidad con la que entra el aire hace que
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Figura 1.5. Torre de flujo cruzado (tiro inducido)
exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado.
En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende (Fig. 1.5). Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.