Un gran clásico, torres de enfriamiento

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Desde tiempos antiguos, el sistema de enfriamiento de agua ha sido utilizado por el hombre, y el paso de los años ha traído consigo inversión en nuevas tecnologías: Las torres de enfriamiento son una de ellas. En lugares donde la carga térmica por abatir es constante, éstas son la mejor alternativa

Eleazar Rivera Mata / Fotografía: Cero Grados Celsius

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento (como los intercambiadores de calor, en los que el descenso de temperatura ocurre a través de una pared). En este caso, el agua se introduce por el domo de la torre a través de vertederos, o por boquillas, para distribuir el agua en la mayor superficie posible.

El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la del agua. En estas condiciones, el líquido se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de enfriamiento.

Para crear flujo hacia arriba, algunas torres 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 las torres. Además, en el interior de éstas se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

El enfriamiento de agua en un equipo como éste tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado gaseoso y sólo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo claro lo vemos en la evaporación del agua de los mares.

Componentes de una torre de enfriamiento
En general, los componentes de las distintas clases de torres de enfriamiento se pueden dividir en dos tipos: material estructural y equipo mecánico, y cada tipo de torre tendrá alguno de ellos.

Material estructural

  • Relleno: distribuido dentro de la torre, suministra el área superficial para la transferencia de masa y calor
  • Eliminadores de desviación
  • Base recolectora del agua fría
  • El agua fría es recogida por la base del fondo
  • Desviadores del flujo de aire
  • Cubierta de redistribución

Equipo mecánico

  • Ventiladores
  • Motores

Clasificación de torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar la mayor superficie de contacto entre al aire y el agua.

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Torre de rociado vertical

Torres de circulación natural:

  • Atmosféricas
  • Tiro natural

Las torres de tiro natural, tipo chimenea, están fundadas en el hecho de que el aire se calienta por el agua y de esta forma se produce una corriente de convección ascensional. Los lados de una torre de este tipo van completamente cerrados, desde el fondo hasta la parte superior, llevando dispuestas entradas de aire cerca del fondo. El material de tipo rejilla, que distribuye el agua, está confinado en una parte relativamente poco alta de la sección inferior de la torre, y la mayor parte de la estructura es necesaria para producir el tiro.

En las torres de este tipo, la resistencia al flujo de aire debe reducirse al mínimo y, por tanto, no es posible llenarlas de tablas planas como en las torres de circulación atmosférica. La desventaja de las torres de tiro natural es la altura que es necesario darles para producir el tiro natural y el hecho de que el agua debe tener una temperatura superior a la del termómetro de bulbo seco del aire para que éste pueda calentarse y producir la corriente de convección ascensional. La sección rellena no puede ser tan alta como en la torre de circulación atmosférica, porque las pérdidas excesivas por fricción necesitarían una mayor altura de torre para producir el tiro.

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Torre hiperbólica

Torres de tiro mecánico:

  • Tiro inducido
  • Tiro forzado

En éstas se utilizan ventiladores para producir la circulación del aire. Si el ventilador está situado en la parte superior de la torre se denomina de “tiro inducido” y si está en el fondo, “de tiro forzado”. El primero es el que más se prefiere porque evita el retorno del aire saturado al interior de la torre, lo que no sucede con las de tiro forzado.

Torres de flujo:

  • Cruzado
  • Contraflujo
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Torre de tiro forzado en contraflujo

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Torre de tiro inducido en flujo cruzado con doble entrada de aire

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Torre de tiro inducido en flujo cruzado con entrada de aire sencilla

Torre de tiro inducido en contraflujo

Torre de tiro inducido en contraflujo

Las torres de flujo cruzado reemplazaron a las de contraflujo en muchas aplicaciones, debido a ques permiten la entrada de aire en forma horizontal, el cual choca contra el relleno, disminuyendo notablemente la caída de presión del lado del aire, lo que permite que en un mismo volumen empacado se introduzca mucho más aire y que, en consecuencia, se obtenga mayor potencia para mover los ventiladores; visto en otra forma, que en el flujo cruzado se puedan diseñar celdas más grandes con baja potencia en los ventiladores.

3-torreTorre por contacto con el aire:

  • Abiertas
  • Cerradas

Las torres abiertas funcionan por el principio de enfriamiento evaporativo por contacto directo del aire con el agua a enfriar, mientras que las cerradas funcionan por transmisión de calor a través de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente, generalmente se trata de un serpentín. Éstas se subdividen según el fluido a enfriar:

Enfriador de fluidos. El fluido que pasa dentro del serpentín es un líquido o una solución acuosa
Condensador evaporativo. El fluido dentro del serpentín es un refrigerante que pasa de gas a líquido dentro del equipo

2-torreTipo de pulverización del agua
El sistema se aloja dentro de una estructura en forma de caja, la cual también aloja los ramales de distribución, boquillas de pulverización y persianas o louvers. Las rejillas (generalmente de acero) se colocan en los lados para mejorar la circulación del aire en el interior de la torre. Para evitar el arrastre de gotas de agua a la atmósfera, los louvers están inclinados hacia dentro. Por lo general, este tipo de torres están situadas fuera del edificio, de modo que el aire puede pasar libremente a través de la torre.

Función del empaque
Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se dispondrá de una gran superficie para el contacto 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.

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.

Influencias externas sobre el funcionamiento de las torres
Temperatura del bulbo húmedo: 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 transferido fuera de la superficie
Aproximación al bulbo húmedo: Es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la temperatura del bulbo húmedo
Recirculación: La recirculación en las torres de enfriamiento se define como una adulteración de la atmósfera de entrada a la torre por la atmósfera de salida. El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a la torre de enfriamiento (por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente), y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre
Restricción del flujo de aire: A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de bulbo húmedo particular, la temperatura del agua fría producida por una torre de enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará. Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se preocupan por diseñar correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que éstos son los que mueven el aire contra la presión estática encontrada dentro de la torre
Viento: Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar el potencial de la torre de enfriamiento a la recirculación. No solamente la curvatura creada por el aire de salida en la dirección del flujo del viento, también se crea una zona de baja presión en la cual puede formarse una porción de niebla, si la admisión de aire a la torre esta en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla.

El grado al cual puede afectar la dirección del viento aumenta dependiendo de la relación de la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la velocidad del viento (Va). Por último, El diagnóstico energético de las torres de enfriamiento está basado en el Código CTI ATC-105 (Coling Technology Institute, Acceptance Test Code), 1982, y el estándar ASHRAE 12-2000 que ayuda en materia de auditoría para la prevención de riesgos infecciosos, en específico para enfermedades como la legionella.

Sistema de distribución del agua en una torre de enfriamiento

  1. Las torres a contracorriente dispersan el flujo a través de un sistema de distribución de spray a baja presión, desde un sistema de tuberías distribuido a lo largo de toda la torre
  2. Los diseños de flujo cruzado tienen un sistema de distribución del agua caliente por gravedad a través del empaque. Sin embargo, en éstas se necesita romper la corriente de agua que baja.

Condiciones de diseño
Hay condiciones de diseño para todo tipo de aplicaciones, las cuales dictaminarán qué tipo de torre se adapta mejor a las necesidades del usuario; entre las más importantes están el flujo (GPM), temperatura de entrada del efluente y temperatura de salida o esperada, así como el bulbo húmedo de la región. Están variables son prioridad para realizar la ingeniería básica en los proyectos de rechazo de calor donde se ven involucradas torres de enfriamiento
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Eleazar Rivera Mata es químico Industrial egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente cursa la maestría en Finanzas en la Escuela de Graduados en Administración e Ingeniería Industrial de la misma facultad. Cuenta con orientación en Química de los Materiales y tiene siete años de experiencia en el área de Investigación y Desarrollo en Electroquímica y Química del Agua, así como en desarrollo de proyectos HVAC. Además, es Presidente electo 2016-2017 de ASHRAE Capítulo Monterrey.