Torre de enfriamiento

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Una torre de enfriamiento es un dispositivo que rechaza el calor residual a la atmósfera mediante el enfriamiento de una corriente de refrigerante, generalmente una corriente de agua, a una temperatura más baja. Las torres de enfriamiento pueden utilizar la evaporación de agua para eliminar el calor y enfriar el fluido de trabajo hasta una temperatura cercana a la temperatura del aire de bulbo húmedo o, en el caso de torres de enfriamiento secas, depender únicamente del aire para enfriar el fluido de trabajo. líquido hasta una temperatura cercana a la temperatura del aire de bulbo seco utilizando radiadores.

Las aplicaciones comunes incluyen el enfriamiento del agua en circulación utilizada en refinerías de petróleo, plantas petroquímicas y otras plantas químicas, centrales térmicas, centrales nucleares y sistemas HVAC para enfriar edificios. La clasificación se basa en el tipo de inducción de aire en la torre: los principales tipos de torres de enfriamiento son las torres de enfriamiento de tiro natural y las de tiro inducido.

Las torres de enfriamiento varían en tamaño, desde pequeñas unidades en la azotea hasta estructuras hiperboloides muy grandes que pueden tener hasta 200 metros (660 pies) de altura y 100 metros (330 pies) de diámetro, o estructuras rectangulares que pueden tener más de 40 metros. (130 pies) de alto y 80 metros (260 pies) de largo. Las torres de enfriamiento hiperboloides a menudo se asocian con plantas de energía nuclear, aunque también se utilizan en algunas plantas alimentadas con carbón y, hasta cierto punto, en algunas grandes plantas químicas y otras plantas industriales. La turbina de vapor es lo que necesita la torre de enfriamiento. Aunque estas grandes torres son muy prominentes, la gran mayoría de las torres de enfriamiento son mucho más pequeñas, incluidas muchas unidades instaladas en edificios o cerca de ellos para descargar el calor del aire acondicionado. El público en general también suele pensar que las torres de refrigeración emiten humo o vapores nocivos, cuando en realidad las emisiones de esas torres en su mayoría no contribuyen a la huella de carbono y consisten únicamente en vapor de agua.

Historia

Las torres de enfriamiento se originaron en el siglo XIX mediante el desarrollo de condensadores para usar con la máquina de vapor. Los condensadores utilizan agua relativamente fría, a través de diversos medios, para condensar el vapor que sale de los cilindros o turbinas. Esto reduce la contrapresión, lo que a su vez reduce el consumo de vapor y, por tanto, el consumo de combustible, al mismo tiempo que aumenta la potencia y recicla el agua de la caldera. Sin embargo, los condensadores requieren un amplio suministro de agua de refrigeración, sin la cual no son prácticos. Si bien el uso de agua no es un problema para los motores marinos, constituye una limitación significativa para muchos sistemas terrestres.

A principios del siglo XX, se utilizaban varios métodos de evaporación para reciclar el agua de refrigeración en áreas que carecían de un suministro de agua establecido, así como en ubicaciones urbanas donde las tuberías municipales de agua pueden no ser suficientes; confiable en tiempos de demanda; o de otro modo adecuado para satisfacer las necesidades de refrigeración. En zonas con terreno disponible, los sistemas tomaron la forma de estanques de enfriamiento; en áreas con terreno limitado, como en las ciudades, tomaron la forma de torres de enfriamiento.

Estas primeras torres se ubicaban en los tejados de los edificios o como estructuras independientes, alimentadas con aire por ventiladores o dependiendo del flujo de aire natural. Un libro de texto de ingeniería estadounidense de 1911 describió un diseño como "una carcasa circular o rectangular de placa luminosa", en efecto, una chimenea muy acortada verticalmente (de 20 a 40 pies de altura) y muy agrandada lateralmente. En la parte superior se encuentra un conjunto de cubetas distribuidoras, a las cuales se debe bombear el agua del condensador; de estos se escurre hacia las "esteras" hecho de listones de madera o pantallas de alambre tejido, que llenan el espacio dentro de la torre."

Los ingenieros holandeses Frederik van Iterson y Gerard Kuypers patentaron una torre de enfriamiento hiperboloide en los Países Bajos el 16 de agosto de 1916. Las primeras torres de enfriamiento de hormigón armado hiperboloide fueron construidas por la mina estatal holandesa (DSM) Emma en 1918 en Heerlen.. Los primeros en el Reino Unido se construyeron en 1924 en la central eléctrica de Lister Drive en Liverpool, Inglaterra. En ambos lugares se construyeron para enfriar el agua utilizada en una central eléctrica alimentada por carbón.

Según el informe del Instituto de Tecnología del Gas (GTI), el ciclo Maisotsenko de enfriamiento por evaporación con punto de rocío indirecto (ciclo M) es un método teóricamente sólido para reducir un fluido a una temperatura de punto de rocío que es inferior a su temperatura de bulbo húmedo. El ciclo M utiliza la energía psicrométrica (o la energía potencial) disponible del calor latente del agua que se evapora en el aire. Si bien su manifestación actual es el M-Cycle HMX para aire acondicionado, a través del diseño de ingeniería este ciclo podría aplicarse como un dispositivo de recuperación de calor y humedad para dispositivos de combustión, torres de enfriamiento, condensadores y otros procesos que involucran corrientes de gas húmedo.

Se estima que el consumo de agua de refrigeración por parte de las centrales eléctricas y de procesamiento del interior reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las centrales térmicas entre 2040 y 2069.

En 2021, los investigadores presentaron un método para la recuperación de vapor. El vapor se carga mediante un haz de iones y luego se captura en una malla de alambre de carga opuesta. La pureza del agua superó los estándares de potabilidad de la EPA.

Clasificación por uso

Calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)

Una torre de enfriamiento HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) se utiliza para eliminar ("rechazar") el calor no deseado de un enfriador. Los enfriadores enfriados por líquido normalmente son más eficientes energéticamente que los enfriadores enfriados por aire debido al rechazo del calor al agua de la torre a temperaturas de bulbo húmedo o cercanas a ellas. Los enfriadores enfriados por aire deben rechazar el calor a la temperatura de bulbo seco más alta y, por lo tanto, tener una efectividad promedio más baja del ciclo de Carnot inverso. En áreas con clima cálido, los grandes edificios de oficinas, hospitales y escuelas suelen utilizar una o más torres de refrigeración como parte de sus sistemas de aire acondicionado. Generalmente, las torres de enfriamiento industriales son mucho más grandes que las torres HVAC. El uso de HVAC de una torre de enfriamiento combina la torre de enfriamiento con un enfriador enfriado por líquido o un condensador enfriado por líquido. Una tonelada de aire acondicionado se define como la eliminación de 12.000 unidades térmicas británicas por hora (3,5 kW). La tonelada equivalente del lado de la torre de refrigeración en realidad rechaza unas 15.000 unidades térmicas británicas por hora (4,4 kW) debido al calor residual adicional, equivalente a la energía necesaria para accionar el compresor del enfriador. Esta tonelada equivalente se define como el rechazo de calor al enfriar 3 galones estadounidenses por minuto (11 litros por minuto) o 1500 libras por hora (680 kg/h) de agua a 10 °F (5,6 °C).), lo que equivale a 15.000 unidades térmicas británicas por hora (4,4 kW), suponiendo un coeficiente de rendimiento (COP) de la enfriadora de 4,0. Este COP equivale a un ratio de eficiencia energética (EER) de 14.

Las torres de refrigeración también se utilizan en sistemas HVAC que tienen múltiples bombas de calor de fuente de agua que comparten un circuito de agua de tubería común. En este tipo de sistema, el agua que circula dentro del circuito de agua elimina el calor del condensador de las bombas de calor siempre que las bombas de calor están funcionando en modo de enfriamiento, luego la torre de enfriamiento montada externamente se usa para eliminar el calor del circuito de agua y rechazarlo. a la atmósfera. Por el contrario, cuando las bombas de calor funcionan en modo calefacción, los condensadores extraen calor del agua del circuito y lo rechazan al espacio a calentar. Cuando el circuito de agua se utiliza principalmente para suministrar calor al edificio, la torre de enfriamiento normalmente se apaga (y puede drenarse o prepararse para el invierno para evitar daños por congelamiento) y el calor se suministra por otros medios, generalmente desde calderas separadas.

Torres de refrigeración industriales

Las torres de enfriamiento industriales se pueden utilizar para eliminar el calor de diversas fuentes, como maquinaria o material de proceso calentado. El uso principal de las grandes torres de enfriamiento industriales es eliminar el calor absorbido en los sistemas de agua de enfriamiento en circulación utilizados en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural, plantas de procesamiento de alimentos, plantas de semiconductores y otras industrias. instalaciones como, por ejemplo, condensadores de columnas de destilación, para enfriar líquidos en cristalización, etc. La velocidad de circulación del agua de refrigeración en una central eléctrica de carbón típica de 700 MW_th con torre de refrigeración asciende a unos 71.600 litros cúbicos. metros por hora (315.000 galones estadounidenses por minuto) y el agua en circulación requiere una tasa de reposición de agua de suministro de quizás el 5 por ciento (es decir, 3.600 metros cúbicos por hora, equivalente a un metro cúbico por segundo).

Si esa misma planta no tuviera torre de enfriamiento y usara agua de enfriamiento de un solo paso, requeriría alrededor de 100.000 metros cúbicos por hora. Una gran ingesta de agua de enfriamiento normalmente mata a millones de peces y larvas anualmente, ya que los organismos se ven afectados por las pantallas de admisión. Una gran cantidad de agua tendría que devolverse continuamente al océano, lago o río del que se obtuvo y reabastecerse continuamente a la planta. Además, descargar grandes cantidades de agua caliente puede elevar la temperatura del río o lago receptor a un nivel inaceptable para el ecosistema local. Las temperaturas elevadas del agua pueden matar peces y otros organismos acuáticos (ver contaminación térmica), o también pueden provocar un aumento de organismos indeseables, como especies invasoras de mejillones cebra o algas.

En cambio, una torre de refrigeración sirve para disipar el calor a la atmósfera, de modo que el viento y la difusión del aire distribuyen el calor en un área mucho mayor que la que el agua caliente puede distribuir calor en una masa de agua. El agua de enfriamiento evaporativo no se puede usar para fines posteriores (que no sean lluvia en algún lugar), mientras que el agua de enfriamiento solo de superficie se puede reutilizar. Algunas centrales nucleares y de carbón ubicadas en zonas costeras utilizan agua del océano de paso único. Pero incluso allí, la salida de agua de descarga en alta mar requiere un diseño muy cuidadoso para evitar problemas ambientales.

Las refinerías de petróleo también pueden tener sistemas de torres de enfriamiento muy grandes. Una gran refinería típica que procesa 40.000 toneladas métricas de petróleo crudo por día (300.000 barriles (48.000 m³) por día) hace circular alrededor de 80.000 metros cúbicos de agua por hora a través de su sistema de torre de enfriamiento.

La torre de enfriamiento más alta del mundo es la torre de enfriamiento de 210 metros (690 pies) de altura de la central eléctrica Pingshan II en Huaibei, provincia de Anhui, China.

Clasificación por construcción

Tipo de paquete

Este tipo de torres de enfriamiento vienen premontadas de fábrica, y pueden transportarse fácilmente en camiones, ya que son máquinas compactas. La capacidad de las torres tipo paquete es limitada y, por esa razón, generalmente son preferidas por instalaciones con bajos requisitos de rechazo de calor, como plantas de procesamiento de alimentos, plantas textiles, algunas plantas de procesamiento de productos químicos o edificios como hospitales, hoteles, centros comerciales, fábricas de automóviles., etc.

Debido a su uso frecuente en o cerca de áreas residenciales, el control del nivel de sonido es un tema relativamente más importante para las torres de enfriamiento tipo paquete.

Tipo montado en el campo

Las instalaciones como plantas de energía, plantas de procesamiento de acero, refinerías de petróleo o plantas petroquímicas generalmente instalan torres de enfriamiento del tipo construidas en el campo debido a su mayor capacidad de rechazo de calor. Las torres construidas en campo suelen ser mucho más grandes en comparación con las torres de enfriamiento tipo paquete.

Una torre de enfriamiento típica construida en el campo tiene una estructura de plástico reforzado con fibra pultruida (FRP), un revestimiento de FRP, una unidad mecánica para la corriente de aire y un eliminador de deriva.

Métodos de transferencia de calor

Con respecto al mecanismo de transferencia de calor empleado, los principales tipos son:

torres de refrigeración húmedas o circuito abierto Torre de enfriamiento o torres de refrigeración evaporativas operan en el principio de refrigeración evaporativa. El refrigerante de trabajo (generalmente agua) es el fluido evaporado, y está expuesto a los elementos.
Torres de refrigeración de circuito cerrado (también llamado refrigeración de fluidos) pasar el refrigerante de trabajo a través de un intercambiador de calor grande, generalmente un radiador, sobre el cual se rocia el agua limpia y un borrador inducido por el ventilador aplicado. El rendimiento resultante de transferencia de calor está cerca de la de una torre de refrigeración húmeda, con la ventaja de proteger el fluido de trabajo de la exposición ambiental y la contaminación.
Torres de refrigeración diabática rociar el agua en el aire entrante o en una almohadilla de cartón para enfriar el aire antes de pasar sobre un intercambiador de calor refrigerado por aire. Las torres de refrigeración adiabáticas utilizan menos agua que otras torres de refrigeración pero no enfrian el fluido tan cerca de la temperatura de la bombilla húmeda. La mayoría de torres de refrigeración adiabáticas también son torres de refrigeración híbrida.
Torres secas de refrigeración (o refrigerantes secos) son torres de refrigeración de circuito cerrado que operan mediante transferencia de calor a través de un intercambiador de calor que separa el refrigerante de trabajo del aire ambiente, como en un radiador, utilizando transferencia de calor convectiva. No usan evaporación.
Torres de refrigeración híbridas o torres de refrigeración húmedas son torres de refrigeración de circuito cerrado que pueden cambiar entre operación húmeda o adiabática y seca. Esto ayuda a equilibrar el ahorro de agua y energía en una variedad de condiciones meteorológicas. Algunas torres de refrigeración híbrida pueden cambiar entre modos secos, húmedos y adiabáticos. Las eficiencias térmicas hasta el 92% se han observado en torres de refrigeración híbrida.

En una torre de enfriamiento húmeda (o torre de enfriamiento de circuito abierto), el agua tibia se puede enfriar a una temperatura inferior que la temperatura de bulbo seco del aire ambiente, si el aire está relativamente seco (consulte punto de rocío y psicrometría). A medida que el aire ambiente pasa por un flujo de agua, una pequeña porción del agua se evapora y la energía requerida para evaporar esa porción del agua se toma de la masa restante de agua, reduciendo así su temperatura. El agua evaporada absorbe aproximadamente 2300 kilojulios por kilogramo (970 BTU/lb) de energía térmica. La evaporación da como resultado condiciones de aire saturado, lo que reduce la temperatura del agua procesada por la torre a un valor cercano a la temperatura de bulbo húmedo, que es menor que la temperatura ambiente de bulbo seco, la diferencia determinada por la humedad inicial del aire ambiente.

Para lograr un mejor rendimiento (más refrigeración), se utiliza un medio llamado relleno para aumentar la superficie y el tiempo de contacto entre los flujos de aire y agua. El relleno contra salpicaduras consiste en material colocado para interrumpir el flujo de agua provocando salpicaduras. El relleno de película se compone de finas láminas de material (normalmente PVC) sobre las que fluye el agua. Ambos métodos crean una mayor superficie y tiempo de contacto entre el fluido (agua) y el gas (aire), para mejorar la transferencia de calor.

Métodos de generación de flujo de aire

Con respecto a la extracción de aire a través de la torre, existen tres tipos de torres de enfriamiento:

Proyecto natural - Utiliza buoyancy a través de una chimenea alta. Aire caliente, húmedo naturalmente se eleva debido al diferencial de densidad en comparación con el aire exterior seco y más fresco. El aire húmedo caliente es menos denso que el aire seco a la misma presión. Esta flotabilidad de aire húmedo produce una corriente ascendente de aire a través de la torre.
Vistas internas de una torre de refrigeración natural
Proyecto mecánico — Usa motores de ventilador impulsados por el poder para forzar o dibujar aire a través de la torre.
- Proyecto inducido — Una torre de borrador mecánico con un ventilador en la descarga (en la parte superior) que levanta aire por la torre. El fan induces aire caliente húmedo fuera de la descarga. Esto produce baja entrada y altas velocidades de salida del aire, reduciendo la posibilidad de recirculación en el que el aire descargado fluye de nuevo a la ingesta de aire. Este arreglo fan/fin es también conocido como caducidad.
- Proyecto forzado — Una torre de borrador mecánico con un ventilador tipo soplador en la ingesta. El fan Fuerzas aire en la torre, creando altas velocidades de entrada y baja salida del aire. La baja velocidad de salida es mucho más susceptible a la recirculación. Con el ventilador en la ingesta de aire, el ventilador es más susceptible a complicaciones debido a las condiciones de congelación. Otra desventaja es que un proyecto de diseño forzado normalmente requiere más potencia de caballo motor que un diseño de proyecto inducido equivalente. El beneficio del proyecto de diseño forzado es su capacidad de trabajar con alta presión estática. Tales configuraciones se pueden instalar en espacios más refinados e incluso en algunas situaciones interiores. Esta geometría fan/fin es también conocida como soplado.
Proyecto natural asistido por ventilador — Un tipo híbrido que parece un proyecto de configuración natural, aunque el flujo de aire es asistido por un ventilador.

Torre de enfriamiento hiperboloide

El 16 de agosto de 1916, Frederik van Iterson obtuvo la patente británica (108.863) para la construcción mejorada de torres de refrigeración de hormigón armado. La patente se presentó el 9 de agosto de 1917 y se publicó el 11 de abril de 1918. En 1918, DSM construyó la primera torre de enfriamiento de tiro natural hiperboloide en Staatsmijn Emma, según su diseño.

Las torres de enfriamiento hiperboloides (a veces conocidas incorrectamente como hiperbólicas) se han convertido en el estándar de diseño para todas las torres de enfriamiento de tiro natural debido a su resistencia estructural y uso mínimo de material. La forma hiperboloide también ayuda a acelerar el flujo de aire convectivo ascendente, mejorando la eficiencia de enfriamiento. Estos diseños se asocian popularmente con las centrales nucleares. Sin embargo, esta asociación es engañosa, ya que el mismo tipo de torres de refrigeración se utilizan a menudo en grandes centrales eléctricas alimentadas con carbón y también en algunas plantas geotérmicas. La turbina de vapor es lo que necesita la torre de enfriamiento. Por el contrario, no todas las centrales nucleares tienen torres de refrigeración, sino que algunas enfrían su fluido de trabajo con agua de lago, río o océano.

Categorización por flujo aire-agua

Flujo cruzado

Costo inicial y a largo plazo normalmente más bajo, principalmente debido a los requisitos de la bomba.

Crossflow es un diseño en el que el flujo de aire se dirige perpendicular al flujo de agua (ver diagrama a la izquierda). El flujo de aire ingresa a una o más caras verticales de la torre de enfriamiento para encontrarse con el material de relleno. El agua fluye (perpendicular al aire) a través del relleno por gravedad. El aire continúa a través del relleno y, por lo tanto, pasa el flujo de agua hacia un volumen pleno abierto. Por último, un ventilador expulsa el aire a la atmósfera.

Una distribución o cuenca de agua caliente que consiste en una bandeja profunda con orificios o boquillas en su parte inferior está ubicada cerca de la parte superior de un flujo cruzado. torre. La gravedad distribuye el agua a través de las boquillas de manera uniforme sobre el material de relleno. Flujo cruzado V/s Contraflujo

Ventajas del diseño de flujo cruzado:

La distribución de agua de gravedad permite pequeñas bombas y mantenimiento mientras se utiliza.
Aerosol no presurizado simplifica el flujo variable.

Desventajas del diseño de flujo cruzado:

Más propenso a la congelación que los diseños de contraflujo.
El flujo variable es inútil en algunas condiciones.
Más propensa a la acumulación de suciedad en el relleno que los diseños de contraflujo, especialmente en zonas polvorientas o arenosas.

Contraflujo

En un diseño de contracorriente, el flujo de aire es directamente opuesto al flujo de agua (ver diagrama a la izquierda). El flujo de aire ingresa primero a un área abierta debajo del medio de relleno y luego asciende verticalmente. El agua se rocía a través de boquillas presurizadas cerca de la parte superior de la torre y luego fluye hacia abajo a través del relleno, en dirección opuesta al flujo de aire.

Ventajas del diseño a contracorriente:

La distribución de agua de rayos hace que la torre sea más resistente a la congelación.
La ruptura de agua en spray hace que la transferencia de calor sea más eficiente.

Desventajas del diseño a contracorriente:

Costo inicial y a largo plazo generalmente mayor, principalmente debido a los requisitos de la bomba.
Difícil de utilizar flujo de agua variable, ya que las características de pulverización pueden verse afectadas negativamente.
Típicamente ruidoso, debido a la mayor altura de caída del agua desde el fondo del relleno en la cuenca del agua fría

Aspectos comunes

Aspectos comunes de ambos diseños:

Las interacciones del flujo de aire y agua permiten una igualación parcial de la temperatura y la evaporación del agua.
El aire, ahora saturado con vapor de agua, se descarga desde la parte superior de la torre de refrigeración.
Se utiliza una " cuenca de recolección" o "lavabo de agua fría" para recoger y contener el agua refrigerada después de su interacción con el flujo de aire.

Tanto los diseños de flujo cruzado como los de contraflujo se pueden utilizar en torres de enfriamiento de tiro natural y de tiro mecánico.

Balance de materiales de torres de enfriamiento húmedo

Cuantitativamente, el equilibrio de materiales alrededor de un sistema de torre de enfriamiento evaporativo húmedo se rige por las variables operativas del caudal volumétrico de reposición, las pérdidas por evaporación y viento, la tasa de extracción y los ciclos de concentración.

En el diagrama adyacente, el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua de refrigeración que se envía a través de los refrigeradores y condensadores del proceso en una instalación industrial. El agua fría absorbe calor de las corrientes calientes del proceso que deben enfriarse o condensarse, y el calor absorbido calienta el agua en circulación (C). El agua tibia regresa a la parte superior de la torre de enfriamiento y gotea hacia abajo sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, entra en contacto con el aire ambiente que sube a través de la torre, ya sea por tiro natural o por tiro forzado utilizando grandes ventiladores en la torre. Ese contacto hace que una pequeña cantidad de agua se pierda como viento o deriva (W) y parte del agua (E) se evapore. El calor necesario para evaporar el agua se deriva del agua misma, que la enfría nuevamente a la temperatura original del agua de la cuenca y luego el agua está lista para recircular. El agua evaporada deja sus sales disueltas en la mayor parte del agua que no se ha evaporado, aumentando así la concentración de sal en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sal del agua sea demasiado alta, una parte del agua se extrae o se sopla (D) para su eliminación. Se suministra agua dulce (M) al depósito de la torre para compensar la pérdida de agua evaporada, la pérdida de agua por viento y el agua de extracción.

Proyecto inducido por el ventilador, torre de refrigeración de contraflujo

Usando estos caudales y unidades dimensionales de concentración:

M	= Agua de maquillaje en m³/h
C	= Agua circulante en m³/h
D	= Agua residual en m³/h
E	= Agua evaporada en m³/h
W	= Viento pérdida de agua en m³/h
X	= Concentración en ppmw (de cualquier sal completamente soluble... generalmente cloruros)
$X M$	= Concentración de cloruros en agua de maquillaje (M), en ppmw
X_C	= Concentración de cloruros en el agua circulante (C), en ppmw
Ciclos	= Ciclos de concentración = X_C / X_M (sin distinción)
ppmw	= partes por millón en peso

El balance hídrico en todo el sistema es entonces:

M = E + D + W

Dado que el agua evaporada (E) no tiene sales, el equilibrio de cloruro alrededor del sistema es:

MX M = DX C + WX C = X C () D + W)

{displaystyle MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}=X_{C}(D+W)}

y, por lo tanto:

{displaystyle {X_{C}over X_{M}={text{Cycles of concentration}={M over (D+W)}={M over (M-E)}=1+{E over (D+W)}}

A partir de un balance de calor simplificado alrededor de la torre de enfriamiento:

{displaystyle E={CDelta Tc_{p}

Donde:
H_V	= calor latente de vaporización de agua = 2260 kJ / kg
$ΔT$	= diferencia de temperatura del agua de la torre superior a la torre inferior, en °C
c_p	= calor específico del agua = 4.184 kJ / (kg ${displaystyle cdot }$ °C)

Las pérdidas por viento (o deriva) (W) son la cantidad de flujo total de agua de la torre que es arrastrada en el flujo de aire a la atmósfera. De las torres de refrigeración industriales de gran escala, en ausencia de datos del fabricante, se puede suponer que es:

W = 0,3 a 1,0 por ciento de C para un proyecto natural de torre de refrigeración sin eliminadores de deriva de viento

W = 0,1 a 0,3% de C para un proyecto de torre de refrigeración inducido sin eliminadores de deriva de viento

W = alrededor de 0.005 por ciento de C (o menos) si la torre de refrigeración tiene eliminadores de deriva de viento

W = alrededor de 0.0005 por ciento de C (o menos) si la torre de refrigeración tiene eliminadores de deriva de enrollamiento y utiliza agua de mar como agua de maquillaje.

Ciclos de concentración

El ciclo de concentración representa la acumulación de minerales disueltos en el agua de refrigeración recirculante. La descarga de extracción (o purga) se utiliza principalmente para controlar la acumulación de estos minerales.

La química del agua de reposición, incluida la cantidad de minerales disueltos, puede variar ampliamente. Las aguas de reposición bajas en minerales disueltos, como las de los suministros de agua superficial (lagos, ríos, etc.), tienden a ser agresivas con los metales (corrosivas). Las aguas de reposición de los suministros de agua subterránea (como los pozos) suelen tener un mayor contenido de minerales y tienden a tener incrustaciones (minerales de depósito). Aumentar la cantidad de minerales presentes en el agua mediante ciclos puede hacer que el agua sea menos agresiva para las tuberías; sin embargo, los niveles excesivos de minerales pueden causar problemas de incrustación.

Relación entre ciclos de concentración y caudales en una torre de refrigeración

A medida que aumentan los ciclos de concentración, es posible que el agua no pueda retener los minerales en solución. Cuando se excede la solubilidad de estos minerales, pueden precipitar como sólidos minerales y causar incrustaciones y problemas de intercambio de calor en la torre de enfriamiento o en los intercambiadores de calor. Las temperaturas del agua en recirculación, las tuberías y las superficies de intercambio de calor determinan si los minerales precipitarán del agua en recirculación y dónde. A menudo, un consultor profesional en tratamiento de agua evaluará el agua de reposición y las condiciones operativas de la torre de enfriamiento y recomendará un rango apropiado para los ciclos de concentración. El uso de productos químicos para el tratamiento del agua, tratamientos previos como ablandamiento del agua, ajuste del pH y otras técnicas pueden afectar el rango aceptable de ciclos de concentración.

Los ciclos de concentración en la mayoría de las torres de enfriamiento generalmente varían de 3 a 7. En los Estados Unidos, muchos suministros de agua utilizan agua de pozo que tiene niveles significativos de sólidos disueltos. Por otro lado, uno de los mayores suministros de agua, el de la ciudad de Nueva York, tiene una fuente superficial de agua de lluvia bastante baja en minerales; por lo tanto, a las torres de enfriamiento de esa ciudad a menudo se les permite concentrarse en 7 o más ciclos de concentración.

Dado que los ciclos de concentración más altos representan menos agua de reposición, los esfuerzos de conservación del agua pueden centrarse en aumentar los ciclos de concentración. El agua reciclada altamente tratada puede ser un medio eficaz para reducir el consumo de agua potable de las torres de enfriamiento, en regiones donde el agua potable es escasa.

Mantenimiento

Limpiar la suciedad visible y la suciedad. desechos del recipiente de agua fría y superficies con biopelículas visibles (es decir, limo).

Los niveles de desinfectante y otros químicos en las torres de enfriamiento y jacuzzis deben mantenerse continuamente y monitorearse periódicamente.

Se deben realizar controles periódicos de la calidad del agua (específicamente los niveles de bacterias aeróbicas) mediante sumergibles, ya que la presencia de otros organismos puede favorecer la legionella al producir los nutrientes orgánicos que necesita para prosperar.

Tratamiento de agua

Además de tratar el agua de refrigeración en circulación en grandes sistemas de torres de refrigeración industriales para minimizar la incrustación y la contaminación, el agua debe filtrarse para eliminar las partículas y también dosificarse con biocidas y alguicidas para evitar crecimientos que podrían interferir con el flujo continuo del agua. En determinadas condiciones, una biopelícula de microorganismos como bacterias, hongos y algas puede crecer muy rápidamente en el agua de refrigeración y reducir la eficiencia de transferencia de calor de la torre de refrigeración. La biopelícula se puede reducir o prevenir usando cloro u otros productos químicos. Una práctica industrial normal es utilizar dos biocidas, como los de tipo oxidante y no oxidante, para complementar las fortalezas y debilidades de cada uno y garantizar un espectro de ataque más amplio. En la mayoría de los casos, se utiliza un biocida oxidante continuo de bajo nivel, alternando luego con una dosis de choque periódica de biocidas no oxidantes.

Algicidas y biocidas

Los alguicidas, como su nombre sugiere, están destinados a matar algas y otros microbios similares a plantas relacionados en el agua. Los biocidas pueden reducir el resto de materia viva que queda, mejorando el sistema y manteniendo un uso de agua limpio y eficiente en una torre de enfriamiento. Una de las opciones más comunes cuando se trata de biocidas para el agua es el bromo.

Inhibidores de incrustaciones

Entre los problemas que causan el mayor daño y tensión a los sistemas de una torre de agua está el sarro. Cuando un material no deseado o contaminante en el agua se acumula en un área determinada, puede crear depósitos que crecen con el tiempo. Esto puede causar problemas que van desde el estrechamiento de las tuberías hasta bloqueos totales y fallas en los equipos.

El consumo de agua de la torre de enfriamiento proviene de la deriva, el purga y la pérdida por evaporación. El agua que se repone inmediatamente en la torre de enfriamiento debido a la pérdida se llama agua de reposición. La función del agua de reposición es hacer que la maquinaria y el equipo funcionen de forma segura y estable.

Legionarios N#39; enfermedad

Otro motivo muy importante para utilizar biocidas en torres de refrigeración es prevenir el crecimiento de Legionella, incluidas las especies que causan legionelosis o legionarios' enfermedad, más notablemente L. pneumophila o Mycobacterium avium. Las diversas especies de Legionella son la causa de la aparición de legionarios. La enfermedad en humanos y la transmisión se producen a través de la exposición a aerosoles: la inhalación de gotas de niebla que contienen la bacteria. Las fuentes comunes de Legionella incluyen torres de enfriamiento utilizadas en sistemas abiertos de recirculación de agua de enfriamiento por evaporación, sistemas de agua caliente sanitaria, fuentes y diseminadores similares que aprovechan un suministro público de agua. Las fuentes naturales incluyen estanques y arroyos de agua dulce.

Investigadores franceses descubrieron que la bacteria Legionella viajaba hasta 6 kilómetros (3,7 mi) a través del aire desde una gran torre de enfriamiento contaminada en una planta petroquímica en Pas-de-Calais, Francia. Ese brote mató a 21 de las 86 personas que tenían una infección confirmada por laboratorio.

Deriva (o viento) es el término para las gotas de agua del flujo del proceso que se dejan escapar en la descarga de la torre de enfriamiento. Los eliminadores de deriva se utilizan para mantener las tasas de deriva típicamente entre 0,001 y 0,005 % del caudal circulante. Un eliminador de gotas típico proporciona múltiples cambios direccionales del flujo de aire para evitar el escape de gotas de agua. Un eliminador de deriva bien diseñado y equipado puede reducir en gran medida la pérdida de agua y la posibilidad de Legionella o exposición a sustancias químicas del tratamiento del agua. Además, aproximadamente cada seis meses, inspeccione las condiciones de los eliminadores de gotas asegurándose de que no queden espacios que permitan el libre flujo de suciedad.

Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE. UU. no recomiendan que los centros de atención médica realicen pruebas periódicas para detectar la bacteria Legionella pneumophila. La monitorización microbiológica programada para Legionella sigue siendo controvertida porque su presencia no es necesariamente evidencia de un potencial para causar enfermedad. Los CDC recomiendan medidas de desinfección agresivas para la limpieza y el mantenimiento de dispositivos que se sabe que transmiten Legionella, pero no recomiendan ensayos microbiológicos programados periódicamente para detectar la bacteria. Sin embargo, se podría considerar la supervisión programada del agua potable dentro de un hospital en ciertos entornos donde las personas son altamente susceptibles a enfermedades y mortalidad por infección por Legionella (por ejemplo, unidades de trasplante de células madre hematopoyéticas o unidades de trasplante de órganos sólidos). Además, después de un brote de legionelosis, los funcionarios de salud coinciden en que es necesario realizar un seguimiento para identificar la fuente y evaluar la eficacia de los biocidas u otras medidas de prevención.

Los estudios han encontrado Legionella en entre el 40 % y el 60 % de las torres de refrigeración.

Terminología

Windage o Drift - Caídas de agua que se llevan a cabo de la torre de refrigeración con el aire de escape. Las gotas de derivación tienen la misma concentración de impurezas que el agua que entra en la torre. La velocidad de deriva se reduce normalmente empleando dispositivos similares a los baffles, llamados eliminadores de la deriva, a través de los cuales el aire debe viajar después de dejar las zonas de llenado y rociado de la torre. La derivación también se puede reducir utilizando temperaturas de torre de refrigeración más cálidas.

Blow-out — Las gotas de agua volaron de la torre de refrigeración por viento, generalmente en las aberturas de la entrada de aire. El agua también puede perderse, en ausencia de viento, a través de salpicaduras o maldiciones. Se utilizan dispositivos como pantallas de viento, palancas, deflectores de salpicaduras y desviadores de agua para limitar estas pérdidas.

Plume — El flujo de aire de escape saturado dejando la torre de refrigeración. La ciruela es visible cuando el vapor de agua contiene condensados en contacto con aire ambiente más fresco, como el aire saturado en las nieblas respiratorias de uno en un día frío. En determinadas condiciones, una torre de enfriamiento puede presentar peligros de inmersión o de inmersión a su entorno. Tenga en cuenta que el agua evaporada en el proceso de refrigeración es agua "pura", en contraste con el pequeño porcentaje de gotas de deriva o el agua volado de las entradas de aire.

Dibujo. o boca abajo — La parte del flujo de agua circulante que se elimina (generalmente descargado a un drenaje) para mantener la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS) y otras impurezas a un nivel aceptablemente bajo. La mayor concentración de TDS en solución puede resultar de una mayor eficiencia de torre de refrigeración. Sin embargo, cuanto mayor sea la concentración de TDS, mayor será el riesgo de escala, crecimiento biológico y corrosión. La cantidad de soplado está regulada principalmente por la conductividad eléctrica del agua circulante. El crecimiento biológico, el escalado y la corrosión pueden prevenirse por sustancias químicas (respectivamente, biocidio, ácido sulfúrico, inhibidor de la corrosión). Por otra parte, la única manera práctica de disminuir la conductividad eléctrica es aumentando la cantidad de descarga desplegable y aumentando posteriormente la cantidad de agua limpia de maquillaje.

Cero desangrado para torres de refrigeración, también llamado cero soplado para torres de refrigeración, es un proceso para reducir significativamente la necesidad de agua hemorragia con sólidos residuales del sistema permitiendo que el agua mantenga más sólidos en solución.

Maquillaje — El agua que debe añadirse al sistema de agua circulante para compensar las pérdidas de agua, como la evaporación, la pérdida de la deriva, el soplado, la explosión, etc.

Noise — Energía sonora emitida por una torre de refrigeración y escuchada (recordada) a una distancia y dirección dadas. El sonido se genera por el impacto del agua caída, por el movimiento del aire por los ventiladores, las cuchillas de ventilador que se mueven en la estructura, vibración de la estructura, y los motores, cajas de cambios o bandas de transmisión.

Enfoque — El enfoque es la diferencia de temperatura entre la temperatura de agua refrigerada y la temperatura de la bombilla húmeda (twb). Dado que las torres de refrigeración se basan en los principios de refrigeración evaporativa, la eficiencia máxima de la torre de refrigeración depende de la temperatura de la bombilla húmeda del aire. La temperatura de la bomba húmeda es un tipo de medición de temperatura que refleja las propiedades físicas de un sistema con una mezcla de gas y vapor, generalmente aire y vapor de agua

Rango — El rango es la diferencia de temperatura entre la entrada de agua caliente y la salida de agua enfriada.

Relleno — Dentro de la torre, se agregan rellenos para aumentar la superficie de contacto, así como el tiempo de contacto entre el aire y el agua, para proporcionar una mejor transferencia de calor. La eficiencia de la torre depende de la selección y cantidad de relleno. Hay dos tipos de rellenos que pueden ser utilizados:
- Tipo de película relleno (causa que el agua se disemine en una película delgada)
- Relleno tipo Splash (que rompe el flujo de agua que cae e interrumpe su progreso vertical)

Filtración de flujo completo — La filtración de flujo completo cede continuamente partículas fuera de todo el flujo del sistema. Por ejemplo, en un sistema de 100 toneladas, la tasa de flujo sería aproximadamente 300 gal/min. Se seleccionaría un filtro para acomodar toda la velocidad de flujo de 300 gal/min. En este caso, el filtro normalmente se instala después de la torre de refrigeración en el lado de descarga de la bomba. Si bien este es el método ideal de filtración, para sistemas de flujo más altos puede ser costoso-prohibitivo.

Filtración de corriente lateral — La filtración lateral, aunque popular y eficaz, no proporciona protección completa. Con la filtración lateral, una parte del agua se filtra continuamente. Este método funciona en el principio de que la eliminación continua de partículas mantendrá el sistema limpio. Los fabricantes suelen empaquetar filtros de corriente lateral en un esquido, completo con una bomba y controles. Para sistemas de flujo elevado, este método es rentable. Properly sizing a side-stream filter system is critical to obtain satisfactory filter performance, but there is some debate over how to properly size the side-stream system. Muchos ingenieros tamaño el sistema para filtrar continuamente el agua de la cuenca de la torre de refrigeración a una tasa equivalente al 10% de la velocidad total de circulación. Por ejemplo, si el flujo total de un sistema es de 1.200 gal/min (un sistema de 400 toneladas), se especifica un sistema lateral de 120 gal/min.

Ciclo de concentración - El multiplicador máximo permitido para la cantidad de sustancias diversas en el agua circulante en comparación con la cantidad de esas sustancias en el agua de maquillaje.

Madera aserrada — Un material estructural para torres de refrigeración que fue abandonado en gran medida a principios de los años 2000. Todavía se utiliza ocasionalmente debido a sus bajos costos iniciales, a pesar de su corta esperanza de vida. La vida de la madera tratada varía mucho, dependiendo de las condiciones de funcionamiento de la torre, como frecuencia de cierres, tratamiento del agua circulante, etc. En condiciones de trabajo adecuadas, la vida estimada de los miembros estructurales de madera tratada es de unos 10 años.

Principales — La pérdida de productos químicos conservantes de madera por la acción de lavado del agua que fluye a través de una torre de refrigeración de estructura de madera.

FRP Pultruded — Un material estructural común para torres de refrigeración más pequeñas, plástico reforzado con fibra (FRP) es conocido por sus altas capacidades de resistencia a la corrosión. FRP Pultruded se produce utilizando tecnología de pultrusión, y se ha convertido en el material estructural más común para pequeñas torres de refrigeración. Ofrece costos más bajos y requiere menos mantenimiento en comparación con el hormigón armado, que todavía está en uso para grandes estructuras.

Producción de niebla

Bajo ciertas condiciones ambientales, se pueden ver columnas de vapor de agua elevándose de la descarga de una torre de enfriamiento y pueden confundirse con el humo de un incendio. Si el aire exterior está en la saturación o cerca de ella, y la torre agrega más agua al aire, se puede descargar aire saturado con gotas de agua líquida, lo que se ve como niebla. Este fenómeno suele ocurrir en días fríos y húmedos, pero es raro en muchos climas. La niebla y las nubes asociadas con las torres de enfriamiento pueden describirse como homogenitus, al igual que otras nubes de origen artificial, como las estelas de vapor y las huellas de los barcos.

Este fenómeno se puede prevenir disminuyendo la humedad relativa del aire de descarga saturado. Para ello, en las torres híbridas, el aire de descarga saturado se mezcla con aire calentado de baja humedad relativa. Parte del aire ingresa a la torre por encima del nivel del eliminador de gotas y pasa a través de intercambiadores de calor. La humedad relativa del aire seco disminuye aún más instantáneamente a medida que se calienta al entrar a la torre. La mezcla descargada tiene una humedad relativa relativamente más baja y la niebla es invisible.

Formación de nubes

Se consideraron en una serie de modelos y experimentos cuestiones relacionadas con la meteorología aplicada de las torres de enfriamiento, incluida la evaluación del impacto de las torres de enfriamiento en la mejora de las nubes. Uno de los resultados del grupo de Haman indicó importantes influencias dinámicas de los rastros de condensación en la atmósfera circundante, manifestadas en alteraciones de temperatura y humedad. El mecanismo de estas influencias parecía estar asociado ya sea con el flujo de aire sobre el sendero como un obstáculo o con ondas verticales generadas por el sendero, a menudo a una altitud considerable sobre él.

Contaminación por emisiones de sal

Cuando se instalan torres de enfriamiento húmedas con agua de mar en diversas industrias ubicadas en o cerca de áreas costeras, la deriva de finas gotas emitidas desde las torres de enfriamiento contiene casi un 6% de cloruro de sodio que se deposita en las áreas terrestres cercanas. Esta deposición de sales de sodio en las tierras agrícolas/vegetales cercanas puede convertirlas en suelos sódicos salinos o sódicos alcalinos dependiendo de la naturaleza del suelo y mejorar la sodicidad del agua subterránea y superficial. El problema de la deposición de sal de dichas torres de enfriamiento se agrava cuando no se imponen o no se implementan estándares nacionales de control de la contaminación para minimizar las emisiones de deriva de las torres de enfriamiento húmedas que utilizan agua de mar.

Las partículas suspendidas respirables, de menos de 10 micrómetros (μm) de tamaño, pueden estar presentes en la deriva de las torres de enfriamiento. Las partículas más grandes, superiores a 10 μm, generalmente se filtran en la nariz y la garganta a través de cilios y moco, pero las partículas de menos de 10 μm, denominadas PM₁₀, pueden depositarse en los bronquios y los pulmones y causar problemas de salud. De manera similar, las partículas de menos de 2,5 µm (PM_2,5) tienden a penetrar en las regiones de intercambio de gases del pulmón, y partículas muy pequeñas (menos de 100 nanómetros) pueden atravesar los pulmones y afectar a otros órganos. Aunque las emisiones totales de partículas de las torres de enfriamiento húmedas con agua dulce son mucho menores, contienen más PM₁₀ y PM_2.5 que las emisiones totales de las torres de enfriamiento húmedas con maquillaje de agua de mar. Esto se debe al menor contenido de sal en el agua dulce (por debajo de 2000 ppm) en comparación con el contenido de sal del agua de mar (60 000 ppm).

Utilizar como chimenea de gases de combustión

En algunas centrales eléctricas modernas equipadas con depuración de gases de combustión, como por ejemplo en la central eléctrica de Großkrotzenburg y la central eléctrica de Rostock, la torre de refrigeración también se utiliza como chimenea de gases de combustión (chimenea industrial), ahorrando así el coste de una instalación separada. estructura de la chimenea. En instalaciones sin depuración de gases de combustión pueden producirse problemas de corrosión debido a las reacciones de los gases de combustión sin tratar con agua para formar ácidos.

A veces, las torres de enfriamiento de tiro natural se construyen con acero estructural en lugar de concreto (RCC) cuando el tiempo de construcción de la torre de enfriamiento de tiro natural excede el tiempo de construcción del resto de la planta o el suelo local tiene poca resistencia para Para soportar el gran peso de las torres de enfriamiento RCC o los precios del cemento son más altos en un sitio, se opta por torres de enfriamiento de tiro natural más baratas hechas de acero estructural.

Funcionamiento en climas helados

Algunas torres de enfriamiento (como los sistemas de aire acondicionado de edificios más pequeños) se apagan estacionalmente, se drenaron y se acondicionaron para el invierno para evitar daños por congelación.

Durante el invierno, otros sitios operan continuamente torres de enfriamiento con agua a 4 °C (39 °F) saliendo de la torre. En climas fríos se emplean a menudo calentadores de lavabo, desagües de torre y otros métodos de protección contra el congelamiento. Las torres de enfriamiento operativas con mal funcionamiento pueden congelarse durante climas muy fríos. Normalmente, la congelación comienza en las esquinas de una torre de enfriamiento con una carga de calor reducida o nula. Las condiciones de congelación severa pueden crear volúmenes crecientes de hielo, lo que resulta en mayores cargas estructurales que pueden causar daños estructurales o colapso.

Para evitar la congelación, se utilizan los siguientes procedimientos:

No se recomienda el uso de sistemas de modulación de agua durante el tiempo de congelación. En tales situaciones, la flexibilidad de control de los motores de velocidad variable, motores de dos velocidades y/o motores de dos velocidades se debe considerar un requisito.
No opere la torre sin avisar. Se pueden instalar sensores y alarmas remotos para monitorear las condiciones de torre.
No opere la torre sin una carga de calor. Los calentadores de la cuenca pueden usarse para mantener el agua en la cacerola de la torre a una temperatura de congelación. Rastreo de calor ("cinta de calefacción") es un elemento de calefacción resistivo que se instala a lo largo de tuberías de agua para prevenir la congelación en climas fríos.
Mantenga el caudal de agua de diseño sobre el relleno de la torre.
Manipular o reducir el flujo de aire para mantener la temperatura del agua por encima del punto de congelación.

Peligro de incendio

Las torres de enfriamiento construidas total o parcialmente con materiales combustibles pueden favorecer la propagación interna del fuego. Estos incendios pueden llegar a ser muy intensos debido a la alta relación superficie-volumen de las torres, y los incendios pueden intensificarse aún más mediante la convección natural o la corriente de aire asistida por ventilador. El daño resultante puede ser lo suficientemente grave como para requerir el reemplazo de toda la estructura de la celda o torre. Por esta razón, algunos códigos y normas recomiendan que las torres de enfriamiento de combustibles estén provistas de un sistema automático de rociadores contra incendios. Los incendios pueden propagarse internamente dentro de la estructura de la torre cuando la celda no está en operación (como por mantenimiento o construcción), e incluso mientras la torre está en operación, especialmente aquellos del tipo de tiro inducido, debido a la existencia de áreas relativamente secas. dentro de las torres.

Estabilidad estructural

Al ser estructuras muy grandes, las torres de enfriamiento son susceptibles a sufrir daños por el viento y en el pasado se han producido varias fallas espectaculares. El 1 de noviembre de 1965, en la central eléctrica de Ferrybridge, la central sufrió un fallo estructural importante, cuando tres de las torres de refrigeración colapsaron debido a las vibraciones de los vientos de 137 km/h (85 mph). Aunque las estructuras habían sido construidas para soportar velocidades de viento más altas, la forma de las torres de enfriamiento provocó que los vientos del oeste se canalizaran hacia las propias torres, creando un vórtice. Tres de las ocho torres de refrigeración originales quedaron destruidas y las cinco restantes sufrieron graves daños. Posteriormente, las torres fueron reconstruidas y las ocho torres de enfriamiento fueron reforzadas para tolerar condiciones climáticas adversas. Se cambiaron los códigos de construcción para incluir un soporte estructural mejorado y se introdujeron pruebas en el túnel de viento para verificar las estructuras y la configuración de las torres.

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