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GUIA DE TORRES DE REFRIGERACIÓN

Todas las plantas industriales, así como las plantas de aire acondicionado, refrigeración o de producción de energía, se caracterizan por emisiones de calor más o menos importantes en términos cuantitativos. Este calor «residual» tiene, salvo en algunos casos, un bajo contenido energético que no hace posible o conveniente su recuperación. Por lo tanto, debe ser disipado externamente de alguna manera.

Entre las diferentes soluciones disponibles para este fin, en este artículo nos ocuparemos de las torres de refrigeración, reconocidas hoy en día entre las tecnologías más eficientes que ofrece el mercado.

por Giorgio Lorenzetti, Asesor Técnico de MITA Group

En la sección siguiente se responde a todas las preguntas:

  • ¿Qué son las torres de refrigeración, para qué sirven y cómo funcionan?
  • ¿Dónde y por qué se usan? ¿Por qué son necesarias?
  • ¿Cuál es la definición de ‘torre de refrigeración’ o ‘torre de enfriamiento?
  • ¿Qué significa ‘evaporativo’?

Torres de refrigeración: qué son y dónde son útiles

Las torres de refrigeración o torres de enfriamiento son dispositivos que aprovechan de manera óptima un principio natural tan simple como eficaz: la evaporación forzada de una cantidad mínima de agua. Esta cantidad mínima de agua, en comparación con la masa principal, la cual al realizar el cambio de fase «roba» energía del caudal de agua no evaporado (calor latente de evaporación).

El proceso mediante el cual se produce el enfriamiento por evaporación es tan simple como antiguo.  Las antiguas ánforas arcaicas de terracota, un material poroso, permitían que el agua exudara hacia el exterior en cantidades mínimas. De esta manera, se llevó a cabo un proceso de evaporación. El agua del interior se mantuvo fresca incluso a altas temperaturas ambientales.

Las torres de refrigeración utilizan el calor latente de la evaporación

Las torres de refrigeración (o de enfriamiento) son capaces de realizar de la mejor manera el proceso de intercambio de calor agua/aire.  En ellas el fenómeno de evaporación se produce mediante el uso de componentes sencillos y eficaces.  En general necesitan un mantenimiento mínimo.

Para comprender mejor cómo se produce la disipación de calor, es necesario presentar dos conceptos.

  • Calor sensible. La cantidad de energía calórica que se añade o se sustrae de un elemento físico (como una batería con aletas) para cambiar su temperatura.
  • Calor latente. Se basa básicamente en el cambio de estado que puede sufrir una sustancia como resultado de la incorporación o la pérdida de calor. En el caso del agua, puede pasar de una fase líquida a una fase sólida (hielo). Si se le quita el calor cuando alcanza el punto de congelación. O puede cambiar de una fase líquida a una gaseosa (vapor). Si se le añade calor cuando alcanza el punto de ebullición. El calor latente se define entonces como el calor que se introduce o se elimina para cambiar el estado del agua. En particular, en los sistemas de refrigeración por evaporación se define el calor latente de la evaporación.

Una torre de refrigeración bien diseñada es capaz de ofrecer al agua la mayor superficie de contacto con el aire posible, de modo que el intercambio de calor latente sea óptimo.

Para hacer posible este intercambio de calor, la torre de refrigeración debe ser capaz de ofrecer una superficie de contacto aire/agua muy alta. Esto se logra mediante una superficie de intercambio de calor, diseñado adecuadamente para este fin, y un ventilador capaz de mover un volumen definido de aire según parámetros precisos. Veremos en detalle la utilidad de estos componentes internos.

La temperatura del bulbo húmedo

Un importante concepto físico permite comprender mejor el funcionamiento de las torres de refrigeración: se trata de la temperatura de bulbo húmedo. Fundamental en la teoría de funcionamiento de todos los sistemas de evaporación y en particular en las torres de refrigeración.

En la práctica, este parámetro define con precisión cuáles son las «peores» condiciones de temperatura y humedad relativa en la zona de instalación. Proporciona una referencia precisa de la temperatura de salida teóricamente alcanzable por la torre de refrigeración.

Eficiencia de las torres de refrigeración

Dada su sencilla construcción, combinada con la gran eficiencia en términos de relación costo/kW disipado, las torres de refrigeración siguen siendo hoy en día el dispositivo de refrigeración más utilizado tanto en el ámbito civil como, sobre todo, en el industrial. No hay ninguna pieza móvil en particular, excepto un ventilador (que puede colocarse tanto en la aspiración como en la impulsión). Por otro lado, el consumo de electricidad es realmente reducido, si se compara con otros sistemas en uso para los mismos fines.

Especialmente en presencia de grandes cantidades de calor a disipar (por ejemplo, acerías, plantas químicas, centrales eléctricas), las torres de refrigeración no tienen rival en cuanto a la energía eléctrica utilizada y el limitado espacio requerido para su instalación.

Sin olvidar que las temperaturas alcanzables en términos de agua refrigerada están muy por debajo de la temperatura ambiente.  Muy diferente a los sistemas no evaporativos, por ejemplo, que están sujetos a este límite. Esto se debe a que los sistemas evaporativos funcionan utilizando el intercambio de evaporación latente (el límite mínimo que puede alcanzar el agua es la temperatura de bulbo húmedo).

Comparación de las tecnologías de refrigeración: refrigeradores evaporativos, secos, adiabáticos y mecánicos

Cuando se necesita construir un sistema de refrigeración industrial o civil, la elección debe hacerse teniendo en cuenta algunos puntos fundamentales. Que nos garantice el sistema más adecuado. En particular, deben tenerse en cuenta tanto las temperaturas de funcionamiento requeridas como las relacionadas con las condiciones ambientales del lugar de instalación.

Condensadores evaporativos MCC

Por ejemplo, si se desea una temperatura del fluido enfriado inferior a la temperatura ambiente, será preferible un sistema de evaporación. En este caso el límite mínimo teórico del fluido enfriado es, como se ha visto, la temperatura de bulbo húmedo del aire.

Los sistemas de evaporación en seco, por otro lado, se basan en el intercambio sensible. Este es mucho menos eficiente que el intercambio de evaporación latente. El límite en este caso está fijado por la temperatura del fluido de refrigeración, es decir, el aire ambiente. Si es suficiente para enfriar el fluido a una temperatura superior a la temperatura ambiente, se debe utilizar un chiller.

Una tercera opción es diseñar un sistema adiabático en caso de querer una temperatura del fluido igual o ligeramente inferior a la temperatura ambiente.

Todo esto nos ayuda a aclarar que no existe un sistema de refrigeración «bueno para todas las estaciones”. Hacer una elección apropiada, se basa  en los requisitos de diseño y las condiciones ambientales. Esto significa optimizar el consumo de energía, reducir el espacio con los sistemas en condiciones de funcionar al máximo.

Un capítulo aparte representa las unidades de refrigeración. En este caso, sin embargo, se trata de máquinas que utilizan componentes mecánicos específicos para obtener refrigeración (compresores, evaporadores), y no elementos «naturales» como el aire o el agua.

Torres de refrigeración: tamaño y componentes

Hemos descubierto qué son las torres de refrigeración. Cuál es el principio físico (simple) 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.

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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 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 circuito cerrado). Constituyen el «corazón» de la torre de refrigeración. De hecho, son los componentes a través de los cuales se realiza el intercambio de calor entre el agua y el aire.
  • Ventilador axial o centrífugo: es el único dispositivo mecánico en movimiento y es el que «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. Veremos según qué criterios.
  • Sistema de distribución de agua, normalmente fabricado con una serie de tubos y boquillas. Permite distribuir el agua a enfriar en el relleno (en torres abiertas) o sobre el serpentín de intercambio (en 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

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.

torres de refrigeración 4

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 cuidadosamente el tipo de pack de intercambio de calor más adecuado entre los disponibles en estos casos. Desde los antiincrustantes, a los canales verticales no cruzados, hasta los clásicos packs «splash» basados en el principio de arrastre de gotas.

Purgas y aporte

Como se ha dicho anteriormente, las torres de 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.

PANEL DESMONTABLE TORRE DE REFRIGERACION Torraval

La purga

La purga se puede gestionar de manera «empírica» tendiendo a ser algo superior a la evaporación. O 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. También 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 su planta. Estas soluciones incluyen, además de la torre de refrigeración los equipos dedicados al control y la gestión del agua. Mejor aún si lo propone directamente el fabricante. De esta manera pueden ser adecuados en cuanto a la sustancia 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.

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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: 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 campo 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 a su vez se humedece externamente con agua, la cual al 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 de los dos sistemas es 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, en combinación con el condensador de las unidades de refrigeración refrigeradas por agua, hoy más que nunca en las unidades de absorción.

Ejemplos de áreas de aplicación

En conclusión, y a modo de ejemplo, he aquí una lista de ámbitos de aplicación industrial o civil en los que las torres de refrigeración pueden cumplir 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

Los diferentes tipos y variantes de construcción de las torres de refrigeración: durante la fase de diseño, la elección se hace según la aplicación a la que se destinan, o 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, luego preensambladas en la fábrica, y las torres de refrigeración montadas en el campo o FEP (para ser ensambladas directamente en el sitio).

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Los primeros pueden fabricarse tanto en metal como en otros materiales menos «sensibles» a la presencia de agua y su posible efecto de corrosión: por ejemplo, la fibra de vidrio. Estas últimas están generalmente hechas con una estructura metálica o con perfiles pultruidos de fibra de vidrio, o incluso de hormigón: las 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: si es civil (hospitales, centros comerciales, sistemas de aire acondicionado) se debe preferir una solución de bajo impacto acústico. Entonces escogerá una máquina que esté diseñada constructivamente para tener bajas emisiones de ruido o en cualquier caso 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: por lo tanto, se puede proponer una solución menos específica.

¿Ventiladores centrífugos o axiales?

Para responder a esa pregunta, demos un paso atrás en el tiempo.

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En los últimos años, hubo una tendencia a dirigir la elección en el sector civil hacia torres de evaporación con ventiladores centrífugos. En cambio, se prefirieron las versiones con ventiladores axiales para procesos industriales.

Hoy en día hay torres de refrigeración con ventiladores axiales igualmente eficientes y silenciosos: hasta el punto de que esta diferencia ya no es tan clara.

Para cada instalación, su solución: la recopilación de información

Por último, también es necesario conocer los límites dimensionales u otras situaciones preestablecidas que pueden dirigir una elección en lugar de otra.

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. En cambio, es más raro encontrar tal límite, o puede ser identificado por una zona dentro de la cual se pretende el sistema de enfriamiento.

Todos estos aspectos deben ser tratados durante la fase de recopilación de datos entre el cliente y el proveedor, y 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

Como todos los dispositivos incluidos en un sistema tecnológico, las torres de evaporación, del tipo que sean, requieren un programa de mantenimiento rutinario y, en caso de fallo, extraordinario.

Debido a su extrema sencillez de construcción, las torres de refrigeración no requieren por lo general una atención especial, si no 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.

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El agua bien tratada, que 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, por supuesto, de una gestión correcta: los intercambiadores de calor tienen una mayor vida útil, al igual que los motores y los ventiladores funcionan en mejores condiciones debido a que el agua menos corrosiva puede 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 en relación con los controles y el mantenimiento periódicos, así como los parámetros químico-físicos que deben respetarse 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 .

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