GUIDE DES TOURS DE RÈFRIGERÉRATION
Toutes les usines industrielles, la météo, le refroidissement ou la production d’énergie sont caractérisées par des émissions de chaleur plus ou moins importantes en termes quantitatifs. Cette chaleur « résiduelle » a, sauf dans certains cas, une contenu à faible énergie qui ne rend pas sa récupération possible ou pratique. Par conséquent, il doit être dissipé à l’extérieur d’une manière ou d’une autre.
Dans cet article, nous traiterons des tours de refroidissement par évaporation. Une tour de refroidissement est, aujourd’hui, la technologie de refroidissement la plus efficace du marché pour dissiper de grandes quantités de chaleur. Pour cette raison, les tours de refroidissement sont l’équipement de refroidissement le plus utilisé dans l’industrie.
Tours de réfrigération: opération et entretien
Nous vous répondons:
- Que sont les tours de refroidissement, à quoi servent-elles et comment fonctionnent-elles ?
- Où et pourquoi sont-elles utilisés? Pourquoi sont-elles nécessaires?
- Quelle est la définition de «tour de refroidissement» ?
- Que signifie « évaporatif » ?
Tours de refroidissement : que sont-elles et où sont-elles utiles ?
Les tours de refroidissement sont des dispositifs qui exploitent de manière optimale un principe naturel aussi simple qu’efficace. On parle de l’évaporation forcée d’un petit pourcentage du volume d’eau. Cette eau, lors du changement d’état en vapeur, extrait de l’énergie du flux d’eau non évaporée (chaleur latente d’évaporation).
Le processus par lequel se produit le refroidissement par évaporation est aussi simple qu’ancien. Les anciennes amphores en terre cuite, un matériau poreux, permettaient à l’eau de s’exsuder à l’extérieur en quantités minimes. De cette manière, un processus d’évaporation avait lieu et l’eau à l’intérieur restait fraîche même à des températures ambiantes élevées.
Les tours de refroidissement utilisent la chaleur latente de l'évaporation
Les tours de réfrigération peuvent encore mieux effectuer le processus d’échange de chaleur de l’eau / air. A l’intérieur, le phénomène d’évaporation se produit en utilisant des composants simples et efficaces. En général, ils ont besoin d’une maintenance minimale.
Pour mieux comprendre comment la dissipation de la chaleur se produit, il est nécessaire de connaître deux concepts:
- Chaleur sensible. La quantité d’énergie calorique qui est ajoutée ou soustraite d’un élément physique (comme une batterie avec ailettes) pour modifier sa température.
- Chaleur latente. Il est essentiellement basé sur le changement d’état qui peut subir une substance en raison de l’incorporation ou de la perte de chaleur. Dans le cas de l’eau, il peut passer d’une phase liquide à une phase solide (glace), si la chaleur est retirée lorsque le point de congélation atteint. Il peut également passer de la phase liquide à la soude (vapeur) si la chaleur est incorporée lorsque le point d’ébullition atteint. La chaleur latente est ensuite définie comme la chaleur qui est introduite ou éliminée pour changer l’état de l’eau. En particulier, dans les systèmes de refroidissement de l’évaporation, la chaleur latente de l’évaporation est définie.
Une tour de refroidissement doit offrir de l’eau comme surface possible du contact d’air, de sorte que l’échange de chaleur est optimal.
Ceci est réalisé au moyen d’une surface d’échange de chaleur, spécialement conçu à cet effet. Cette surface d’échange, la remplissage, doit être sélectionnée en fonction de la qualité de l’eau pour être refroidie, des liquides possibles en suspension, de son efficacité et de La facilité pour la maintenance ultérieure.
La température de l'ampoule humide
La température de l’ampoule humide est définie comme la température que nous mesurons si l’air était avec une humidité relative de 100%. Si l’ampoule d’un thermomètre est humidifiée avec de l’eau, l’évaporation de cette eau fait tomber la température du thermomètre.
Plus l’humidité relative inférieure sera inférieure à la température de l’ampoule humide par rapport à la température ambiante. La température de l’ampoule humide fournit une référence précise de la température de sortie théoriquement réalisable par la tour de refroidissement.
Profitant de ce concept, les tours de refroidissement peuvent refroidir les liquides bien en dessous de la température ambiante.
L'efficacité énergétique des tours de refroidissement
Compte tenu de sa simplicité constructive, combinée à la grande efficacité en termes de relation de coût par kW dissipé, les tours de refroidissement restent aujourd’hui le dispositif de refroidissement le plus utilisé à la fois dans la sphère civile et surtout dans l’industriel.
En effet, il n’y a pas de pièce mobile particulière, sauf un ventilateur qui peut être installé à la fois en aspiration et en impulsion. D’un autre côté, la consommation d’électricité est vraiment réduite par rapport aux autres systèmes de refroidissement.
Surtout en présence de grandes quantités de chaleur à se dissiper (par exemple, en acier, des usines chimiques, des plantes électriques), les tours de refroidissement n’ont pas de rival en termes d’énergie électrique utilisée et de l’espace limité requis pour son installation. Dans le même temps, les températures réalisables, en termes d’eau réfrigérée, sont bien inférieures à la température ambiante. Au contraire, les systèmes non évaporatifs sont très soumis à cette limite de température car les systèmes d’évaporation fonctionnent en utilisant une évaporation latente (la limite minimale que l’eau peut atteindre est la température de l’ampoule humide).
Comparaison des technologies de refroidissement: réfrigérateurs secs, adiabatiques, évaporatifs et refroidisseurs.
Lorsque vous devez sélectionner un système de réfrigération industriel ou civil, le choix doit être fait en tenant compte des points fondamentaux qui garantissent le système le plus approprié. En particulier, les deux températures de fonctionnement requises et celles liées aux conditions environnementales du site d’installation doivent être prises en compte.
Les systèmes de refroidissement à sec ou les refroidisseurs secs sont basés sur un échange de chaleur sensible. La limite dans ce cas est fixée par la température du liquide de refroidissement, c’est-à-dire l’air ambiant. Ce type de refroidissement peut atteindre des températures minimales d’environ 5 ° C au-dessus de la température ambiante.
Les nouveaux systèmes adiabatiques de paragraphe combinent le refroidissement par air avec une petite évaporation de l’eau qui leur permet d’atteindre les températures de refroidissement similaires à la température ambiante.
Tout cela nous aide à préciser qu’il n’y a pas de système de réfrigération « bon pour toutes les stations ». Faire un choix approprié est basé sur les exigences de conception et les conditions environnementales. Cela signifie optimiser la consommation d’énergie, en réduisant l’espace avec des systèmes dans des conditions de travail au maximum.
Un chapitre séparé est supprimé représente les unités de refroidissement. Dans ce cas, cependant, ce sont des machines qui utilisent des composants mécaniques spécifiques pour obtenir un refroidissement (compresseurs, évaporateurs) et non des éléments « naturels » tels que l’air ou l’eau.
Torres de refrigeración: tamaño y componentes
Hemos descubierto qué son las torres de refrigeración y cuál es el principio físico que utilizan para mantener un alto rendimiento.
Ahora veremos cómo se construyen y sobre todo, según qué criterios se dimensionan.
Cómo dimensionar una torre: la importancia de la temperatura del bulbo húmedo
El dimensionamiento de las torres de evaporación se hace teniendo en cuenta algunos parámetros fundamentales.
- energía térmica para disipar,
- temperatura del agua que entra en la torre,
- temperatura que quieres alcanzar en la salida
- condiciones termo-higrométricas (es decir, temperatura y humedad) características del área de instalación.
Esta última información en particular representa un dato decisivo para un correcto dimensionamiento. De hecho, permite identificar con precisión el parámetro de la temperatura de bulbo húmedo. Esta define las « peores » condiciones ambientales de la zona de instalación y el límite al que tiende a llegar el agua enfriada por la torre de refrigeración.
En estas condiciones límite, deben garantizarse las temperaturas de diseño necesarias para la disipación de la carga térmica suministrada por el sistema. La temperatura de referencia del bulbo húmedo es en promedio unos 10°C menos que la temperatura ambiente. La aproximación es la diferencia entre la temperatura del bulbo húmedo y la temperatura del agua enfriada. Cuanto menor sea la aproximación necesaria para el agua de salida y mayor será la torre de refrigeración necesaria para realizarlo.
Normalmente, una aproximación entre 2-3°C y 5-6°C cumple plenamente con la mayoría de los requisitos de las plantas modernas.
Componentes de la torre de refrigeración y materiales utilizados
Principales componentes que distinguen a las torres de refrigeración, de circuito abierto o cerrado.
- Estructura principal de contención y soporte de la torre de refrigeración: puede ser de chapa o de fibra de vidrio o ambas. En el caso de torres de refrigeración industriales muy grandes, o de tipo hiperbólico, también se utiliza el cemento.
- Relleno o paquete de intercambio de calor (en torres de circuito abierto) o serpentín de intercambio de calor, generalmente con tubos lisos (en torres de refrigeración de circuito cerrado). Constituyen el « corazón » de la torre de enfriamiento. De hecho, son los componentes a través de los que se realiza el intercambio de calor entre el agua y el aire.
- Ventilador axial o centrífugo: es el único dispositivo mecánico en movimiento. Este, « fuerza » la evaporación del agua necesaria para realizar el enfriamiento. La elección del tipo axial o centrífugo, dependiendo de las condiciones de diseño, es importante para obtener el mejor funcionamiento y el menor consumo del sistema.
- Sistema de distribución de agua, normalmente fabricado con una serie de tubos y boquillas. Permite distribuir el agua a enfriar en el relleno ( torres de refrigeración abiertas) o sobre el serpentín de intercambio ( torres cerradas).
- El separador de gotas, situado inmediatamente aguas arriba del ventilador. Tiene la función de retener las gotas de agua, que de otra manera son arrastradas hacia afuera por el flujo de aire del ventilador.
La calidad del agua de refrigeración
Además, la naturaleza del agua que se va a enfriar influye en gran medida. Definirá la elección de los materiales de construcción que se van a utilizar. Como se ha mencionado anteriormente también será un factor que defina el relleno más adecuado. En presencia de agua particularmente agresiva o ácida, se deben preferir los materiales inoxidables o la fibra de vidrio. Esta última es intrínsecamente insensible a la mayoría de los agentes químicos.
Si, por el contrario, el agua puede ser contaminada por el proceso, arrastrando con ella suciedad u otros contaminantes de diversa índole, incluidos los orgánicos, será necesario evaluar el tipo de relleno. Entres los distintos tipos dispnibles, encontramos los antiincrustantes, canales verticales no cruzados y los clásicos packs « splash » basados en el principio de arrastre de gotas entre otros.
Purgas y aporte en torres de enfriamiento
Como hemos mencionado, las torres evaporativas logran su propósito de enfriar el agua por la evaporación forzada de una cierta cantidad de agua. La cantidad de agua evaporada es directamente proporcional a la cantidad de calor que debe disiparse. En particular, se pierde alrededor de 1 litro de agua cada 600 Kcal de carga térmica eliminada.
Este es un hecho físico indiscutible. Representa uno de los pocos aspectos « críticos » a gestionar en los sistemas de refrigeración evaporativos en comparación con otras tecnologías de enfriamiento.
El agua evaporada para obtener el enfriamiento debe reincorporarse al circuito. Es conveniente llevar a cabo la operación mediante el acondicionamiento de la calidad del agua. De esta forma no se producirán infiltraciones y depósitos en el propio circuito. Esto se debe a que las sales contenidas en el agua de evaporación permanecen disueltas en el agua restante que va aumentando en concentración. En resumen, se hace esencial mantener bajo control, que no se superen ciertos límites. Normalmente, un tratamiento antical adecuado y una purga parcial del agua contenida en el circuito y un tratamiento biocida son más que suficientes para este fin.
El agua evaporada es una consecuencia del calor disipado, y por lo tanto no puede ser modificada en términos cuantitativos. El agua que se define como « purgada » puede modificarse y que tiene la función de mantener la cantidad de sales disueltas dentro de ciertos límites.
La purga
La purga se puede gestionar de manera « empírica » tendiendo a ser algo superior a la evaporación. También puede ser controlado por la vigilancia constante de la calidad del agua contenida en el circuito, en particular el parámetro de conductividad eléctrica.
El control de la conductividad mediante tratamientos antical especiales, y la posterior gestión de las purgas de manera adecuada, permite reducir considerablemente el desperdicio de agua. Además permite mantener el sistema en perfecta eficacia y ampliar en el tiempo las intervenciones de mantenimiento y la sustitución de los componentes sujetos a desgaste.
Por lo tanto, la solución ideal puede ser optar por soluciones « integradas » para la planta. Estas soluciones incluyen, además de la torre de refrigeración, los equipos dedicados al control y la gestión del agua. Mejor aún si se propone directamente el fabricante. De esta manera pueden ser adecuados en cuanto al fluido y diseñados específicamente para la torre de refrigeración vinculada a la explotación.
Torres de refrigeración: principales aplicaciones industriales y civiles
Como se indicó al principio, las torres de refrigeración se utilizan ampliamente en los sistemas de evaporación:
- producción de energía
- el acondicionamiento civil
- refrigeración
Esta última área representa ciertamente la que más frecuentemente se utiliza en el uso de torres de evaporación: especialmente en el caso de plantas de potencial media y alta.
Torres de refrigeración: la solución óptima para las grandes potencias
Todos los demás sistemas de refrigeración, ya sean de ventilación, adiabáticos o frigoríficos, representan una posible alternativa cuando la potencia térmica a disipar es relativamente modesta. Por ejemplo, para dar una referencia, por debajo de 1 MW. Sin embargo, se vuelven extremadamente antieconómicos cuando se trata de potencias muy altas, incluso varios MW.
En el sector industrial se utilizan tanto torres de refrigeración de circuito abierto como de circuito cerrado. En estas últimas, el fluido a enfriar, que siempre puede ser agua o una mezcla de agua y glicol, circula dentro de un serpentín de tubos lisos que se humedece externamente con agua que evaporarse sustrae calor al fluido interno.
Torres de refrigeración combinadas con intercambiadores de calor
Las torres evaporativas de circuito cerrado son una alternativa válida en caso de que se quiera enfriar « indirectamente » al consumidor. Es decir, se prefiere que el líquido del circuito de refrigeración no esté contaminado por el aire.
El mismo tipo de enfriamiento indirecto puede lograrse con una torre evaporativa de circuito abierto combinada con un intercambiador de calor de placas o un intercambiador de calor de haz de tubos. La ventaja del primero que tanto la sección de evaporación como el intercambiador de calor de tubo liso en el que funciona se encuentran en una sola máquina. Las ventajas en cuanto a espacio ocupado y costes son incuestionables.
Torres de refrigeración combinadas con condensadores refrigerados por agua
Las torres de enfriamiento también se utilizan en la refrigeración civil, pero, sobre todo, industrial y comercial. En particular, las encontramos en combinación con el condensador de las unidades de refrigeración enfriadass por agua y hoy más que nunca en las unidades de absorción.
Ejemplos de áreas de aplicación
A modo de ejemplo, mostramos una relación de ámbitos de aplicación industrial o civil en los que las torres de refrigeración cumplen su función de eliminación del calor de los procesos.
- Centrales nucleares, térmicas, geotérmicas y de carbón.
- Plantas de petróleo y gas: a menudo se utilizan grandes torres de refrigeración industrial
- Refinerías.
- La producción de plásticos y el tratamiento térmico de metales (como las acerías y las fundiciones).
- Cogeneración y trigeneración.
- Sistemas de aire acondicionado en edificios civiles e industriales (área HVAC).
- Supermercados en combinación con enfriadores.
- Pequeñas plantas de producción como las heladerías.
Tipos de torres de refrigeración
La elección de los diferentes tipos y variantes de construcción de las torres de refrigeración se realiza durante la fase de diseño. La selección se hace en función de la aplicación a la que se destinan, o por el tamaño del sistema.
Las variables más frecuentes que pueden guiar la elección son, a grandes rasgos, las siguientes:
- la energía térmica disipada
- la naturaleza del agua a enfriar
- tipo de proceso
- contexto en el que tiene lugar la instalación (civil o industrial),
- requisitos especiales de instalación, por ejemplo, si se trata de una instalación nueva o de un reemplazo.
Torres de refrigeración ensambladas en fábrica y montadas en campo
El tamaño del sistema en términos de potencia térmica a disipar dirige la elección hacia torres de refrigeración de tipo modular (FAP) preensambladas en fábrica, o hacia torres de refrigeración montadas en el campo o FEP (ensambladas directamente en el sitio).
Las torres de refrigeración de tipo modular pueden fabricarse tanto en metal como en otros materiales menos « sensibles » a la presencia de agua y su posible efecto de corrosión como es la fibra de vidrio. Las torres de refrigeración montadas en campo se construyen a partir de una estructura metálica o con perfiles pultruidos de fibra de vidrio o incluso de hormigón (clásicas torres hiperbólicas de las centrales nucleares).
Soluciones estándar o silenciosas
Otro elemento que influye en la elección de la solución constructiva más adecuada es la zona de instalación. En un contexto civil (hospitales, centros comerciales, sistemas de aire acondicionado) se debe preferir una solución de bajo impacto acústico. En este caso se preferirá un equipo de refrigeración diseñado con bajas emisiones de ruido o fácilmente silenciable.
Si se trata de una zona industrial, los límites de ruido, aunque se presentan como una solicitud de diseño, son ciertamente menos vinculantes.
¿Ventiladores centrífugos o axiales?
Para responder a esa pregunta, demos un paso atrás en el tiempo.
En los últimos años, ha habido una tendencia a dirigir la elección en el sector civil hacia torres de refrigeración con ventiladores centrífugos. En cambio, se preferían las versiones con ventiladores axiales para procesos industriales.
Hoy en día existen torres de refrigeración con ventiladores axiales igualmente eficientes y silenciosos.
Para cada instalación su solución: la recopilación de información
Por último, también es necesario conocer los límites dimensionales u otras situaciones preestablecidas que pueden definir una elección.
Por ejemplo, en el caso de una sustitución, puede haber un tanque existente o un espacio definido por la instalación anterior al que es necesario adaptarse.
Los distintos aspectos deben ser tratados durante la fase de recopilación de datos entre el cliente y el proveedor. Es tarea de este último asumir una función « asesora » hacia el cliente para que la propuesta sea la mejor desde el punto de vista técnico y económico.
Mantenimiento y tratamiento del agua de refrigeración
Como todos los dispositivos incluidos en un sistema tecnológico, las torres de refrigeración requieren un programa de mantenimiento rutinario y, en caso de fallo, extraordinario.
Debido a su extrema sencillez de construcción, las torres de enfriamiento no requieren por lo general una atención especial, sino la observación de algunas directrices muy simples pero eficaces para mantenerlas siempre al máximo rendimiento. La seguridad y la eficiencia van de la mano.
El tratamiento de agua en la torre de refrigeración
Los aspectos más delicados pueden ciertamente remontarse a la naturaleza del agua en circulación. Es decir, no sólo la atención al tipo de agua a enfriar, sino cómo este agua es controlada y acondicionada para que no se deteriore desde el punto de vista físico-químico.
El agua bien tratada evita los depósitos e incrustaciones en la torre de refrigeración que en general se encuentra en la planta. También tiene una gran influencia positiva en la reducción al mínimo de la posible de proliferación y propagación de sustancias orgánicas (algas) o bacterias, incluida la más extendida y potencialmente peligrosa que puede causar legionelosis.
Una torre de refrigeración limpia significa eficacia, por lo tanto, capaz de ofrecer el máximo rendimiento con el mínimo consumo: tanto en términos de electricidad como de agua evaporada y purificada.
Buenas prácticas del fabricante de torres de refrigeración
Los componentes que conforman las torres de enfriamiento también se benefician de una gestión correcta. Los intercambiadores de calor tienen una mayor vida útil, los motores y los ventiladores funcionan en mejores condiciones debido a que un agua corrosiva podría deteriorar las partes más sensibles.
En lo que respecta a las prácticas que deben seguirse para obtener esta condición, en general basta con seguir las instrucciones específicas proporcionadas por el fabricante. Deben respetarse, en relación con los controles y el mantenimiento periódicos, así como los parámetros químico-físicos para el agua en circulación. Sin embargo, hay directrices más generales, a menudo también mencionadas en los manuales de los fabricantes, que proporcionan « buenas prácticas » válidas para todos los sistemas en los que se utilizan torres de refrigeración. Organismos prestigiosos en este sentido son Eurovent, Cooling Technology Institute o AEFYT .
