Ya en otras recomendaciones se ha señalado la importancia del approach en los chillers, lo cual se define como la diferencia entre la temperatura de salida del agua de enfriamiento del condensador y la temperatura de condensación del gas refrigerante.
Ahora se quiere hace hincapié en la importancia de la vigilancia de los parámetros de operación termodinámicos propiamente en las torres de enfriamiento. Esto por cuanto con ello se puede detectar daños como obstrucciones de biomasa o incrustaciones en los paneles de transferencia de calor, mal funcionamiento de los abanicos, etc.
A continuación se resumen algunos términos y conceptos importantes y se describe la importancia de vigiliar la efectividad y el approach de las torres de enfriamiento como parte de un programa de tratamiento y mantenimiento.
TÉRMINOS Y CONCEPTOS RELEVANTES
- ¿Cómo enfrían el agua las torres de enfriamiento?
Las torres de enfriamiento enfrían el agua por evaporación y por convección y la explicación es la siguiente:
Evaporación
Como es conocido las moléculas del agua se mueven aleatoriamente (Movimiento Browniano) y conforme se calienta el agua se acelera ese movimiento aumentando su energía cinética la cual se manifiesta como un aumento de la temperatura del agua. Debido a los choques entre las moléculas y con las paredes del recipiente que las contienen , unas alcanzan más energía que otras y si estadísticamente hiciéramos un gráfico de distribución de energía por molécula , tendríamos una curva de Gaus.
El fenómeno de la evaporación requiere que las moléculas del agua tengan suficiente energía para romper la tensión superficial del agua, la cual es muy alta debido a que son moléculas polares que se alinean enlazándose unas con otras. Por ello las moléculas con más energía son las que tienen posibilidad de romper la barrera y cuando lo hacen, disminuye el promedio de energía del líquido remanente, bajando entonces su temperatura.
Por otro lado, para que las moléculas tengan más probabilidad de saltar al aire después de romper la barrera de la tensión superficial es imprescindible aumentar el área en contacto con el aire y por ello utilizamos los paneles de relleno de las torres los cuales tienen cientos de m2 de superficie por m3 de relleno.
Otro factor muy importante es la humedad relativa del aire lo cual limita la capacidad de este para absorber el agua evaporada en la torre. Como la capacidad es muy limitada debemos estar renovando el aire para poder seguir absorbiendo agua evaporada y esa es la función de los abanicos. De aquí la gran importancia la limpieza de los paneles ya que la suciedad no solo impide la buena circulación del agua sino también que pase aire suficiente.
Como consecuencia de lo anterior, podemos afirmar que las torres de enfriamiento enfrían agua evaporando una parte de ella y como la capacidad calórica es de 1cal/gr; por cada litro de agua evaporada se extrae 1 Kcal de energía calórica.
Convección
Cuando el aire tiene una temperatura inferior a la del agua a enfriar lo cual es lo usual, se establece un diferencial de temperatura entre el agua y el aire , haciendo que fluya calor del agua al aire y entre un 30% a un 25% del enfriamiento en las torres se genera por este fenómeno. Esto hace que las torres puedan seguir enfriando en días sumamente húmedos con aire incluso 100% saturado. Este fenómeno es sumamente importante a la hora de diseñar sistemas de enfriamiento para climas como el nuestro y se conoce de casos locales en que los días muy húmedos las plantas tienen problemas de operación por pérdidas importantes en la capacidad de enfriamiento de las torres.
Ecuaciones relacionadas
QE = m x Cp. x T1 – T2
Donde:
QE = Calor eliminado por evaporación
m = Kg (Litros) de agua recirculando
Cp = 1kcal/kg
T1 = Temperatura de entrada del agua a la torre (Caliente)
T2 = temperatura del agua de salida de la torre (Enfriada)
Qc = m x Cp x T1 – T2
Donde:
Qc = Calor eliminado por convección
Cp = 0.24 kcal/kg *
m = Kg de aire pasando por la torre
T1 = Temperatura de salida del aire
T2 = temperatura de entrada del aire
*( Nota 1 m3 de aire = 1.2 kg)
La efectividad de las torres de enfriamiento
La efectividad de una torre en específico es el resultado de la comparación entre la capacidad de enfriamiento real y la capacidad de enfriamiento de diseño y para ello se deben entonces tomar mediciones y hacer cálculos correspondientes a las mismas condiciones de TBH, caudal recirculando y temperaturas de entrada y salida del agua y esto es sumamente difícil de lograr.
Efectividad = Rango / (Rango + Approach)
Donde:
Rango = T entrada – T salida
Approach = T salida – TBH (temperatura de bulbo húmedo)
Por regla general a la hora de diseñar sistemas de enfriamiento se recurre a la TBH de la zona y puede suceder que la TBH después de instaladas las torres sea muy diferente, debido a “cortocircuitos” por recirculación de aire húmedo debido a mala ubicación de las torres, como es la cercanía de paredes. También puede ocurrir la presencia de vapores provenientes de escapes en otros equipos, etc. Es por ello que para medir el TBH real en torres ya instaladas, debe de hacerse al pie de la torre por donde entra el aire.
La importancia del approach
Se define como el “ APPROACH” de una torre, al diferencial de temperatura entre la TBH y la temperatura del agua a la salida de la torre. El approach es uno de los factores más importantes a la hora de adquirir a la hora de adquirir una torre. Como entre más baja la temperatura de salida de las torres; los chillers, compresores y otros equipos mejoran su eficiencia, es lo usual que se pretenda siempre obtener una torre con el menor approach posible, y el valor estará determinado por el diseño de la torre ya que está directamente relacionado con el tamaño de la superficie de transferencia de calor y eficiencia del sistema de aireación.
La siguiente imagen aclara los diferentes términos utilizados en torres.
La dependencia del approach con el tamaño de una torre se puede ver en el siguiente gráfico.
Con base en el gráfico anterior, si asumimos que el approach actual es de 4 y queremos bajarlo a 2 el tamaño de la torre y capacidad tendría que ser el doble! consumiendo el doble de energía de bombeo, abanicos, etc. Es por ello que no resulta razonable pensar en approach muy cercanos. Como punto de comparación entre torres, para efectos de eficiencia o rendimiento, se considera que una torre es más eficiente cuando logra el mismo approach con un tamaño más pequeño y en general todas las torres se diseñan para un approach entre 3.5 y 6 °C. En el caso de las torres Tower Tech, están calificadas como las más eficientes debido a que logran el más bajo approach con el menor tamaño y esto se debe básicamente a su diseño Counter Flow y eficiencia del sistema de aspersión del agua a enfriar, el cual aprovecha el 100 % de la superficie de transferencia e calor y no solo el 70% como sucede con los demás diseños.
Con base en lo anterior, se puede afirmar que el approach en una torre no se puede mejorar sin cambiar su diseño, pero este se puede ampliar perdiéndose eficiencia debido a suciedad de los paneles , problemas con los abanicos o instalación cercana de nuevos equipos que genere “cortocircuitos” en la circulación de aire húmedo.
¿POR QUÉ ES IMPORTANTE VALORAR FRECUENTEMENTE EL APPROACH Y LA EFECTIVIDAD DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO?
Es importante como parte de un programa de tratamiento de aguas incorporar la vigilancia del comportamiento termodinámico de las torres mediante la medición frecuente del apProach , la temperatura de bulbo húmedo (TBH) del aire a la entrada, el caudal de agua recirculando y las temperaturas de entrada y salida del agua.
Las primeras mediciones servirían como línea base para valorar los resultados futuros y estos deben de compararse con los datos teóricos para detectar posibles cambios acumulados.
La tabla siguiente servirá de guía para la interpretación de los datos según lo que sucede:
| Parámetro | Comportamiento | Posible causa |
| Approach con agua fría | En aumento | Paneles de relleno acumulando depósitos de biomasa o incrustaciones.
Disminución en caudal de agua recirculando ( solo en torres convencionales y no Tower Tech). Sistema de aspersión obstruido. Aumento en la carga térmica . |
| Approach con el agua fría | Disminuyendo | Paneles en proceso de limpieza como efecto de mejoras en tratamiento o como resultado de medidas correctivas.
Disminución de la carga térmica |
| Diferencial T1-T2 | Aumento | Aumento de carga térmica o mejora en circulación de aire |
| Diferencial T1-T2 | Reducción | Reducción de carga térmica, ensuciamiento de los paneles u obstrucciones en sistema de rociadores. |
| Cantidad de calor removido* | Aumento | Aumento de carga térmica o mejoras en el funcionamiento de la torre |
| Cantidad de calor removido* | Disminución | Disminución de carga térmica
Disminución de caudal recirculando Depósitos en los paneles o problemas de abanicos |
(*) Recordemos que Q= Kg recirculando x 1 x ( T1-T2)
Según se mida el caudal en minutos u horas la cantidad de calor removido debe referirse a esa misma unidad de tiempo.
Es muy recomendable llevar todos los datos en forma gráfica para poder vigilar las tendencias y anticipar problemas. Esto también permite establecer una correlación con el comportamiento de los equipos en la fábrica.
Respecto al valor de la efectividad, entre mayor sea implica que estamos aprovechando mejor la capacidad de diseño de la torre de enfriamiento y liberando capacidad de los chillers donde el costo energético es muy elevado. Si la efectividad es muy baja se puede concluir que hay oportunidades de ahorro energético importantes que se pueden obtener de un buen mantenimiento mecánico y limpieza de los componentes de las torres y de optimizar el caudal de recirculación del lazo abierto.
Elaborado por Ing. Jorge Vieto Morales y Ing. Jorge Vieto Piñeres