Torres de Enfriamiento

El agua de enfriamiento es unos de los medios útiles para la transmisión de grandes cantidades de calor generado en los procesos industriales, siendo uno de los servicios auxiliares más difundidos en la industria.

Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire).

Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor durante su trayectoria o caída para aumentar el área de contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo la rompen, facilitando el proceso de evaporación.

Con el empleo de nuevas tecnologías incorporadas a estos sistemas, los obstáculos en lugar de romper la gota hacen posible que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso.

Características
Como ya se mencionó, las torres de enfriamiento son equipos que se emplean para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de la pared.

Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la producción de agua de proceso que sólo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.

Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60˚C.

El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚ C.

Es recomendable realizar un tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, fungicidas, bactericidas y floculantes; además de realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro, ya que éstos son causantes de las incrustaciones y la corrosión.

Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior, conteniendo el calor. Por eso, muchas veces las torres de enfriamiento muestran blancas fumarolas en su parte superior.

Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son ­similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción.

Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia, la contaminación del agua de las torres, por los contaminantes del aire y microorganismos, es insignificante.

Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera.

Para evitar la corrosión en las torres de enfriamiento es recomendable:
• Instalación de testigos de corrosión
• Monitoreo de la velocidad de corrosión MPY
• Protección de equipos y tuberías

Para evitar la incrustación se recomienda seguir los siguientes puntos:
• Protección de equipos y tuberías
• Optimización de procesos
• Mantener eficiencia de trasferencia de calor
• Evitar costosos mantenimientos correctivos

Evitando el ensuciamiento, se tendrá:
• Control de la proliferación microbiológica
• Eliminación de algas, hongos y levaduras
• Disminución de paros no programados por mantenimiento

Clasificación de torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua.

Torres de tiro mecánico
•  Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico situado en la parte superior de la torre.
•  Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior.

Torres de circulación natural
•  Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas de aire, este penetra a través de rompevientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones del año y las condiciones atmosféricas.
•  Tiro natural: Operan de la misma manera que una chimenea de un horno. La diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior originan un flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos denso en la parte superior.

En el tipo de tiro forzado el aire entra a través de una abertura circular mediante un abanico, y debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.

En las torres de tiro inducido, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muy pequeña.

En la torre atmosférica, las corrientes penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual (ver figura 1).

Las torres de tiro natural deben ser altas para promover el efecto de las densidades, deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico.

Figura 1. Tipos de torres de enfriamiento
TIRO INDUCIDO	TIRO FORZADO
ATMOSFÉRICA	TIRO NATURAL
Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural

Tipo de flujo de aire

Puede ser de dos tipos: flujo cruzado (sencillo, doble) o contraflujo. Las torre de flujo cruzado reemplazaron a las de contraflujo a fines de los años 50’s y principio de los 70’s. Su gran innovación consistió en que al entrar en el aire en forma horizontal, choca contra el canto del relleno disminuyendo notablemente la caída de presión del lado del aire, permitiendo que en un mismo volumen empacado se pueda introducir mucho más aire sin presentarse mayor caída de presión y consecuentemente mayor potencia para mover los ventiladores; o, visto en otra forma, que en flujo cruzado se puedan diseñar celdas más grandes con baja potencia en los ventiladores.

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Componentes de las torres de enfriamiento
Sistema de distribuciónSon todas las partes de la torre de enfriamiento, comenzando con la conexión de entrada, que reparte el agua caliente a la torre en las zonas donde el agua está en contacto con el aire.Boquillas Dispositivo para controlar la distribución del agua en la parte superior de una torre de enfriamiento. Las boquillas están diseñadas para suministrar agua en forma de rocío (spray), a presión (torre tipo contraflujo), o de chorro si es por gravedad (torre tipo flujo cruzado). Cabezal Tubo principal que conduce el agua a cada celda o a la tubería del sistema de distribución en cada celda.	Válvula de control de flujoVálvula controlada manualmente, que por lo general se localiza en la línea de alimentación de agua caliente.Relleno Parte del sistema interno de la torre que puede consistir en barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones, con objeto de afectar la superficie de transferencia entre el agua de circulación y el aire que fluye hacia la torre de enfriamiento. Eliminadores de Rocío Es un ensamble fabricado de madera, metal o PVC, el cual sirve para retener las gotas de agua arrastradas por el aire. Se localizan en la zona de descarga del aire.	Depósito de agua fríaElemento estructural localizado en la parte inferior de la torre de enfriamiento para recibir el agua fría de la torre y dirigirla a una línea de succión o al cárcamo. Los materiales de construcción son: madera tratada, metal, fibra de vidrio o concreto.Persianas (Louvers) Ensambles instalados en las entradas de aire de la torre de enfriamiento para eliminar el salpiqueo de agua.

Función de las partes
Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se dispondrá de una gran superficie para el contacto de agua-aire. Puesto que la interfase agua-aire es también la superficie de transferencia de calor, el uso de la boquilla permite alcanzar buenos niveles de eficiencia por pie cúbico de aparato de contacto.

Empaque triangular	Empaque rectangular

La función del empaque es aumentar la superficie disponible en la torre, ya sea distribuyendo el líquido sobre una gran superficie o retardando la caída de las gotas a través del aparato.

En la torre de enfriamiento, debido a requerimientos de grandes volúmenes de aire y pequeñas caídas de presión permitidas, es costumbre usar largueros de madera de sección rectangular o triangular, que dejan la torre sustancialmente sin obstruir. El empaque, es casi exclusivamente fabricado en cualquiera de las dos formas y su propósito es interrumpir el descenso del líquido.

Variables importantes
Es importante conocer las variables que se usan para empezar a especificar una torre de enfriamiento correctamente; y aunque esto parece elemental, en algunas ocasiones dichas variables no se conocen bien.

• Flujo (F). Es la cantidad de agua que va a circular por la torre. Las unidades comunes en que se expresa son m3/h, LPM o GMP en el sistema inglés. Esta variable es fijada por el cliente o asesor dependiendo del proceso.
• Temperatura del agua caliente (TAC). Es la temperatura del agua en circulación al entrar a la torre de enfriamiento; está dada por las condiciones del proceso y también debe ser fijada por el cliente o el asesor, dependiendo del proceso. Se da en OC o en OF.
• Temperatura de agua fría (TAF). Es la temperatura del agua en circulación al salir de la torre y, al igual que la anterior, está determinada por el proceso en cuestión. Se da en OC o en OF.
• Temperatura del bulbo húmedo (TBH). Es la temperatura de equilibrio dinámico que se alcanza en la superficie del agua cuando el flujo del calor transferido a la superficie por convección se iguala con el flujo de masa transferida fuera de la superficie. Se da en OC o OF.
• Prácticamente es la temperatura que se alcanza en un termómetro rodeado de una mecha humedecida en forma constante y es la temperatura teórica que se puede alcanzar el agua fría con una torre infinita.
• Rango de enfriamiento (R). Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente y del agua fría.
• Aproximación al bulbo húmedo (AP). Es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la temperatura del bulbo húmedo.

Capacidad de enfriamiento
El diagnóstico energético de las torres de enfriamiento está basado en el Código CTI ATC-105 (Coling Technology Institute, Acceptance Test Code), 1982. En este se dan las instrucciones para determinar la capacidad de enfriamiento de la torre, mediante dos métodos:

El Método de Curvas de Comportamiento (Método de Curvas). Determina la capacidad de enfriamiento de la torre a las condiciones de diseño. Este método requiere de dos curvas de comportamiento de la torre a diferentes capacidades. Adicionalmente se requiere del flujo de agua que entra a la torre, las temperaturas de agua caliente, agua fría y bulbo húmedo, voltaje y amperaje del motor del ventilador.

El Método de Curvas Características (Método que se resuelve utilizando el criterio de Merkel). Determina la capacidad de enfriamiento de la torre. El Método requiere de una curva característica de la torre, así como de valores de diseño: relación líquido-gas (L/G), relación característica de la torre (Ka V/L) o de la aproximación de diseño. Con estos valores se determinan los valores actuales de relación de flujo (L/G) y la relación característica de la torre (Ka V/L). Con estos valores de diseño y prueba se determina la capacidad de enfriamiento actual de la torre.

Cabe mencionar que el Diagnóstico Energético se complementa con una inspección física o formato de inspección visual, de los elementos que integran a la torre de enfriamiento.

Estos equipos se emplean para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio más económico

Condiciones de proceso

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 la condensación.

Es importante que la gota tenga un tamaño menor para aumentar el contacto con el aire

Recomendaciones operacionales
Las recomendaciones operacionales comunes en el funcionamiento de las torres de enfriamiento se presentan a continuación:

A) Distribución del agua a través de la torre
Indicación del problema:
• Se presentan cascadas o canalizaciones de agua en ciertas zonas.
• Efectos en la operación:
• Incremento del consumo de energía eléctrica y de agua
• Reducción en la capacidad de enfriamiento
• Daño físico al empaque y mallas de soporte

Problema:
Distribución inadecuada en el depósito de agua caliente, debido a: boquillas tapadas; boquillas con la roseta rota o falta de restrictores de flujo. Caja de desborde en mal estado.

Solución:
1. Limpiar el depósito de agua caliente.
2. Limpiar boquillas, mediante su remoción y colocándolo en forma inversa. No utilizar varillas metálicas.
3. Instalar boquillas y restrictores de flujo de acuerdo al diseño.
4. Para las torres de flujo cruzado, rehabilitar las cajas de desborde de acuerdo al diseño.
5. Mantener un nivel (tirante) de agua en el depósito de agua caliente mínimo de 10 centímetros (4 pulgadas), mediante las válvulas de control de flujo.

B) Relleno
Indicación del problema:
• Falta de relleno en secciones de la torre
• Relleno caído y desalineado
• Suciedad en el relleno
• Efecto en la operación:
• Incremento del consumo de energía eléctrica y de agua
• Reducción en la capacidad de enfriamiento

Problema:
Reducción del área de contacto agua-aire para llevar a cabo el enfriamiento.

Solución:
1. Instalar el relleno faltante de acuerdo al diseño.
2. Solicitar pruebas y garantías de los materiales de construcción tanto del relleno como de las mallas.
3. Después de realizar el mantenimiento en los motores, reductores y ventiladores, asegurarse de limpiar el aceite que se derrame.

C) Eliminadores de Rocío
Indicación del problema:
• Lluvia constante alrededor de la torre.

Efectos en la operación:
1. Reducción en la capacidad de enfriamiento.
2. Pérdidas de agua por arrastre.

Problema:
Los eliminadores se encuentran operando inadecuadamente, debido a: secciones rotas, dobladas o faltantes; no cuentan con sellos de aire; inadecuada instalación de los eliminadores.

Solución:
1. Instalar las secciones faltantes y dañadas de acuerdo al diseño.
2. Instalar adecuadamente los sellos de aire entre las secciones de uniones tanto de los eliminadores como de la pared de la torre, de acuerdo al diseño.
3. Solicitar pruebas y garantías de los materiales de construcción del eliminador y sus accesorios utilizados en la sujeción (tornillos, láminas, etc.)

D) Estructura de madera
Identificación del problema:
• Secciones de la estructura desgastada.
• Zonas de la estructura con coloraciones negras.
• Desprendimiento de secciones de la estructura.
• Tornillería de uniones corroídas y oxidadas.

Efectos en la operación:
1. Movimiento total de la torre
2. Desplome de la torre y paro de las plantas de proceso a las que suministra agua de enfriamiento.

Problema:
Estructura de madera dañada. Desbalanceo del equipo mecánico (ventiladores, flechas de transmisión y motores)

Solución:
1. Revisión periódica de la estructura.
2. Revisar el estado de los conectores estructurales y la tornillería.
3. Instalar secciones de la estructura faltante de acuerdo a las especificaciones y dimensiones de diseño.
4. Solicitar madera de repuesto con el tratamiento a presión a base de sales siguiendo los lineamientos del CTI y de la AWPA*.
5. La misma revisión se deberá realizar en otros componentes de madera.
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Fuentes:
• “Práctica de Torre de Enfriamiento” del Instituto Tecnológico de Toluca, Ingeniería Química, Laboratorio Integral (Iii-B).
• “Metodología de Torres de Enfriamiento de Agua” de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE).
• www.quiminews.com