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ingenieria de operaciones
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TORRES DE ENFRIAMIENTO
1. INTRODUCCIÓN
La instrumentación, diseño y simulación de dispositivos de enfriamiento de agua ha
constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de referencia en el estudio,
comprensión y aplicación de la fenomenología de los mecanismos de transferencia de
masa, energía y cantidad de movimiento. Los equipos de enfriamiento de sistemas
simples como lo es el sistema aire y vapor de agua constituyen una base fundamental en
estudios preliminares de gran aplicación a nivel industrial.
Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por
vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente
de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato.
En esta presentación se estudiarán los conceptos básicos de lo que es una torre de
enfriamiento, también se explicará la clasificación de las Torres de enfriamiento,
además se expondrán los tipos de empaque y rellenos que componen la torre.
2. OBJETIVOS
Tener un conocimiento de cómo funciona una torre de enfriamiento.
Averiguar cómo se clasifican las torres de enfriamiento
Cuáles son los componentes básicos.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
Las torres de enfriamiento son un tipo especial de columnas rellenas, que permiten
enfriar agua de proceso a gran escala a través del contacto con aire. Las torres de
enfriamiento son básicamente diseñados para el enfriamiento y la conservación o
recuperación del agua empleada en los condensadores, cuando se trabaja con un circuito
de agua cerrado. El agua caliente procedente del condensador es bombeada a la parte
superior de la torre desde donde cae o es pulverizada hacia la parte inferior de la misma.
La temperatura del agua se reduce y cede calor al aire que circula a través de la torre.
(Sanchez, 2001)
El efecto de enfriamiento en la torre de recuperación es debido a la evaporación de parte
del agua que circula a través de la torre. Este vapor, resultado del proceso de
evaporación, es eliminado a través del aire que circula en el interior del equipo. Dado
que la temperatura y el contenido de humedad del aire se incrementan cuando este pasa
a través de la torre, es evidente que la efectividad de la torre depende de la temperatura
del bulbo húmedo del aire. Cuando más baja sea la temperatura del bulbo húmedo del
aire mayor es la efectividad de la torre de enfriamiento.
3.1 FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE EL RENDIMIENTO DE UNA
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Son todos los que gobiernan el grado de evaporación agua-aire.
Diferencia media entre la presión de vapor del aire y del agua en la torre.
Cantidad de superficie cubierta con agua expuesta y tiempo de exposición.
Velocidad del aire que circula a través de la torre.
Dirección del flujo de aire en relación con la superficie de agua expuesta.
Para una determinada temperatura del agua a la entrada de la torre, la diferencia de
presiones de vapor es esencialmente función de la temperatura del bulbo húmedo del
aire que entra. En general, cuando más baja sea la temperatura del aire a la entrada, más
elevada es la diferencia de presiones de vapor y mayor la capacidad de la torre.
La superficie de agua expuesta incluye:
superficie de agua en la base de la torre
todas las superficies humedecidas en la torre.
la superficie de las gotas cayendo a través de la torre.
Teóricamente, la temperatura más baja a la cual el agua puede ser enfriada en una torre
de recuperación es la temperatura del bulbo húmedo del aire a la entrada, en cuyo caso
el aire que deja la torre estará en condiciones de saturación. En la mayoría de los casos,
la temperatura del agua que deja la torre será de 7 a 10oC superior a la temperatura del
bulbo húmedo del aire a la entrada. El aire que deja la torre estará próximo a su
saturación.
La diferencia de temperatura entre el agua que abandona la torre y la temperatura del
bulbo húmedo del aire a la entrada de la misma se denomina “aproximación de torre”.
Como regla general, en igualdad de otras condiciones, a mayor cantidad de agua
circulando sobre la torre más próximas se encontraran la temperatura de salida del agua
y la temperatura del aire a la entrada. Sin embargo, la cantidad de agua que puedes ser
circulada económicamente sobre la torre está limitada por la potencia de la bomba.
La reducción de temperatura experimentada por el agua a través de la torre (diferencia
entre la temperatura del agua que entra y la que abandona la torre) es denominada
“rango de la torre”.
La carga de una torre de recuperación puede ser medida aproximadamente teniendo en
cuenta el caudal de agua que circula y la temperatura de entrada y salida de la misma de
la torre.
Q=m∗C p∗(t entrada−t salida )
Además de las pérdidas de agua por evaporación, existen otras por arrastre y por
sangrado. Una pequeña cantidad de agua en forma de pequeñas gotas es arrastrada por
el aire que circula a través de la torre. Estas pérdidas de agua son denominadas perdías
por arrastre, dependiendo las mismas del diseño de la torre y de la velocidad del viento.
El sangrado es realizado de forma continua o intermitente sobre un cierto porcentaje del
agua que circula, al objeto de evitar un aumento en la concentración de solidos disueltos
y otras impurezas en el agua de condensación. Sin el sangrado, la concentración de
solidos disueltos en el agua aumentara como consecuencia de la evaporación que tiene
lugar en la torre.
La cantidad de sangrado requerido para mantener la concentración de solidos disueltos
dentro de un nivel razonable depende de:
grado de enfriamiento
flujo de agua
condiciones iniciales del agua.
El sangrado debe ser realizado en la línea caliente cerca de la parte superior de la torre,
de tal forma que el agua es sangrada solo cuando la bomba está en marcha.
Las pérdidas de agua por evaporación oscilan entre el 0.85 y el 1.25% del agua de
circulación, cuando esta sufre un enfriamiento de aproximadamente 6oC en su paso por
la torre. Las pérdidas por arrastre se estiman de 0.1 a 1% en torres de circulación
natural, y de 0.1 a 0.3% en torres de circulación forzada, tomándose el menor valor de
cada uno de los expuestos para las modernas torres.
Estas pérdidas hay que reponerlas con aportes de agua. El caudal de agua de reposición
se puede calcular en función de los datos anteriores y de la máxima concentración de
sales que se permita. El aporte de agua para reemplazar las pérdidas por evaporación,
arrastre y sangrado es bombeado hacia la base de la torre a través de una válvula de
flotador la cual tiende a mantener constante el nivel de agua en la base.
3.2 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Calculo de las condiciones en los extremos y a lo largo de la columna.
a) Balance Global:
L1 + G2 = L4 + G3
b) Balance de Agua:
L1 + Gs2 Y2 = L4 + Gs3Y3
c) Por consiguiente:
Gs2 = Gs3 = Gs
Factorizando la ecuación del inciso b):
L1 - L2 = Gs (Y2 - Y 1)
Llegamos a la conclusión de que:
Agua evaporada = Agua que absorbe el aire.
d) Balance de Calor (Basado en l kg de aire seco)
L1 H1 + Gs2 H2 = G s 3 H 3 + L4 H4 L
e) Sustituyendo la ecuación del inciso c) en la del inciso d) y factorizando obtenemos:
L1 H1 + Gs (H2 - H3) = L4 H4
f) Rearreglando la ecuación anterior: Gs (H2 - H3) = L4 H4 - L1 H1
Llegamos a la conclusión de que:
Calor absorbido por el aire = calor perdido por el agua
3.3 LÍNEA DE OPERACIÓN
En las condiciones de operación correctas, para una torre de enfriamiento, se tiene
que el flujo de líquido a la entrada de la torre es aproximadamente igual al flujo de
agua a la salida.
L 4 = L1
La ecuación de balance de calor es:
Gs (H 2 - H 3) = L4 H4 - L1 H1
Calor absorbido por el aire = Calor perdido por el agua
Entonces simplificando la ecuación de balance de calor y sustituyendo los
subíndices 2 , 3 y 1, 4 por “ g” de gas y “L” de líquido respectivamente se tiene:
Gs Hg = L HL
Sustituyendo el valor de H = CpL (t L2 - t L1) para el líquido.
Gs Hg = L CpL (t L2 - t L1)
Esta ecuación permite trazar una recta que relaciona las entalpias del aire y las
temperaturas del agua a lo largo de la torre, esta recta se llama línea de operación y pasa
por los puntos que representan las condiciones del proceso en la parte inferior (H2 , T4 )
y superior (H3 , T1 ) de la torre; su pendiente es:
H g
tL=LC pLGs
La línea de operación se traza junto con la curva de equilibrio entalpía vs temperatura
para el sistema aire agua.
3.4 CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES EN BASE SECA.
AIRE SECO: Es el aire libre de humedad; los balances se basan en el aire seco porque,
es el componente de la fase gaseosa, que no varía su composición.
a) Cálculo de aire seco en masa usando el volumen húmedo:
Se necesita:
El flujo de aire húmedo G que se alimenta a la torre en metros cúbicos por hora.
El volumen húmedo Vh para la mezcla aire - vapor de agua en metros cúbicos por
kilogramo de aire seco que está dado por la siguiente relación:
Vh= 129
+ Y18
+ 0.082TP
En donde la presión total P esta expresada en atmósferas y la temperatura T en ºK
La ecuación para el cálculo del aire seco:
Gs= GVh
Unidades
Gs=kg A.S/h
b) Cálculo de aire seco en masa usando la fracción mol:
Se necesita:
El flujo de aire húmedo G que se alimenta a la torre en kilogramos por hora
Gs=kg A.S/h
La humedad absoluta Y en kilogramos de vapor de agua por kilogramo de aire seco
que son unidades de concentración expresada como relación masa ; lo que permite
obtener la fracción masa del vapor de agua en kilogramos de vapor de agua por
kilogramo de aire húmedo.
Se tienen las siguientes relaciones prácticas que relacionan la humedad absoluta “Y”
y la fracción masa de vapor “Y v” de agua asi:
Y v=YY +1
Y= YY−1
La fracción de aire seco en la mezcla gaseosa yg en kilogramos de aire seco por
kilogramos de aire húmedo.
Como yv + yg = 1 por lo tanto yg = 1 - yv
La ecuación para el cálculo del aire seco es:
Gs = G (1 - yv )
G = flujo de mezcla gaseosa (aire húmedo)
Vh = volumen húmedo
Gs = flujo de aire seco
Y = humedad absoluta
yv = fracción de agua en la mezcla gaseosa
yg = fracción de aire seco en la mezcla gaseosa
3.5. CÁLCULO DE LAS ENTALPÍAS
a) Entalpía para el agua:
Se necesita:
La temperatura del agua de entrada o de salida de la torre, según sea la entalpía a
calcular en ºC.
La temperatura de referencia To que se toma como 0°C.
El calor específico del agua CpL en Kcal / Kg ºC.
La ecuación para el cálculo de la entalpía del agua.
HL = CpL (TL - T0)
Las unidades finales son: HL = Kcal / Kg
b) Entalpía para el aire
Es la suma del calor sensible de un kilogramo de aire más el calor latente de
vaporización del vapor que contiene.
Hg = Ch (t - t0) + λ0 Y
Se necesita:
La temperatura del aire “t“ (mezcla gaseosa) en la entrada o en la salida de la torre,
según sea el caso.
La humedad absoluta Y en kilogramos de vapor de agua por kilogramo de aire seco.
El calor específico del aire húmedo Ch en Kcal /Kg de aire ºC.
Ch = (Cpaire + Cpagua Y) = 0.24 + 0.46 Y
El calor latente de vaporización del líquido a la temperatura de referencia de 0ºC
igual a 597.2 Kcal /Kg.
La ecuación para el cálculo de la entalpía.
Hg = (0.24 + 0.46 Y) t + 597.2 Y
Donde:
to = temperatura de referencia (0°C)
Cp aire= 0.24
Cp agua = 0.42
t = temperatura de bulbo seco del aire
3.6 EQUILIBRIO LÍQUIDO-GAS. LEY DE RAOULT
A presiones menores de diez atmósferas se supone que los gases forman soluciones
ideales, aunque sus componentes no lo sean ,con esta simplificación el equilibrio
líquido-gas es:
CAL xA fAL = CAG yA fAV
En donde:
f AL = fugacidad parcial del componente A en la fase líquida.
f AV = fugacidad parcial del componente A en la fase gaseosa.
C AL = Coeficiente de actividad del componente A en la fase líquida.
x A = fracción mol del componente A en la fase líquida.
C AG = Coeficiente de actividad del componente A en la fase gaseosa
yA = fracción mol del componente A en la fase gaseosa
A presiones bajas se pueden igualar las fugacidades con las presiones, f AL = pºA f
AY = P por lo tanto se obtiene la siguiente ecuación:
CAL x A pºA = C AG y A P
Si el líquido es una solución ideal entonces el coeficiente de actividad de CAL en el
líquido es uno y CAG = 1 por ser un gas a bajas presiones; por lo que se modifica la
ecuación anterior y se obtiene la ley de Raoult.
x A pºA = yA P = pA
En donde:
pºA = presión de vapor del componente A
pA = presión parcial del componente A en el gas
P = presión total
En las operaciones de humidificación y deshumidificación, la fase líquida está
formada por un solo componente y entonces x = 1
En el equilibrio pA = pºA entonces la ecuación de Raoult para el equilibrio la
podemos escribir tomando en cuenta la presión de vapor.
pºA = yA P
Existe una relación entre la fracción mol “y” y la humedad “Y” puesto que la
concentración del vapor de agua en la fase gaseosa se expresa en función de la humedad
absoluta, que se define como los Kg de vapor de agua que contiene cada Kg de aire
seco. Si hacemos este cambio en la ecuación y la presión de vapor la escribimos como
función de la temperatura obtenemos lo siguiente:
P0 A (T )= Y /18Y /18+1 /29
∗P
Masa molecular del vapor de agua = 18; Masa molecular del aire (fase gaseosa) = 29.
Si despejamos la humedad “Y” de esta ecuación obtenemos la humedad en el equilibrio
o humedad de saturación “Ys”.
Y s=
P0 A (T )P−P0 A (T )
∗18
29
3.7 ALTURA DE LA TORRE
De la deducción de la ecuación de diseño para torres de enfriamiento se tiene la
siguiente expresión
GsdH=k ya (Hi−H )dZ
De la que se despeja dZ
dZ= Gsk y a
∫ dHHi−H
Ecuación que es difícil de determinar porque no se conocen las condiciones en la
interfase, por lo que se expresa en función del coeficiente global de transferencia de
masa y de las condiciones en el equilibrio que si se conocen.
∫ dZ= Gsk y A
∫ dHH ¿−H
Por definición:
NTU=∫ dHH ¿−H
HTU= Gsk y A
Entonces Z = HTU * NTU
Z = Altura de la Torre
Gs = Flujo de aire seco
Ky = Coeficiente de transferencia de masa Kgmol /m2 s
A = Área empacada de la torre
a = Área de transferencia
H = Entalpía del gas Kcal /Kg
H* = Entalpía del gas en el equilibrio
NTU = Número de unidades de transferencia
4. CLASIFICACIÓN DE TORRES DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento pueden clasificarse de muchas maneras. Una de ellas hace
referencia al tipo de relleno utilizado (relleno laminar o relleno de goteo). Otro tipo se
da de acuerdo con la forma en que ocurre el intercambio entre el agua y el aire. La
clasificación que estudiaremos será la de tipo natural, mecánica y de flujo cruzado.
A. DE ACUERDO AL INTERCAMBIO ENTRE EL AGUA Y EL AIRE
A.1. CIRCULACIÓN NATURAL
A.1.1 TIRO NATURAL (CONTRACORRIENTE)
Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica (Ver
figura 4). En ellas el agua caliente proveniente del proceso se pone en contacto con el
aire, provocando su calentamiento y su ascenso como consecuencia de la disminución
de su densidad. El aire ascendente provoca una depresión en la parte inferior de la torre
generándose la posibilidad de la admisión de aire fresco.
Estos equipos presentan bajos costos de mantenimiento y de operación debido a que no
tienen consumo eléctrico, se emplean para manejar grandes capacidades de enfriamiento
y requiere bajas temperaturas de aire a la entrada, son comúnmente utilizadas en
centrales eléctricas o industrias de gran tamaño. Algunas de las características ya
mencionadas se pueden resumir a continuación:
Movimiento del aire generado por la diferencia de densidades entre el húmedo
caliente y el atmosférico.
Óptimo para grandes caudales de agua.
Bajos costes de mantenimiento
Formación de nieblas (contaminante térmico).
Aplicación fundamental: centrales térmicas.
A.1.2. TORRES ATMOSFÉRICAS (FLUJO CRUZADO)
En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire (Ver figura 5). Éstas
presentan bajos costos de mantenimiento, con ellas no es posible lograr acercamientos
pequeños y pueden ser construidas con rellenos o sin rellenos. Las torres atmosféricas
tienen en mismo principio que las torres de tiro natural pero estas son de flujo cruzado y
presentan otro tipo de estructura y no del tipo chimenea hiperbólica.
El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas
aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes
para el movimiento del aire.
A.2. CIRCULACIÓN MECÁNICA
El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o
compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios.
El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las
dos formas siguientes:
A.2.1 TIRO INDUCIDO
El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte
superior de la torre. Son las más utilizadas.
A.2.2 TIRO FORZADO
El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la
parte superior. Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire
caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja
velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre.
El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y además
permite una distribución interna más uniforme del aire.
A.3. TORRES DE FLUJO CRUZADO
El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae.
Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope.
Las torres de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo
que las torres a contracorriente.
B. DE ACUERDO AL TIPO DE EMPAQUE O RELLENO UTILIZADO
Parte del sistema interno de la torre puede consistir en barras de salpiqueo u hojas
verticales de diferentes configuraciones y materiales; con el objeto de fragmentar el
agua, aumentar el tiempo de contacto entre esta y el aire frío que fluye dentro de la torre
de enfriamiento.
Fig 1.Calsificacion de empaques en torres de enfriamiento.
B.1 RELLENO LAMINAR
Consiste en unas delgadas y cercanamente espaciadas superficies plásticas (PVC) sobre
las cuales el agua es dispersada formando una película en contacto con el aire. Estas
superficies pueden ser planas, corrugadas en forma de colmena (honeycomb) o de otros
patrones de configuración y disposición, la eficiencia de éste tipo de relleno es mayor
debido a la uniformidad para la transferencia de calor y además disminuye el volumen.
El diseño en el relleno celular proporciona cambios direccionales en el flujo de aire y
agua para aumentar el enfriamiento y promover la eficiencia térmica que a su vez
reduce sustancialmente la aparición de incrustaciones.
Fig 2. Empaques laminar.
B.2 RELLENO SALPIQUEO
El agua cae continuamente sobre sucesivas capas de barras horizontales, rompiéndose
en pequeñas gotas, mientras que humedecen la superficie del relleno. Rellenos plásticos
tipo salpique favorecen la transferencia de calor mucho mejor que los fabricados en
madera.
Su configuración hace que el agua se escurra en la forma de micro salpiqueo con efecto
de auto lavado, lo que le permite operar con aguas contaminadas por productos
químicos o con sólidos en suspensión y está especialmente diseñado para obtener gran
eficiencia en el cambio térmico con muy baja tendencia a la incrustación.
Fig 3. Empaques de salpiqueo.
5. CONCLUSIONES
En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente
que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y
materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto
aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre
por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando
pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire
atmosférico.
Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la producción de agua
de proceso que sólo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay
torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se
suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar
gran superficie de contacto entre al aire y el agua.
6. RECOMENDACIONES
Cada 6 meses se recomienda una inspección de los rellenos, evaluar su posición y
realizar limpieza manual para retirar algas, hongos y demás incrustaciones.
Puede realizarse una limpieza anual de las balsas.
Evaluar el rendimiento de las bombas y de los ventiladores periódicamente.
Deben realizarse evaluaciones de la calidad del agua de recirculación para evitar
niveles de acidez y alcalinidad inadecuados que generen problemas de
incrustaciones en los rellenos, corrosión en las tuberías y erosión sobre los
materiales.
7. BIBLIOGRAFÍA
FOUST, Alan S. PRINCIPLES OF UNIT OPERATIONS, Second Edition, Chapter
15 and 17, JOHN WILEY & SONS 1980.
[2] G. J. Van Wylen & R. Sonntag, Fundamentos de Termodinámica, (19º edición,
México, editorial Limusa, 1995), pp. 461.
Problemas de Ingeniería Química, JOAQUIN OCON GARCIA & GABRIEL TOJO
BERREIRO.
Torres de refrigeración, Manuales técnicos y de inducción para conservación de
energía, Centro de estudios de la energía Madrid esp, 1983. 177p.
“Cooling Water Calculations”, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical
Engineering, Agosto 1, 1977.
Manual del ingeniero químico, tomo 1. John H. PerryEd. Hisopanoamericano 3 ed.
