GUIA DE FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE TORRES DE REFRIGERACION

Torre de refrigeración TORRAVAL PME

TORRES DE REFRIGERACIÓN: MANTENIMIENTO Y FUNCIONAMIENTO

Todas las plantas industriales, las instalaciones de clima, 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.
Una torre de refrigeración es, hoy en día, la tecnología de enfriamiento más eficiente del mercado para disipar grandes cantidades de calor. Por este motivo, las torres de refrigeración son los equipos de enfriamiento más utilizados en la industria. En este artículo nos ocuparemos de las torres de refrigeración evaporativas.
Te damos respuesta:

¿QUÉ SON LAS TORRES DE REFRIGERACIÓN, PARA QUÉ SIRVEN Y CÓMO FUNCIONAN?

Las torres de refrigeración o torres de enfriamiento son dispositivos que aprovechan de manera óptima un principio natural tan simple como eficaz. Hablamos de la evaporación forzada de un pequeño porcentaje del volumen de agua. Este agua, al realizar el cambio de estado a vapor, extrae energía del caudal de agua no evaporado (calor latente de evaporación). El proceso mediante el cual se produce la refrigeración por evaporación es tan simple como antiguo.  Las antiguas ánforas de terracota, material poroso, permitían que el agua exudara hacia el exterior en cantidades mínimas. De esta manera, se llevaba a cabo un proceso de evaporación y el agua del interior se mantenía fresca incluso a altas temperaturas ambientales.
Las torres de refrigeración pueden optimizar 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, las torres de enfriamiento, necesitan un mantenimiento mínimo. Para comprender mejor cómo se produce la disipación de calor, es necesario conocer 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 modificar 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 particular, en los sistemas de refrigeración por evaporación se define el calor latente de la evaporación.
Una torre de refrigeración debe ofrecer al agua la mayor superficie de contacto con el aire posible, de modo que el intercambio de calor sea óptimo. Esto se logra mediante una superficie de intercambio de calor, diseñado especialmente para este fin – el rellenoEsta superficie se debe seleccionar en función de la calidad del agua a refrigerar, de los posibles líquidos en suspensión, de su eficacia y de la facilidad para un posterior mantenimiento. 

La temperatura de bulbo húmedo se define como la temperatura que mediríamos si el aire estuviese con una humedad relativa del 100%. Si el bulbo de un termómetro lo humedecemos con agua, la evaporación de esta agua hace que la temperatura del termómetro baje.

Cuanto menor sea la humedad relativa más baja será la temperatura de bulbo húmedo respecto a la temperatura ambiente. La temperatura de bulbo húmedo proporciona una referencia precisa de la temperatura de salida teóricamente alcanzable por la torre de refrigeración.

Aprovechando este concepto, las torres de refrigeración pueden enfriar líquidos muy por debajo de la temperatura ambiente.

Dada su simplicidad constructiva, combinada con la gran eficiencia en términos de relación coste por 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.

Esto se debe a que no existe ninguna pieza móvil en particular, excepto un ventilador que puede instalarse tanto en aspiración como en impulsión. Por otra parte, el consumo de electricidad es realmente reducido en comparación con otros sistemas de enfriamiento.

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. Al mismo tiempo las temperaturas alcanzables, en términos de agua refrigerada, se sitúan muy por debajo de la temperatura ambiente.  Por lo contrario, los sistemas no evaporativos están muy sujetos a este límite de temperatura debido a que los sistemas evaporativos funcionan utilizando el intercambio de evaporación latente.

Cuando se necesita seleccionar un sistema de refrigeración industrial o civil, la elección debe hacerse teniendo en cuenta algunos puntos fundamentales que garanticen 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
Los sistemas de evaporación en seco, o dry coolers, se basan en el intercambio sensible. El límite en este caso está fijado por la temperatura del fluido de refrigeración, es decir, el aire ambiente. Este tipo de enfriamiento puede alcanzar unas temperaturas mínimas de unos 5 ºC por encima de la temperatura ambiente. Los sistemas adiabáticos combinan la refrigeración por aire con una pequeña evaporación de agua que les permite alcanzar temperaturas de enfriamiento similares a la temperatura ambiente. Si necesitamos enfriar grandes cantidades de agua o reducir la temperatura significativamente, la mejor opción es utilizar una torre de refrigeración. Con esta, podemos lograr un enfriamiento de aproximadamente 3 ºC por encima de la temperatura de bulbo húmedo. Comparado con opciones como el dry cooler o el sistema adiabático, la torre de refrigeración permite alcanzar temperaturas mucho más bajas. En situaciones que requieran temperaturas extremadamente bajas, la alternativa sería un chiller o enfriadora. Aunque estos dispositivos tienen un alto consumo eléctrico, son la única opción viable para ciertos casos. No hay un sistema de refrigeración «bueno para todas las estaciones». La elección adecuada depende de los requisitos de diseño y las condiciones ambientales. Se busca optimizar el consumo de energía y maximizar la eficiencia en el uso del espacio.

Sabemos lo qué son las torres de refrigeración y el principio físico que emplean para mantener un rendimiento óptimo. A continuación, examinaremos su proceso de construcción y, más importante aún, los criterios según los cuales 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 se quiere 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.

Torres de refrigeración de circuito cerrado

Componentes de la torre de refrigeración y materiales utilizados

Principales componentes de una torre de refrigeración:

  • Estructura principal de contención y soporte de la torre de refrigeración.
  • Relleno o paquete de intercambio de calor (en torres de circuito abierto) o serpentín de intercambio de calor.
  • Ventilador axial o centrífugo: es el único dispositivo mecánico en movimiento. Este, «fuerza» la evaporación del agua necesaria para realizar el enfriamiento.
  • Sistema de distribución de agua normalmente fabricado con una serie de tubos y boquillas. 
  • 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.

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 a disipar
  • mecanismo de transferencia de calor
  • la naturaleza del agua a enfriar
  • tipo de proceso
  • tipo tiro de aire
  • 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.
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).
Torres de refrigeración para plantas de valorización

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).

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.
Este tipo de torres de enfriamiento se encentran, en particular,  en combinación con el condensador de las unidades de refrigeración enfriadas por agua – también conocidas como chillers – y hoy más que nunca en las unidades de absorción para aplicaciones civiles.

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:

Esta última área representa ciertamente una de las aplicaciones más importantes de las torres de refrigeración.

torres de refrigeración de circuito abierto

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. 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.

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
  • Produccion de neumáticos
  • Produccion de papel y biomasa 
  • 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

La selección de la solución constructiva más adecuada se ve influenciada por diversos factores, entre ellos, la ubicación del proyecto. En entornos civiles, como hospitales, centros comerciales o sistemas de aire acondicionado, se da prioridad a opciones con bajo impacto acústico. En estos casos, es preferible optar por equipos de refrigeración diseñados con emisiones de ruido reducidas o que puedan silenciarse fácilmente.

En contraste, en zonas industriales, aunque los límites de ruido se plantean como una consideración de diseño, suelen ser menos restrictivos. La elección entre ventiladores centrífugos o axiales es una decisión clave en este contexto.

Al retroceder en el tiempo, observamos una tendencia reciente en el sector civil hacia la preferencia de torres de refrigeración con ventiladores centrífugos. Sin embargo, en procesos industriales, se solían favorecer las versiones con ventiladores axiales.

Hoy en día, se cuenta con torres de refrigeración que incorporan ventiladores axiales igualmente eficientes y silenciosos, ofreciendo así flexibilidad en la elección de la mejor opción para cada aplicación específica.

torres de refrigeración sin ruidos

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.

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.

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.

Sistema de distribución por tubos en torres de refrigeración
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.

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.

Rellenos para torres de refrigeración TORRAVAL

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 disponibles, encontramos los antiincrustantes, canales verticales no cruzados y los clásicos packs «splash» basados en el principio de arrastre de gotas entre otros.

Como hemos mencionado, las torres de refrigeración 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.

El agua evaporada para obtener el enfriamiento debe reincorporarse al circuito. 

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 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.

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 .


     

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