Torre de enfriamiento

Una torre de enfriamiento es un dispositivo que expulsa 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 del agua para eliminar el calor y enfriar el fluido de trabajo hasta cerca de la temperatura del aire de bulbo húmedo o, en el caso de las torres de enfriamiento seco , dependen únicamente del aire para enfriar el fluido de trabajo hasta cerca de la temperatura del aire de bulbo seco mediante radiadores .

Las aplicaciones más habituales incluyen la refrigeración del agua circulante utilizada en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y otras plantas químicas , centrales térmicas , centrales nucleares y sistemas de climatización para la refrigeración de edificios. La clasificación se basa en el tipo de inducción de aire en la torre: los principales tipos de torres de refrigeración son las 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 alto 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 , ^[1] aunque también se utilizan en muchas plantas de carbón y en cierta medida 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 o cerca de edificios para descargar calor del aire acondicionado . El público en general y los activistas ambientales también suelen pensar que las torres de enfriamiento emiten humo o gases nocivos, cuando en realidad las emisiones de esas torres en su mayoría no contribuyen a la huella de carbono , que consiste únicamente en vapor de agua . ^{[2] [3]}

Las torres de enfriamiento se originaron en el siglo XIX a través del desarrollo de condensadores para su uso con la máquina de vapor . ^[4] Los condensadores utilizan agua relativamente fría, a través de varios 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 lo tanto, el consumo de combustible, al mismo tiempo que aumenta la potencia y recicla el agua de la caldera. ^[5] Sin embargo, los condensadores requieren un amplio suministro de agua de enfriamiento, sin el cual son poco prácticos. ^{[6] [7]} Si bien el uso del agua no es un problema con los motores marinos , constituye una limitación significativa para muchos sistemas terrestres. ^{[ cita requerida ]}

A principios del siglo XX, se utilizaban varios métodos evaporativos para reciclar el agua de refrigeración en áreas que carecían de un suministro de agua establecido, así como en lugares urbanos donde las tuberías de agua municipales pueden no tener un suministro suficiente, ser confiables en épocas de alta demanda o, de otro modo, no ser adecuadas para satisfacer las necesidades de refrigeración. ^{[4] [7]} En áreas con terrenos disponibles, los sistemas tomaron la forma de estanques de enfriamiento ; en áreas con terrenos limitados, como en las ciudades, tomaron la forma de torres de enfriamiento. ^{[6] [8]}

Estas primeras torres se ubicaban en los tejados de los edificios o como estructuras independientes, abastecidas de aire por ventiladores o dependiendo del flujo de aire natural. ^{[6] [8]} Un libro de texto de ingeniería estadounidense de 1911 describía un diseño como "una carcasa circular o rectangular de placa ligera, en efecto, una chimenea muy acortada verticalmente (de 20 a 40 pies de alto) y muy agrandada lateralmente. En la parte superior hay un conjunto de canales de distribución, a los que debe bombearse el agua del condensador; desde estos se escurre sobre "esteras" hechas de listones de madera o mallas de alambre tejido, que llenan el espacio dentro de la torre". ^[8]

Una torre de enfriamiento hiperboloide fue patentada por los ingenieros holandeses Frederik van Iterson y Gerard Kuypers en los Países Bajos el 16 de agosto de 1916. ^[9] Las primeras torres de enfriamiento de hormigón armado hiperboloide fueron construidas por la mina estatal holandesa (DSM) Emma en 1918 en Heerlen . ^[10] Las primeras en el Reino Unido se construyeron en 1924 en la central eléctrica Lister Drive en Liverpool , Inglaterra. ^[11] En ambas ubicaciones se construyeron para enfriar el agua utilizada en una central eléctrica a carbón.

Según un 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 de trabajo al punto de rocío del fluido ambiente, que es inferior a la temperatura de bulbo húmedo del fluido ambiente. El ciclo M utiliza la energía psicrométrica (o energía potencial) disponible a partir del calor latente del agua que se evapora en el aire. Si bien su manifestación actual es el ciclo M 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 plantas de procesamiento y energía terrestres reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las plantas de energía térmica entre 2040 y 2069. ^[12]

En 2021, los investigadores presentaron un método para recuperar el 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 . ^[13]

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Una torre de enfriamiento HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) se utiliza para desechar ("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 de calor al agua de la torre a temperaturas de bulbo húmedo o cercanas a ellas. Los enfriadores enfriados por aire deben rechazar calor a la temperatura más alta de bulbo seco y, por lo tanto, tienen una efectividad promedio más baja del ciclo de Carnot inverso . En climas cálidos, los grandes edificios de oficinas, hospitales y escuelas suelen utilizar torres de enfriamiento en sus sistemas de aire acondicionado. Generalmente, las torres de enfriamiento industriales son mucho más grandes que las torres HVAC. El uso de una torre de enfriamiento en HVAC 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 en el lado de la torre de enfriamiento en realidad rechaza alrededor de 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 calor rechazado al enfriar 3 galones estadounidenses por minuto (11 litros por minuto) o 1.500 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) del enfriador de 4,0. ^[14] Este COP es equivalente a un índice de eficiencia energética (EER) de 14.

Las torres de enfriamiento también se utilizan en sistemas HVAC que tienen múltiples bombas de calor de fuente de agua que comparten un circuito de agua de tuberías 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 estén funcionando en el modo de enfriamiento, luego la torre de enfriamiento montada externamente se utiliza para eliminar el calor del circuito de agua y rechazarlo a la atmósfera . Por el contrario, cuando las bombas de calor están funcionando en modo de calefacción, los condensadores extraen calor del agua del circuito y lo rechazan en el espacio que se va 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 invernarse para evitar daños por congelación) y el calor se suministra por otros medios, generalmente desde calderas separadas .

Las torres de enfriamiento industriales se pueden utilizar para eliminar el calor de varias fuentes, como maquinaria o material de proceso calentado. El uso principal de las torres de enfriamiento industriales grandes es eliminar el calor absorbido en los sistemas de agua de enfriamiento circulante 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 para otras instalaciones industriales como en condensadores de columnas de destilación, para enfriar líquido en cristalización, etc. ^[15] La tasa de circulación de agua de enfriamiento en una planta de energía de carbón típica de 700 _MWth con una torre de enfriamiento asciende a aproximadamente 71.600 metros cúbicos por hora (315.000 galones estadounidenses por minuto) ^[16] y el agua circulante 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 ^[17] Una gran entrada de agua de enfriamiento generalmente mata millones de peces y larvas anualmente, ya que los organismos inciden en las rejillas de entrada . ^[18] 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, la descarga de 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 causar un aumento de organismos indeseables como especies invasoras de mejillones cebra o algas .

Una torre de refrigeración sirve para disipar el calor en la atmósfera, de modo que la difusión del viento y el aire distribuye el calor sobre un área mucho mayor que la que el agua caliente puede distribuir en una masa de agua. El agua de refrigeración por evaporación no se puede utilizar para fines posteriores (salvo para la lluvia en algún lugar), mientras que el agua de refrigeración que sólo se encuentra en la superficie se puede reutilizar. Algunas centrales eléctricas de carbón y nucleares ubicadas en zonas costeras sí utilizan agua de mar 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 de gran tamaño. Una refinería grande 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 torres 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. ^[19]

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Este tipo de torres de refrigeración se entregan preensambladas en fábrica y se pueden transportar fácilmente en camiones, ya que son máquinas compactas. La capacidad de las torres tipo paquete es limitada y, por ello, suelen ser las preferidas por instalaciones con bajos requerimientos de rechazo de calor como plantas de procesamiento de alimentos, plantas textiles, algunas plantas de procesamiento químico o edificios como hospitales, hoteles, centros comerciales, fábricas de automóviles, etc.

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

En instalaciones como centrales eléctricas, plantas de procesamiento de acero, refinerías de petróleo o plantas petroquímicas, se suelen instalar torres de refrigeración de tipo erigido en campo debido a su mayor capacidad de rechazo de calor. Las torres erigidas en campo suelen ser de un tamaño mucho mayor en comparación con las torres de refrigeración de tipo paquete.

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

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

• Las torres de enfriamiento húmedo o torres de enfriamiento de circuito abierto o torres de enfriamiento evaporativo funcionan según el principio de enfriamiento por evaporación . El refrigerante de trabajo (generalmente agua) es el fluido evaporado y está expuesto a los elementos.
• Las torres de refrigeración de circuito cerrado (también llamadas enfriadores de fluidos ) hacen pasar el refrigerante de trabajo a través de un intercambiador de calor grande , generalmente un radiador , sobre el cual se rocía agua limpia y se aplica una corriente de aire inducida por un ventilador. El rendimiento de transferencia de calor resultante es cercano al de una torre de refrigeración húmeda, con la ventaja de proteger el fluido de trabajo de la exposición y la contaminación ambientales.
• Las torres de enfriamiento adiabático rocían agua en el aire entrante o sobre una placa de cartón para enfriar el aire antes de que pase por un intercambiador de calor enfriado por aire. Las torres de enfriamiento adiabático utilizan menos agua que otras torres de enfriamiento, pero no enfrían el fluido tan cerca de la temperatura del bulbo húmedo. La mayoría de las torres de enfriamiento adiabático también son torres de enfriamiento híbridas.
• Las torres de enfriamiento en seco (o enfriadores en seco ) son torres de enfriamiento de circuito cerrado que funcionan 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 por convección. No utilizan evaporación y son intercambiadores de calor enfriados por aire.
• Las torres de enfriamiento híbridas o torres de enfriamiento húmedo-seco son torres de enfriamiento de circuito cerrado que pueden alternar entre operación húmeda o adiabática y seca. Esto ayuda a equilibrar el ahorro de agua y energía en una variedad de condiciones climáticas. Algunas torres de enfriamiento híbridas pueden alternar entre modos seco, húmedo y adiabático. Se han observado eficiencias térmicas de hasta el 92 % en torres de enfriamiento híbridas. ^[20]

En una torre de enfriamiento húmedo (o torre de enfriamiento de circuito abierto), el agua caliente se puede enfriar a una temperatura inferior a la temperatura de bulbo seco del aire ambiente, si el aire es relativamente seco (ver 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 necesaria para evaporar esa porción del agua se toma de la masa restante de agua, reduciendo así su temperatura. Aproximadamente 2300 kilojulios por kilogramo (970 BTU/lb) de energía térmica se absorben para el agua evaporada. 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 inferior a la temperatura de bulbo seco ambiental , 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 el área de superficie y el tiempo de contacto entre los flujos de aire y agua. El relleno por salpicadura consiste en material colocado para interrumpir el flujo de agua provocando salpicaduras. El relleno de película está compuesto por láminas delgadas de material (generalmente PVC ) sobre las que fluye el agua. Ambos métodos crean un área de superficie y un tiempo de contacto mayores entre el fluido (agua) y el gas (aire), para mejorar la transferencia de calor.

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Respecto al paso de aire a través de la torre, existen tres tipos de torres de refrigeración:

• Tiro natural  : utiliza la flotabilidad a través de una chimenea alta. El aire cálido y húmedo asciende de forma natural debido a la diferencia de densidad en comparación con el aire exterior seco y más frío. El aire cálido y húmedo es menos denso que el aire más seco a la misma presión. Esta flotabilidad del aire húmedo produce una corriente de aire ascendente a través de la torre.
• Tiro mecánico  : utiliza motores de ventiladores accionados eléctricamente para forzar o aspirar aire a través de la torre.
  • Tiro inducido  : una torre de tiro mecánico con un ventilador en la descarga (en la parte superior) que sube el aire a través de la torre. El ventilador induce aire caliente y húmedo a través de la descarga. Esto produce velocidades bajas de aire de entrada y altas de salida, lo que reduce la posibilidad de recirculación en la que el aire descargado fluye de regreso a la entrada de aire. Esta disposición de ventilador/aleta también se conoce como "tracción continua" .
  • Tiro forzado  : una torre de tiro mecánico con un ventilador tipo soplador en la entrada. El ventilador fuerza el aire hacia la torre, lo que crea altas velocidades de entrada y bajas de salida del aire. La baja velocidad de salida es mucho más susceptible a la recirculación. Con el ventilador en la entrada de aire, el ventilador es más susceptible a complicaciones debido a las condiciones de congelamiento. Otra desventaja es que un diseño de tiro forzado generalmente requiere más potencia del motor que un diseño de tiro inducido equivalente. El beneficio del diseño de tiro forzado es su capacidad para trabajar con alta presión estática . Estas configuraciones se pueden instalar en espacios más reducidos e incluso en algunas situaciones interiores. Esta geometría de ventilador/aleta también se conoce como blow-through .
• Tiro natural asistido por ventilador  : un tipo híbrido que parece una configuración de tiro natural, aunque el flujo de aire es asistido por un ventilador.

El 16 de agosto de 1916, ^[21] Frederik van Iterson obtuvo la patente del Reino Unido (108.863) para la construcción mejorada de torres de refrigeración de hormigón armado . ^[22] 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 refrigeración de tiro natural hiperboloide en el Staatsmijn Emma , ​​según su diseño.

Las torres de enfriamiento hiperboloides (a veces incorrectamente conocidas 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. ^{[23] [24] [25] [26]} La forma hiperboloide también ayuda a acelerar el flujo de aire convectivo ascendente , mejorando la eficiencia de enfriamiento. ^{[27] [28]} Estos diseños se asocian popularmente con las plantas de energía nuclear . Sin embargo, esta asociación es engañosa, ya que el mismo tipo de torres de enfriamiento a menudo se utilizan en grandes plantas de energía a 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 plantas de energía nuclear tienen torres de enfriamiento y, en cambio, algunas enfrían su fluido de trabajo con agua de lago, río u océano.

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Generalmente, el costo inicial y a largo plazo son más bajos, principalmente debido a los requisitos de la bomba.

El flujo cruzado es un diseño en el que el flujo de aire se dirige perpendicularmente 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 de cámara abierto. Por último, un ventilador expulsa el aire hacia la atmósfera.

Cerca de la parte superior de una torre de flujo cruzado se encuentra un depósito de distribución o de agua caliente que consiste en una bandeja profunda con orificios o boquillas en su fondo. La gravedad distribuye el agua a través de las boquillas de manera uniforme sobre el material de relleno. Flujo cruzado versus contraflujo

Ventajas del diseño de flujo cruzado:

• La distribución de agua por gravedad permite utilizar bombas más pequeñas y realizar mantenimiento durante su uso.
• La pulverización sin presurización 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 propenso a la acumulación de suciedad en el relleno que los diseños de contraflujo, especialmente en áreas polvorientas o arenosas.

En un diseño de contraflujo, el flujo de aire es directamente opuesto al flujo de agua (ver diagrama a la izquierda). El flujo de aire primero ingresa 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 sentido opuesto al flujo de aire.

Ventajas del diseño a contraflujo:

• La distribución de agua pulverizada hace que la torre sea más resistente a la congelación.
• La ruptura del agua en la pulverización hace que la transferencia de calor sea más eficiente.

Desventajas del diseño de contraflujo:

• Generalmente el costo inicial y a largo plazo son más altos, principalmente debido a los requisitos de la bomba.
• Es difícil utilizar un flujo de agua variable, ya que las características de pulverización pueden verse afectadas negativamente.
• Generalmente más ruidoso, debido a la mayor altura de caída de agua desde el fondo del relleno hacia el depósito de agua fría.

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 de vapor de agua, se descarga desde la parte superior de la torre de enfriamiento.
• Se utiliza un "depósito de recolección" o "depósito de agua fría" para recoger y contener el agua enfriada después de su interacción con el flujo de aire.

Se pueden utilizar diseños de flujo cruzado y contraflujo en torres de enfriamiento de tiro natural y de tiro mecánico.

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Cuantitativamente, el balance de materiales alrededor de un sistema de torre de enfriamiento evaporativo húmedo está gobernado por las variables operativas del caudal volumétrico de reposición , las pérdidas por evaporación y por el viento, la tasa de extracción y los ciclos de concentración. ^{[29] [30]}

En el diagrama adyacente, el agua bombeada desde el estanque de la torre es el agua de enfriamiento que se envía a través de los enfriadores y condensadores de proceso en una instalación industrial. El agua fría absorbe calor de las corrientes de proceso calientes que necesitan ser enfriadas o condensadas, y el calor absorbido calienta el agua circulante (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 hacia abajo, entra en contacto con el aire ambiente que sube a través de la torre ya sea por corriente natural o por corriente forzada utilizando grandes ventiladores en la torre. Ese contacto hace que una pequeña cantidad de agua se pierda como efecto del 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 de nuevo a la temperatura original del agua del estanque y el agua luego está lista para recircular. El agua evaporada deja sus sales disueltas en la mayor parte del agua que no se ha evaporado, lo que aumenta la concentración de sal en el agua de enfriamiento circulante. Para evitar que la concentración de sal en el agua sea demasiado alta, una parte del agua se extrae o se purga (D) para su eliminación. Se suministra agua dulce de reposición (M) al depósito de la torre para compensar la pérdida de agua evaporada, la pérdida de agua por efecto del viento y el agua extraída.

Utilizando estas unidades dimensionales de caudal y concentración:

El balance hídrico en todo el sistema es entonces: ^[30]

M = E + P + A

Como el agua evaporada (E) no tiene sales, el balance de cloruro alrededor del sistema es: ^[30]

MX _M = DX _C + WX _C = X _C ( D + W )

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

y, por tanto: ^[30]

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

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

${\displaystyle E={C\Delta Tc_{p} \over H_{V}}}$

dónde:
HV​	= calor latente de vaporización del agua = 2260 kJ/kg
ΔT	= diferencia de temperatura del agua desde la parte superior hasta la parte inferior de la torre, en °C
c.p.​	= calor específico del agua = 4,184 kJ / (kg °C)${\displaystyle \cdot }$

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

W = 0,3 a 1,0 por ciento de C para una torre de enfriamiento de tiro natural sin eliminadores de deriva por viento

W = 0,1 a 0,3 por ciento de C para una torre de enfriamiento de tiro inducido sin eliminadores de deriva por viento

W = aproximadamente 0,005 por ciento de C (o menos) si la torre de enfriamiento tiene eliminadores de deriva por viento

W = aproximadamente 0,0005 por ciento de C (o menos) si la torre de enfriamiento tiene eliminadores de deriva por el viento y utiliza agua de mar como agua de reposición.

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

La composición química del agua de reposición, incluida la cantidad de minerales disueltos, puede variar ampliamente. Las aguas de reposición con bajo contenido de minerales disueltos, como las de los suministros de agua superficial (lagos, ríos, etc.), tienden a ser agresivas para 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 generar incrustaciones (depositar minerales). Aumentar la cantidad de minerales presentes en el agua mediante el ciclo puede hacer que el agua sea menos agresiva para las tuberías; sin embargo, los niveles excesivos de minerales pueden causar problemas de incrustaciones.

A medida que aumentan los ciclos de concentración, el agua puede no ser capaz de retener los minerales en solución . Cuando se ha excedido la solubilidad de estos minerales, pueden precipitarse como sólidos minerales y causar incrustaciones y problemas de intercambio de calor en la torre de enfriamiento o los intercambiadores de calor . Las temperaturas del agua de recirculación, las tuberías y las superficies de intercambio de calor determinan si los minerales se precipitarán del agua de recirculación y dónde. A menudo, un consultor profesional en tratamiento de agua evaluará el agua de reposición y las condiciones de funcionamiento 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, el pretratamiento como el ablandamiento del agua , el 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 refrigeración suelen oscilar entre 3 y 7. En 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 de agua de lluvia superficial con un contenido bastante bajo de minerales; por lo tanto, a las torres de refrigeración de esa ciudad a menudo se les permite concentrarse hasta 7 o más ciclos de concentración.

Dado que los ciclos más altos de concentración representan menos agua de reposición, los esfuerzos de conservación de agua pueden centrarse en aumentar los ciclos de concentración. ^[31] 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. ^[32]

Limpie la suciedad y los residuos visibles del recipiente con agua fría y de las superficies con biopelícula visible (es decir, limo). ^{[ cita requerida ]}

Los niveles de desinfectantes y otros productos químicos en las torres de enfriamiento y los jacuzzis deben mantenerse en forma continua y monitorearse regularmente. ^[33]

Se deben realizar controles regulares de la calidad del agua (específicamente los niveles de bacterias aeróbicas) mediante laminillas , ya que la presencia de otros organismos puede ayudar a la legionela al producir los nutrientes orgánicos que necesita para prosperar. ^{[ cita requerida ]}

Además de tratar el agua de refrigeración circulante en los grandes sistemas de torres de refrigeración industriales para minimizar la formación de incrustaciones y suciedad , el agua debe filtrarse para eliminar las partículas y también debe dosificarse con biocidas y alguicidas para evitar crecimientos que puedan interferir con el flujo continuo del agua. ^[29] En determinadas condiciones, una biopelícula de microorganismos como bacterias, hongos y algas puede crecer muy rápidamente en el agua de refrigeración y puede reducir la eficiencia de transferencia de calor de la torre de refrigeración. La biopelícula se puede reducir o prevenir utilizando clorito de sodio u otros productos químicos a base de cloro . 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 de bajo nivel continuo, y luego se alterna con una dosis de choque periódica de biocidas no oxidantes. ^{[ cita requerida ]}

Los alguicidas, como su nombre lo indica, tienen como objetivo matar las algas y otros microbios similares a las plantas que se encuentran en el agua. Los biocidas pueden reducir la materia viva restante, mejorando el sistema y manteniendo el uso eficiente del agua en una torre de enfriamiento. Una de las opciones más comunes cuando se trata de biocidas para el agua es el bromo. ^[34]

Entre los problemas que más daños y tensiones provocan en los sistemas de una torre de agua se encuentran las incrustaciones. Cuando un material no deseado o un contaminante se acumula en el agua en una zona determinada, puede crear depósitos que crecen con el tiempo. Esto puede provocar problemas que van desde el estrechamiento de las tuberías hasta bloqueos totales y fallos en los equipos. ^[34]

El consumo de agua de la torre de enfriamiento proviene de la deriva, el purgado y la pérdida por evaporación. El agua que se repone inmediatamente en la torre de enfriamiento debido a la pérdida se denomina agua de reposición. La función del agua de reposición es hacer que la maquinaria y el equipo funcionen de manera segura y estable. ^{[ cita requerida ]}

Otra razón muy importante para el uso de biocidas en torres de refrigeración es prevenir el crecimiento de Legionella , incluidas las especies que causan legionelosis o enfermedad del legionario, en particular L. pneumophila [ ^35] o Mycobacterium avium ^[36] . Las diversas especies de Legionella son la causa de la enfermedad del legionario en humanos y la transmisión se produce a través de la exposición a aerosoles (la inhalación de gotitas de niebla que contienen la bacteria). Las fuentes comunes de Legionella incluyen torres de refrigeración utilizadas en sistemas abiertos de agua de refrigeración por evaporación con recirculación, sistemas de agua caliente sanitaria, fuentes y diseminadores similares que se conectan a un suministro público de agua. Las fuentes naturales incluyen estanques y arroyos de agua dulce. ^{[37] [38]}

Investigadores franceses descubrieron que la bacteria Legionella viajó hasta 6 kilómetros (3,7 millas) 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 en laboratorio. ^[39]

La deriva (o efecto del viento) es el término que se utiliza 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, por lo general, entre el 0,001 y el 0,005 % del caudal circulante. Un eliminador de deriva típico proporciona múltiples cambios direccionales del flujo de aire para evitar el escape de gotas de agua. Un eliminador de deriva bien diseñado y bien equipado puede reducir en gran medida la pérdida de agua y el potencial de exposición a la Legionella o a los productos químicos para el tratamiento del agua. Además, aproximadamente cada seis meses, inspeccione las condiciones de los eliminadores de deriva asegurándose de que no haya espacios que permitan el flujo libre de suciedad. ^[40]

Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de los Estados Unidos no recomiendan que los centros de atención de salud realicen pruebas periódicas para detectar la bacteria Legionella pneumophila . El monitoreo microbiológico programado para Legionella sigue siendo controvertido porque su presencia no es necesariamente evidencia de un potencial para causar enfermedades. Los CDC recomiendan medidas de desinfección agresivas para limpiar y mantener los dispositivos que se sabe que transmiten Legionella , pero no recomiendan análisis microbiológicos programados regularmente para la bacteria. Sin embargo, el monitoreo programado del agua potable dentro de un hospital podría considerarse en ciertos entornos donde las personas son altamente susceptibles a la enfermedad y la 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 el monitoreo es necesario para identificar la fuente y evaluar la eficacia de los biocidas u otras medidas de prevención. ^{[41] [ verificación fallida ]}

Los estudios han encontrado Legionella en el 40% al 60% de las torres de enfriamiento. ^[42]

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• Desplazamiento por el viento o deriva  : gotas de agua que salen de la torre de enfriamiento con el aire de escape. Las gotas de desplazamiento tienen la misma concentración de impurezas que el agua que ingresa a la torre. La tasa de desplazamiento se reduce típicamente empleando dispositivos similares a deflectores, llamados eliminadores de desplazamiento, a través de los cuales debe pasar el aire después de salir de las zonas de llenado y rociado de la torre. El desplazamiento también se puede reducir utilizando temperaturas más cálidas al ingresar a la torre de enfriamiento.

• Pérdidas de agua  : gotas de agua expulsadas de la torre de refrigeración por el viento, generalmente por las aberturas de entrada de aire. En ausencia de viento, también se puede perder agua por salpicaduras o por nebulización. Para limitar estas pérdidas se utilizan dispositivos como pantallas antiviento, rejillas de ventilación, deflectores de salpicaduras y desviadores de agua.

• Columna  : corriente de aire de escape saturado que sale de la torre de enfriamiento. La columna es visible cuando el vapor de agua que contiene se condensa en contacto con el aire ambiente más frío, como el aire saturado que se forma al respirar en un día frío. En determinadas condiciones, una columna de aire de una torre de enfriamiento puede presentar peligros de formación de niebla o hielo en sus alrededores. Tenga en cuenta que el agua evaporada en el proceso de enfriamiento es agua "pura", en contraste con el porcentaje muy pequeño de gotas de agua o agua expulsada por las entradas de aire.

• Drenaje o purga  : la parte del flujo de agua circulante que se elimina (generalmente se descarga a un desagüe) para mantener la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS) y otras impurezas a un nivel aceptablemente bajo. Una mayor concentración de TDS en solución puede resultar de una mayor eficiencia de la torre de enfriamiento. Sin embargo, cuanto mayor sea la concentración de TDS, mayor será el riesgo de incrustaciones, crecimiento biológico y corrosión. La cantidad de purga se regula principalmente midiendo la conductividad eléctrica del agua circulante. El crecimiento biológico, las incrustaciones y la corrosión se pueden prevenir con productos químicos (respectivamente, biocida, ácido sulfúrico, inhibidor de corrosión). Por otro lado, la única forma práctica de disminuir la conductividad eléctrica es aumentando la cantidad de descarga de purga y, posteriormente, aumentando la cantidad de agua de reposición limpia.

• El sangrado cero para torres de enfriamiento , también llamado purga cero para torres de enfriamiento , es un proceso para reducir significativamente la necesidad de purgar agua con sólidos residuales del sistema al permitir que el agua retenga más sólidos en solución. ^{[43] [44] [45]}

• Reposición  : agua que debe agregarse al sistema de agua circulante para compensar pérdidas de agua como evaporación, pérdida por deriva, reventones, purgas, etc.

• Ruido  : energía sonora emitida por una torre de refrigeración y escuchada (grabada) a una distancia y dirección determinadas. El sonido se genera por el impacto del agua que cae, por el movimiento del aire de los ventiladores, por las aspas de los ventiladores que se mueven en la estructura, por la vibración de la estructura y por los motores, cajas de cambios o correas de transmisión.

• Enfoque : el enfoque es la diferencia de temperatura entre la temperatura del agua enfriada y la temperatura de bulbo húmedo  del aire entrante (twb). Dado que las torres de enfriamiento se basan en los principios del enfriamiento por evaporación, la eficiencia máxima de la torre de enfriamiento depende de la temperatura de bulbo húmedo del aire. La temperatura de bulbo húmedo es un tipo de medición de temperatura que refleja las propiedades físicas de un sistema con una mezcla de un gas y un 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  : en el interior de la torre se añaden rellenos para aumentar la superficie de contacto y el tiempo de contacto entre el aire y el agua, a fin de proporcionar una mejor transferencia de calor. La eficiencia de la torre depende de la selección y la cantidad de relleno. Existen dos tipos de rellenos que se pueden utilizar:
  • Relleno de tipo película (hace que el agua se extienda formando una película fina)
  • Relleno tipo salpicadura (rompe la corriente de agua que cae e interrumpe su avance vertical)

• Filtración de flujo completo  : la filtración de flujo completo filtra continuamente las partículas de todo el flujo del sistema. Por ejemplo, en un sistema de 100 toneladas, el caudal sería de aproximadamente 300 gal/min. Se seleccionaría un filtro para adaptarse a todo el caudal de 300 gal/min. En este caso, el filtro normalmente se instala después de la torre de enfriamiento en el lado de descarga de la bomba. Si bien este es el método de filtración ideal, para sistemas de mayor caudal puede resultar prohibitivo en términos de costos.

• Filtración de flujo lateral  : la filtración de flujo lateral, aunque popular y eficaz, no proporciona una protección completa. Con la filtración de flujo lateral, una parte del agua se filtra de forma continua. Este método funciona según el principio de que la eliminación continua de partículas mantendrá limpio el sistema. Los fabricantes suelen empaquetar los filtros de flujo lateral en una plataforma, junto con una bomba y controles. Para sistemas de alto caudal, este método es rentable. El dimensionamiento adecuado de un sistema de filtración de flujo lateral es fundamental para obtener un rendimiento satisfactorio del filtro, pero existe cierto debate sobre cómo dimensionar correctamente el sistema de flujo lateral. Muchos ingenieros dimensionan el sistema para filtrar de forma continua el agua del depósito de la torre de enfriamiento a una tasa equivalente al 10 % del caudal de circulación total. Por ejemplo, si el caudal total de un sistema es de 1200 gal/min (un sistema de 400 toneladas), se especifica un sistema de flujo lateral de 120 gal/min.

• Ciclo de concentración  : 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 reposición.

• Madera tratada  : material estructural para torres de refrigeración que se abandonó en gran medida a principios de los años 2000. Aún se utiliza ocasionalmente debido a sus bajos costos iniciales, a pesar de su corta expectativa de vida. La vida útil de la madera tratada varía mucho, dependiendo de las condiciones de funcionamiento de la torre, como la frecuencia de las paradas, el tratamiento del agua circulante, etc. En condiciones de trabajo adecuadas, la vida útil estimada de los elementos estructurales de madera tratada es de unos 10 años.

• Lixiviación  : Pérdida de sustancias químicas conservantes de la madera por la acción de lavado del agua que fluye a través de una torre de enfriamiento de estructura de madera.

• FRP pultruido  : un material estructural común para torres de refrigeración más pequeñas, el plástico reforzado con fibra (FRP) es conocido por sus altas capacidades de resistencia a la corrosión. El FRP pultruido se produce mediante tecnología de pultrusión y se ha convertido en el material estructural más común para torres de refrigeración pequeñas. Ofrece menores costos y requiere menos mantenimiento en comparación con el hormigón armado, que todavía se utiliza para estructuras grandes.

En determinadas condiciones ambientales, se pueden ver columnas de vapor de agua que se elevan desde la descarga de una torre de refrigeración y pueden confundirse con el humo de un incendio. Si el aire exterior está en o cerca de la saturación y la torre añade más agua al aire, se puede descargar aire saturado con gotitas de agua líquida, lo que se ve como niebla. Este fenómeno ocurre típicamente en días fríos y húmedos, pero es raro en muchos climas. La niebla y las nubes asociadas con las torres de refrigeración pueden describirse como homogenitus, al igual que con otras nubes de origen artificial, como las estelas de condensación y las huellas de los barcos . ^[46]

Este fenómeno se puede evitar disminuyendo la humedad relativa del aire saturado de descarga. Para ello, en las torres híbridas, el aire saturado de descarga se mezcla con aire calentado de baja humedad relativa. Una parte del aire entra en la torre por encima del nivel del eliminador de gotas, pasando por intercambiadores de calor. La humedad relativa del aire seco disminuye aún más instantáneamente a medida que se calienta al entrar en la torre. La mezcla descargada tiene una humedad relativa relativamente más baja y la niebla es invisible. ^{[ cita requerida ]}

En una serie de modelos y experimentos se consideraron cuestiones relacionadas con la meteorología aplicada a las torres de refrigeración, incluida la evaluación del impacto de las torres de refrigeración en el aumento de la nubosidad. Uno de los resultados del grupo de Haman indicó importantes influencias dinámicas de las estelas de condensación en la atmósfera circundante, que se manifestaron en alteraciones de la temperatura y la humedad. El mecanismo de estas influencias parecía estar asociado con el flujo de aire sobre la estela como obstáculo o con ondas verticales generadas por la estela, a menudo a una altitud considerable por encima de ella. ^[47]

Cuando se instalan torres de enfriamiento húmedo con agua de mar como reposición en diversas industrias ubicadas en áreas costeras o cerca de ellas, la deriva de gotitas finas emitidas desde las torres de enfriamiento contiene casi un 6% de cloruro de sodio que se deposita en las áreas de tierra cercanas. Esta deposición de sales de sodio en las tierras agrícolas y vegetales cercanas puede convertirlas en suelos salinos sódicos o alcalinos sódicos según la naturaleza del suelo y aumentar la sodicidad de las aguas subterráneas y superficiales. El problema de la deposición de sales de dichas torres de enfriamiento se agrava cuando no se imponen o no se implementan normas de control de la contaminación para minimizar las emisiones de deriva de las torres de enfriamiento húmedo que utilizan agua de mar como reposición. ^[48]

Las partículas suspendidas respirables de tamaño inferior a 10 micrómetros (μm) pueden estar presentes en la deriva de las torres de refrigeración. Las partículas más grandes de más de 10 μm de tamaño generalmente se filtran en la nariz y la garganta a través de los cilios y la mucosidad, pero las partículas más pequeñas de 10 μm, conocidas como PM ₁₀ , pueden depositarse en los bronquios y los pulmones y causar problemas de salud. De manera similar, las partículas más pequeñas de 2,5 μm (PM _2,5 ), tienden a penetrar en las regiones de intercambio de gases del pulmón, y las partículas muy pequeñas (menos de 100 nanómetros) pueden pasar a través de los pulmones y afectar otros órganos. Aunque las emisiones totales de partículas de las torres de refrigeración húmedas con agua dulce son mucho menores, contienen más PM ₁₀ y PM _2,5 que las emisiones totales de las torres de refrigeración húmedas con agua de mar. Esto se debe a un menor contenido de sal en el agua dulce a la deriva (por debajo de 2.000 ppm) en comparación con el contenido de sal en el agua de mar a la deriva (60.000 ppm). ^[48]

En algunas centrales eléctricas modernas equipadas con purificación de gases de combustión , como 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), lo que permite ahorrar el coste de una estructura de chimenea independiente. En las plantas sin purificación de gases de combustión, pueden surgir problemas de corrosión debido a las reacciones de los gases de combustión sin tratar con el agua para formar ácidos . ^{[ cita requerida ]}

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 no tiene la resistencia suficiente para soportar el gran peso de las torres de enfriamiento de RCC o los precios del cemento son más altos en un sitio para optar por torres de enfriamiento de tiro natural más económicas hechas de acero estructural. ^{[ cita requerida ]}

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

Durante el invierno, otros sitios operan continuamente torres de enfriamiento con agua a 4 °C (39 °F) que sale de la torre. Los calentadores de cuenca, el drenaje de la torre y otros métodos de protección contra la congelación se emplean a menudo en climas fríos. Las torres de enfriamiento operativas que funcionan mal pueden congelarse durante un clima muy frío. Por lo general, la congelación comienza en las esquinas de una torre de enfriamiento con una carga de calor reducida o ausente. Las condiciones de congelación severas 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 derivación moduladores de agua durante condiciones climáticas gélidas. En tales situaciones, se debe considerar un requisito la flexibilidad de control de los motores de velocidad variable, los motores de dos velocidades y/o las torres multicelda con motores de dos velocidades.
• No opere la torre sin supervisión. Se pueden instalar sensores y alarmas remotas para monitorear las condiciones de la torre.
• No opere la torre sin una carga térmica. Se pueden utilizar calentadores de cuenca para mantener el agua en la bandeja de la torre a una temperatura superior al punto de congelación. La cinta calefactora es un elemento calefactor resistivo que se instala a lo largo de las tuberías de agua para evitar la congelación en climas fríos.
• Mantener 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.

Las torres de enfriamiento construidas total o parcialmente con materiales combustibles pueden favorecer la propagación interna de incendios. 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 por convección natural o corrientes de aire impulsadas por ventiladores. El daño resultante puede ser lo suficientemente grave como para requerir el reemplazo de toda la celda o estructura de la torre. Por esta razón, algunos códigos y normas ^[49] recomiendan que las torres de enfriamiento 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 funcionamiento (por ejemplo, para mantenimiento o construcción), e incluso mientras la torre está en funcionamiento, especialmente los de tipo de corriente de aire inducida, debido a la existencia de áreas relativamente secas dentro de las torres. ^[50]

Al ser estructuras muy grandes, las torres de refrigeración son susceptibles a sufrir daños por el viento, y en el pasado se han producido varias fallas espectaculares. En la central eléctrica de Ferrybridge , el 1 de noviembre de 1965, la central fue el lugar de una falla estructural importante , cuando tres de las torres de refrigeración colapsaron debido a las vibraciones de vientos de 85 mph (137 km/h). ^[51] Aunque las estructuras se habían construido para soportar velocidades de viento más altas, la forma de las torres de refrigeración provocó que los vientos del oeste se canalizaran hacia las propias torres, creando un vórtice . Tres de las ocho torres de refrigeración originales fueron destruidas y las cinco restantes sufrieron graves daños. Las torres se reconstruyeron más tarde y las ocho torres de refrigeración se reforzaron para tolerar condiciones climáticas adversas. Se cambiaron los códigos de construcción para incluir un soporte estructural mejorado, y se introdujeron pruebas en túnel de viento para verificar las estructuras y la configuración de las torres. ^{[ cita requerida ]}

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Torres de enfriamiento.

• ¿Qué es una torre de refrigeración? Archivado el 7 de mayo de 2010 en Wayback Machine – Cooling Technology Institute
• "Torres de enfriamiento" – incluye diagramas – Turista nuclear virtual
• Guía para torres de enfriamiento húmedo sobre material particulado, Environment Canada.
• Impresionantes imágenes de las torres de refrigeración abandonadas de Europa, por Reginald Van de Velde, Lonely Planet, 15 de febrero de 2017 (véase también un extracto de la entrevista de radio, World Update , BBC, 21 de noviembre de 2016)