Determinación de los parámetros que provocan un ineficaz trabajo de la torre de enfriamiento de tiro inducido

Resumen

Las torres de enfriamiento se han venido desarrollando paulatinamente con el desarrollo y adecuación de nuevas tecnologías, los dispositivos de enfriamiento evaporativo han sido por décadas estudiados, implementados y dispuestos bajo las consideraciones y restricciones operativas adecuadas dentro de un sistema determinado de control. Existen gran variedad de configuraciones para los procesos de enfriamiento del agua, dependiendo de la manera en la cual se diseña y ajusta las necesidades energéticas y de flujo. El tiro inducido es la configuración más apropiada en el estudio y aplicación para las torres de enfriamiento de tamaño pequeño debido a que favorece una distribución uniforme del aire, aumentando en consecuencia la eficiencia del dispositivo.

En el presente trabajo se hace un análisis de los parámetros más influyentes en la Torre de Enfriamiento de tiro inducido perteneciente a la UEB Combinado Lácteo de Pinar del Río, ya que la misma no cumple con determinado parámetros, pues su eficiencia de trabajo se queda por debajo de la demanda requerida para la línea de helado. Para ello se emplearon diferentes metodologías dispuestas en artículos recientes donde se determinan: el caudal de reposición, la transferencia de calor, el acercamiento, el coeficiente de enfriamiento, la velocidad y caudal másico de aire, dando como resultado que el caudal de agua es menor 10.18 m3/s en comparación con el caudal de diseño, la transferencia de calor ocurrida no es la requerida para las torres de enfriamiento de tiro inducido y el acercamiento de la misma se hace menor debido a la temperatura con la cual esta trabajando.

Palabras Claves:

Tecnología, torre, enfriamiento.

Abstract

The cooling towers one has come developing gradually with the development and adaptation of new technologies, the devices of cooling evaporative have been for studied decades, implemented and willing under the considerations and appropriate operative restrictions inside a certain system of control. They exist great variety of configurations for the processes of cooling of the water, depending in the way in which is designed and it adjusts the energy necessities and of flow. The induced shot is the most appropriate configuration in the study and application for the towers of cooling of small size because it favors an uniform distribution of the air, increasing in consequence the efficiency of the device.

Presently work is made an analysis of the most influential parameters in the Cooling of Tower of induced shot belonging to the UEB Combinado Lácteo of Pinar del Río, since the same one doesn't fulfill certain parameters, because its work efficiency stays below the demand required for the line of ice cream. For they were used it different methodologies prepared in recent articles where they are determined: the reinstatement flow, the transfer of heat, the approach, the cooling coefficient, the speed and flow mass of air, giving as a result that the flow of water is smaller 10.18 m3/s in comparison with the design flow, the happened transfer of heat is not the one required for the towers of cooling of induced shot and the approach of the same one becomes smaller due to the temperature with the one which this working.

Key Words:

Technology, tower, cooling.

Introducción

Desde el surgimiento del hombre, la naturaleza le ha brindado distintas formas de sustento, abrigo y materiales para poder resolver las problemáticas que diariamente surgían ante sí. El calor y el frío estuvieron presentes en su vida desde siempre, tratar de mantener tanto uno como el otro, de forma artificial para su desarrollo inicial y mediante la tecnología después, es un reto que lo acompaña hasta el presente, en pos de desarrollar soluciones a las dificultades que ha enfrentado. Así se llega a crear dos tecnologías inseparables: la Calefacción y la Refrigeración.

En 1861 se construyó la primera instalación con refrigeración artificial, lo cual no es más que el frío recibido a cambio del consumo de energía; por consiguiente se puede considerar como un proceso de extracción de calor.

En la actualidad la refrigeración tiene gran aplicación en las áreas de la vida del hombre; se puede citar, la industria de alimentos, el comercio, la industria química, la metalurgia, el transporte, la medicina, entre otros.

La refrigeración artificial se puede realizar por dos métodos; uno se basa en la acumulación de frío natural, el otro se ejecuta en virtud de los ciclos termodinámicos inversos que se realizan en máquinas frigoríficas y que en esencia se refiere a una serie de elementos, como son; compresores, intercambiadores de calor o evaporadores, condensadores, válvulas de expansión, etc., que son necesarios para realizar el ciclo frigorífico.

Una de las diversas construcciones que se han realizado en el país que utilizan elementos de refrigeración, son los diferentes Combinados Lácteos localizados en varias provincias; en ellos tiene gran utilización las Torres de Enfriamiento.

El Combinado Lácteo de Pinar del Río es la empresa encargada de garantizar la producción de lácteos, helados, queso, entre otros alimentos, para la provincia. La garantía del proceso viene dada por la calidad del trabajo de todos los componentes de la tecnología usada para la elaboración de sus productos, dentro de los cuáles se destaca la Torre de Enfriamiento, que garantiza el correcto funcionamiento de equipos que necesitan de una adecuada temperatura de trabajo. En la actualidad el funcionamiento de esta torre de enfriamiento no cumple con determinados parámetros, su eficiencia queda por debajo de las exigencias, dado que la temperatura del agua que entrega no cumple con los requerimientos demandados. Ello provoca que los demás equipos, cuyo trabajo depende de esta agua, no puedan ser explotadas como se requiere. De ahí que se halla provocado incidencia negativa en el trabajo de varios elementos fundamentales para la elaboración de varios productos que son confeccionados en dicha entidad.

Para el desarrollo del estudio sobre las torres de enfriamiento se propone el siguiente diseño de investigación:

Diseño de Investigación.

Problema: Baja eficiencia de trabajo de la Torre de Enfriamiento de tiro inducido perteneciente a la UEB Combinado Lácteo de Pinar del Río, dado que no realiza el enfriamiento requerido del agua que circula a través de ella.

Objeto: Torre de enfriamiento.

Objetivo: Determinar los parámetros que provocan un ineficaz trabajo de la Torre de Enfriamiento de tiro inducido, perteneciente a la UEB Combinado Lácteo de Pinar del Río.

Objetivos específicos:

• Determinar el caudal de reposición en la torre de enfriamiento de tiro inducido.

• Determinar la transferencia de calor en la torre de enfriamiento.

• Calcular el acercamiento.

Tareas:

• Revisión bibliográfica acerca de intercambiadores de calor (torres de enfriamiento).

• Propuesta de mantenimiento para la torre de tiro inducido

• Valoración económica en cuanto al aprovechamiento de la torre con un buen funcionamiento.

• Valoración del impacto ambiental provocado por el equipo.

• Impacto a la defensa del país que puede provocar la torre.

Hipótesis:

Si se determina correctamente el caudal de reposición, la transferencia de calor en la torre y el acercamiento, se podrá determinar correctamente los parámetros que provocan que no se realice el enfriamiento del agua requerido en la torre de enfriamiento perteneciente al Combinado Lácteo de Pinar del Río.

Capítulo I:

Revisión bibliográfica

1.1-La refrigeración como fenómeno físico.

La refrigeración es un proceso que consiste en descender o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor nivel térmico, refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado reduciendo su nivel térmico, y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica.(Fernández Conde, 1994).

Los métodos más antiguos para enfriar son la evaporación o la utilización del hielo o la nieve naturales. En la antigüedad, para la preparación de refrescos o agua fría, se bajaba nieve de las montañas cercanas que se guardaba en pozos de nieve y, en las casas, en armarios aislados, que por esa razón se llamaban neveras.

También se aplicó desde muy temprano el método de refrigeración por agua sin cambio de estado, en procesos fabriles o incluso para enfriar bebidas poniendo los envases en un pozo o en el agua del río.

Dependiendo de los fines, la refrigeración puede hacerse de varios modos:

• Mediante un fluido que lleva el calor sin cambio de fase; por ejemplo, en un motor térmico, en el que se emplea como refrigerante aire o agua.

• Mediante una sustancia fría, antiguamente el hielo y hoy en día la criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como sal común e hielo.

Aprovechando el calor de cambio de fase de un fluido, lo cual se realiza mediante dos sistemas distintos:

• Evaporando un fluido, normalmente agua, y disipando el vapor en el ambiente exterior.

• Mediante la evaporación de un fluido en un circuito cerrado y posterior condensación, por medio de una energía externa, para repetir el ciclo.

1.2-Aplicaciones.

La refrigeración es utilizada en un área muy amplia de la vida, por ejemplo: en la climatización de espacios habitados, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio. En la conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como, por ejemplo, la producción de hielo, la conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos. En los procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear. La criogénesis[1]o enfriamiento a muy bajas temperaturas, empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas. Para el correcto funcionamiento durante mucho tiempo de equipos electrónicos. La mayoría de los equipos electrónicos requieren refrigeración, que generalmente consiguen mediante un ventilador, que hace circular el aire del local donde se sitúan, y otras veces sencillamente haciendo circular el aire por convección. (Torres de Refrigeración o Enfriamiento, 2011).

1.3-Equipos que intervienen en la refrigeración.

Para que la refrigeración ocurra es necesario de la utilización de diferentes equipos, ellos son los encargados de enfriar el líquido refrigerante, evaporarlo, darle una determinada presión para que circule por todo el sistema y regularlos, para que así se pueda realizar el ciclo de refrigeración. Entre los equipos capaces de realizar estas funciones se encuentran:

Evaporadores.

El evaporador es uno de los órganos principales de toda instalación frigorífica, es el verdadero productor de frío que absorbe calor del ambiente que lo rodea. Un evaporador de un sistema de refrigeración es un intercambiador de calor en el que el calor pasa desde la sustancia que se va a enfriar hasta el refrigerante en ebullición.

Condensadores.

El condensador es un recipiente cerrado donde se verifica la licuefacción de los vapores del refrigerante producidos por la ebullición del mismo en el evaporador y aspirados y comprimidos por el compresor. Su misión en el ciclo de refrigeración es ceder al ambiente, aire o agua de condensación, todo el calor que contienen dichos vapores, que, como se sabe, es igual a la suma de los caudales absorbidos en el evaporador del ambiente de la cámara y el correspondiente al trabajo mecánico de compresión.

Compresor.

El compresor funciona como una bomba aspirante e impelente. Su misión en refrigeración radica en las operaciones siguientes:

Admisión de los vapores de refrigerante en el cilindro.

Compresión de los vapores por el pistón.

Expulsión de los vapores comprimidos hacia el condensador.

El compresor hace circular el refrigerante[2]a través del sistema y determina su capacidad como un todo. A menos que el compresor pueda remover del evaporador la cantidad requerida de vapor, no se obtendrá la capacidad de refrigeración deseada.

Durante la compresión los vapores de refrigerante reciben cierta cantidad de energía comunicada por el trabajo mecánico del compresor que se transforma en calor y produce un aumento sensible de la temperatura de dichos vapores.

Válvulas de expansión.

Las válvulas de expansión regulan el paso del fluido refrigerante en estado líquido hacia el evaporador, introduciendo en él la cantidad justa y estrictamente necesaria para evitar que los vapores procedentes de su ebullición sean aspirados por el compresor, excesivamente recalentados, o al contrario, que lleguen al compresor porciones de refrigerante en estado líquido y además mantener las diferentes presiones necesarias, en el evaporador, para la ebullición del refrigerante a la temperatura deseada y en el condensador, para la condensación a la temperatura impuesta por el ambiente.(Curbelo, Y. 2004).

A lo largo de los años el uso de la refrigeración se ha incrementado debido a los beneficios que esta brinda. En la industria alimenticia es muy utilizada, y una de las vías donde se pone en práctica este proceso por medio de los intercambiadores de calor ya que ellos son capaces de transferir energía a través de un intercambio de temperatura.

1.4-Intercambiadores de Calor.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado con el objetivo de transferir calor de un medio a otro a diferente temperatura. En muchos casos, estos medios son dos fluidos que fluyen muy cerca el uno del otro, aunque separados por un material, generalmente metal, con buenas propiedades de transferencia de calor. El fluido de mayor temperatura transfiere parte de su calor al fluido frío a través del intercambiador de calor disminuyendo la temperatura del fluido caliente y aumentando la temperatura del fluido frío. (Guerra, 2009). (Ver Anexo No.1 y No. 2).

Clasificación.

La clasificación de los intercambiadores de calor se puede ver desde varios ángulos, aunque las tres clasificaciones más notables son:

1- Atendiendo al funcionamiento o principio de operación:

Equipos de superficie o de contacto indirecto: Los fluidos que intercambian calor se encuentran separados por una pared y no se mezclan entre sí, el calor transferido atraviesa la pared, constituyendo esta una resistencia a la transferencia de calor. Ejemplo: los intercambiadores de calor de tubo en tubo, de tubo y coraza, de placas y en espiral, entre otros.

Equipos de contacto directo o de mezcla: El intercambio de calor se efectúa directamente del fluido caliente al fluido frío, sin que exista una superficie que los separe, esto implica que junto a la transferencia de calor existe transferencia de masa. Ejemplo: las torres de enfriamiento.

2- Atendiendo a la forma en que trabaja la superficie de intercambio:

– Equipos recuperativos: Los fluidos calientes y fríos fluyen simultáneamente manteniendo su posición con respecto a la pared. Ejemplo: los economizadores en los generadores de vapor y los condensadores.

-Equipos regenerativos: El calor se transmite del fluido caliente a la pared, acumulándose en ella, por lo que la temperatura de la pared aumenta con el tiempo, posteriormente se pone en contacto con el fluido frío entregando el calor que tenía acumulado, este es un proceso no estacionario pues las temperaturas de la superficie y los fluidos varían con el tiempo. Ejemplo: los hornos para la fundición de acero y para la fabricación de vidrio.

3- Atendiendo al movimiento de los fluidos:

– Equipos de acción continua: Ambos fluidos están en continuo movimiento.

– Equipos de acción periódica: Uno de los fluidos permanece estático dentro del equipo, es decir que es una masa estancada mientras el otro es un fluido en movimiento continuo. Ejemplo: los tachos de los centrales azucareros y algunos tanques calentadores de agua.

En la actualidad es muy utilizado en los frigoríficos y combinados lácteos intercambiadores de calor capaces de disminuir la temperatura del agua que es utilizada en los equipos destinados a la refrigeración. Uno de los intercambiadores de calor idóneos para cumplir esta función es la torre de enfriamiento, que a través de la circulación del agua por la misma y teniendo contacto con el aire es capaz de disminuir su temperatura.

1.5-Torres de Enfriamiento como elementos intercambiadores de calor.

Muchos autores designan a las torres de enfriamiento de forma muyparecida, aunque difieren apenas en formas o estilos. Así se puedencitar como conceptos los siguientes:

Torres de enfriamiento. Las torres de enfriamiento son intercambiadores de calor que enfrían agua por medio de la evaporación. Este tipo de enfriadores se utiliza principalmente en los condensadores industriales. Las torres de enfriamiento son usadas cuando los rangos de enfriamiento son bajos, generalmente entre 5 y 25ºC. (Foust, 1980).

Las torres de refrigeración o enfriamiento son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales. (Torres de Refrigeración o Enfriamiento, 2011).

Torres de Enfriamiento. Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. (Perry, 1979).

Para el desarrollo de esta investigación, debido a que es un conceptomás abarcador y a fin con la problemática presentada, se toma elconcepto expuesto por el artículo Torres de Enfriamiento dispuesto en la web http: //www.quiminet.co, que plantea: "Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad extraer el calor de una corriente de agua caliente mediante aire seco y frío, que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua."

El objetivo que se persigue en la torre es que el agua esté el mayor tiempo posible en contacto con el aire, esto se logra mediante:

Una altura de torre adecuada, interponiendo obstáculos que disminuyen su avance y al mismo tiempo la van fragmentando, aumentando así la superficie de contacto aire-agua. A esta fragmentación se la denomina salpiqueo. También se puede lograr mayor contacto aire agua a través del relleno que es una parte del sistema interno de la torre que puede consistir en barras de salpiqueo u hojas verticales de diferentes configuraciones.

Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, en el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. El principio de funcionamiento de la misma consiste en: El agua se introduce por medio de boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente, con una temperatura menor a la temperatura del agua, el agua se enfría por transferencia de masa, originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de la torre. (Torres de Enfriamiento, 2011).

Como ya se ha dicho, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de la evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado gaseoso y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares.

En los sistemas más modernos, el relleno hace que se forme una película muy delgada de agua, en lugar de provocar salpiqueo de gotas. (Torres de Enfriamiento, 2011).

Figura 1. Torre de Enfriamiento.

Fuente: http://www.webdelprofesor.ula.ve

1.5.1-Tipos de Torres de Enfriamiento.

Las industrias utilizan agua de enfriamiento para varios procesos, como resultado existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez antes de su descarga, así como torres de enfriamiento de agua en que la misma puede reutilizarse en el proceso. (Torre de Enfriamiento, 2009).

Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

Torres de Circulación Natural.

1.- Atmosféricas

2.- Tiro natural

Atmosféricas: En las torres atmosféricas el agua cae en flujo cruzado con el aire. 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 el mismo principio que las torres de tiro natural pero estas son de Flujo Cruzado.

Figura 2. Torre de enfriamiento tiro Atmosféricas.

Fuente: http://www.quiminet.ve

Tiro Natural: Las torres de enfriamiento de tiro natural, generalmente tienen la forma de chimenea hiperbólica. 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.(Generalidades de las Torres de Enfriamiento, 2011).

Figura 3. Torre de Enfriamiento de tiro Natural.

Fuente: http://www.quiminet.ve

Torres de Tiro Mecánico: 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.

1- Tiro Inducido.

2- Tiro Forzado.

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.

Figura 4. Torre de Enfriamiento de Tiro Inducido

Fuente: http://www.quiminet.ve

Tiro Forzado: El aire entra a través de una abertura circular mediante un ventilador, y debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire.

Figura 5. Torre de Enfriamiento de Tiro Forzada.

Fuente: http://www.quiminet.ve

Existe otra clasificación que no entra en las de tiro natural y mecánico que son las torres de flujo cruzado la cual describimos a continuación:

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. (Róbelo Grajales, 2011).

Figura 6. Torres de Enfriamiento de Flujo cruzado.

Fuente: http://www.quiminet.ve

1.5.2-Elementos componentes de una Torre de Enfriamiento.

Una torre de enfriamiento capaz de disminuir la temperatura del agua, para que exista un adecuado funcionamiento de la misma, requiere de diversos componentes estructurales y eléctricos, entre los que se pueden mencionar:

Sistema de distribución: Son todas las partes de la torre de enfriamiento, comenzando con la conexión de entrada, que reparte el agua caliente a la torre en las zonas donde el agua está en contacto con el aire.

Boquillas: Dispositivo para controlar la distribución del agua en la parte superior de una torre de enfriamiento. Las boquillas están diseñadas para suministrar agua en forma de rocío (spray[3]a presión, o de chorro si es por gravedad.

(Ver Anexo No.3, No. 4 y No.5).

Cabezal: Tubo principal que conduce el agua a cada celda o a la tubería del sistema de distribución en cada celda.

Válvula de control de flujo: Válvula controlada manualmente, que por lo general se localiza en la línea de alimentación de agua caliente.

Empaquetadura: La empaquetadura es una estructura que se encuentra en el interior de la torre y puede ser metálica, plástica o de madera. Su función es obligar a que el agua que cae en forma de gotas permanezca la mayor cantidad de tiempo dentro del cuerpo de la torre, a fin de garantizar una óptima transferencia de calor. Así también ayuda a que el flujo de aire se distribuya uniformemente en el interior del cuerpo. Puede ser de empaque de madera, plástico o metálico.

Sistema de filtración: Uno de los problemas para el buen funcionamiento en la torre de enfriamiento es la cantidad de sólidos suspendidos que la contaminan (arena, algas, limo), que resultan en:

Incrustaciones en las conducciones que aíslan los tubos.

Altos promedios de purga de lodos.

Prematuro reemplazo de tubos.

Incremento de la caída de presión.

Estos sólidos se forman en el proceso o son arrastradas por el agua, concentrándose en las zonas de menor velocidad de flujo.

(Torres de Refrigeración o Enfriamiento, 2011)

Eliminadores de rocío: Es un ensamble fabricado de madera o metal, el cual sirve para retener las gotas de agua arrastradas por el aire. Se localizan en la zona de descarga del aire. (Ver Anexo No. 6).

Depósito de agua fría: Elemento estructural localizado en la parte inferior de la torre de enfriamiento para recibir el agua fría de la torre y dirigirla a una línea de succión o al cárcamo[4]Los materiales de construcción son: madera tratada, metal, fibra de vidrio o concreto.

Persianas: Ensambles instalados en las entradas de aire de la torre de enfriamiento para eliminar el salpiqueo de agua.

La parte eléctrica de la torre que es capaz de impulsar el aire a través de la instalación consta de:

Motor eléctrico: Suministra la potencia necesaria al ventilador. (Ver Anexo No. 7).

Flecha de transmisión: Transmite el movimiento del motor al reductor de velocidad. Se fabrica en acero galvanizado, acero inoxidable o fibra de carbono.

Reductor de velocidad: Dispositivo formado por engranajes y rodamientos cuya misión es reducir las revoluciones del motor eléctrico según los requerimientos de velocidad del ventilador.

Ventilador: Impulsa el aire a través del relleno en torres de tiro mecánico, compensando la caída de presión del aire a través de la torre. Se fabrica con aspas de aluminio o de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio. (Ver Anexo No. 8 y No. 9).

Soporte: Sustenta físicamente todo el equipo mecánico.

(Generalidades de las Torres de Enfriamiento, 2011).

Ventajas y desventajas que presentan las Torres de Refrigeración.

El uso de refrigeración por agua en sistemas de climatización es mucho más barato que el empleo de aire, entre estas tecnologías se encuentran las torres de enfriamiento que debido a su principio de funcionamiento y diversidad presentan varias ventajas y desventajas, las cuales se presentan a continuación:

Ventajas:

Las torres de refrigeración pueden alcanzar dimensiones muy grandes y altas capacidades, pudiendo incluso dar servicio a las centrales nucleares donde se necesitan enfriar grandes volúmenes de agua.

Permiten una gran flexibilidad en su operación, pudiendo trabajar a mayor o menor capacidad dependiendo de las exigencias puntuales de la planta.

Desventajas:

Por la naturaleza del proceso evaporativo, las sales minerales disueltas en el agua tienden a concentrarse en cada nuevo ciclo de recirculación, provocando:

Incrustaciones en las conducciones y el relleno. Estas incrustaciones son responsables de problemas como la reducción de la eficiencia y capacidad de la torre debido a la disminución de la transferencia de calor. Además, el peso añadido puede dañar el relleno e incluso la estructura que sustenta la torre.

Crecimiento de microorganismos. La torre presenta unas condiciones de temperatura y humedad estables junto con una ausencia de luz. Esto es un caldo de cultivo ideal para el crecimiento de algunos microorganismos como la Legionella[5](Torres de Enfriamiento, 2011)

Influencias externas sobre las torres de enfriamiento.

Las torres de enfriamiento se diseñan según determinadas regiones y condiciones de trabajo, muchas veces son expuestas a situaciones no favorables y se presentan problemas en ellas como:

Recirculación: Se define como una adulteración de la atmósfera de entrada a la torre por la atmósfera de salida de la misma. El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a la torre de enfriamiento, es decir, por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente, y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre.

Restricción del flujo de Aire: A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de bulbo húmedo particular la temperatura del agua fría producida por una torre de enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará. Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se preocupan en diseñar correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que estos son los que mueven el aire contra la presión estática encontrada dentro de la torre.

Viento: Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar el potencial de la torre de enfriamiento a la recirculación. No solamente la curvatura creada por el aire de salida en la dirección del flujo del viento, sino también se crea una zona de baja presión en la cual puede formarse una porción de niebla, si la admisión de aire a la torre está en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla.

Interferencia: Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden Interferir con el desempeño térmico de la misma. Estas interferencias pueden ser causadas por otras instalaciones de la planta u otros equipos. (Torres de Enfriamiento, 2011).

1.5.3-Circulación del flujo de agua en una Torre de Enfriamiento.

El flujo de agua alrededor de un sistema de torre de refrigeración húmeda está determinado por las variables de funcionamiento estructurales, flujo en circulación, agua evaporación, caudal de reposición, pérdidas por arrastre:

Figura 7. Diagrama de variables en una Torre de Enfriamiento.

Fuente: http://www.depa.pquim.unam.mx

M –Caudal de reposición en m³/h.

C – Agua circulante en m³/h.

D – Trasegado de agua en m³/h.

E – Agua evaporada en m³/h.

W – Pérdida por viento de agua en m³/h

En el boceto anterior, el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua refrigerante encaminada a través de enfriadores del proceso y los condensadores en una instalación industrial. El agua fría absorbe calor de las corrientes calientes del proceso que necesitan ser enfriadas o condensadas, y el calor absorbido calienta el agua circulante (C). El agua calentada vuelve a la cima de la torre de refrigeración y cae en chorros finos, presentando gran superficie para su enfriamiento con el aire, sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, el contacto con el aire que sube por la torre, por tiro natural o forzado por grandes ventiladores. Este contacto provoca que una pequeña cantidad de agua sea pérdida por arrastre del viento (W) y otra parte del agua (E) por evaporación. El calor necesario para evaporar el agua se deriva de la propia agua, que enfría el agua a su regreso al depósito original y en donde queda a disposición para volver a circular. El agua evaporada deja las sales que lleva disueltas entre el grueso del agua que no ha sufrido la evaporación, lo que hace que la concentración de sales se incremente en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sales en el agua llegue a ser demasiado alta, una parte del agua es retirada (D) para su vertido. Se suministra al depósito de la torre nuevo contingente de agua fresca (M) para compensar las pérdidas por el agua evaporada, el viento, y el agua retirada. (Torres de Enfriamiento, 2011).

Otras variables importantes a conocer que están presentes en una torre de enfriamiento son las siguientes:

• Temperatura del bulbo húmedo (TBH): Es la temperatura de equilibrio dinámico que se alcanza en la superficie del agua cuando el flujo del calor transferido a la superficie por convección se iguala con el flujo de masa transferida fuera de la superficie. Se da en °C o °F. . (Polaino de los Santos, L; Castilla Rosell, S; Padrón Fraga, V., 1987).

• Aproximación al bulbo húmedo (AP): Es la diferencia entre la temperatura del agua fría y la temperatura del bulbo húmedo.

Humedad absoluta: Expresa el contenido de vapor en el aire.

Volumen húmedo: Es el volumen ocupado por una mezcla de aire y vapor que contiene una unidad de masa de aire seco y su correspondiente vapor acompañante a la temperatura y presión dominantes.

Entalpía: Es una expresión de la energía del aire húmedo. El valor de esta propiedad depende de los estados de referencia que se tomen, los cuales son arbitrarios. (Olivera Fuentes, 1997).

Acercamiento: Es la diferencia de temperatura entre la temperatura que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire del exterior, a medida que esta diferencia es más pequeña mucho más difícil será el proceso de enfriamiento y mayor será la altura de contacto requerida.

El coeficiente de enfriamiento (n): Es una propiedad intensiva de los materiales que cuantifica la relación entre la variación de la propiedad física de un material y el cambio de temperatura. Por tanto, es el cambio relativo de una propiedad física cuando la temperatura se cambia un 1 K. En este caso está influenciado por la relación de los caudales másicos aire/agua. Para este cálculo se requieren la temperatura límite de enfriamiento (Tf1) y la temperatura del agua fría en la salida de la torre (Tw2).

Límite de enfriamiento: Es la temperatura del agua fría que se puede alcanzar en un caso extremo. Ésta coincide con la temperatura de bulbo húmedo (Tf) del aire ambiente.

1.5.4-Transferencia de masa y calor en torres de enfriamiento.

La investigación temprana en los dispositivos de enfriamiento se ha visto enfrentada a lidiar con las restricciones y consideraciones surgidas a partir de la transferencia simultánea de materia y energía dentro de los dispositivos de enfriamiento. La teoría de Merkel sobrelleva estas limitaciones fenomenológicas combinando las dos resistencias en un único proceso basado en el Potencial Entálpico.

Merkel desarrolló una teoría para torres de enfriamiento referente a la transferencia de masa (evaporación de una pequeña porción de agua) y la transferencia de calor sensible entre el aire y el agua en un equipo de enfriamiento en contracorriente. La teoría considera el flujo de masa y energía del volumen de agua en la interfase y desde la interfase hacia los alrededores de la masa de aire. El flujo cruza estos dos límites, cada uno representando una resistencia debida a los gradientes de temperatura, entalpia y relación de humedad. Merkel demostró que la transferencia total de calor es directamente proporcional a la diferencia entre la entalpia del aire saturado a la temperatura del líquido (agua), y la entalpia de aire en el punto de contacto con el agua.

Capítulo II:

Materiales y métodos

2.1-Breve descripción de la Empresa UEB Combinado Lácteo de Pinar del Río.

La Empresa Productos Lácteos de Pinar del Rio, con domicilio legal en Km uno y medio Carretera Borrego, Municipio Pinar del Río, fue creada el 15 de diciembre de 1976, la misma tiene como objeto social:

• Producir y comercializar leche fluida, mezcla física, yogurt, helados, quesos, productos dietéticos y otros productos lácteos y sus análogos derivados de leche y soya, así como sabores, estabilizadores y aditivos.

• Producir y comercializar productos de confitería y pulpa de frutas y vegetales.

• Comercializar leche fresca, en polvo y productos lácteos y sus derivados.

Figura 8. Localización del Combinado.

Fuente: http://www.googleearth.com

La torre de enfriamiento, ubicada en la línea de helado con el objetivo de hacer circular el agua fría hacia el chiller y a la fabricadora continua de helado modelo PC 1000 cuenta con las siguientes dimensiones:

Tabla 1: Dimensiones de la torre.

Fuente: Autor.

Figura 9. Torre de tiro Inducido.

Fuente: Autor.

La torre posee boquillas que fueron reemplazadas para mejorar el cono de aspersión y se le colocó láminas de plástico en paquetes de 0.30m X 1.0m, los mismos obligan al agua a descender por dentro de laberintos por los que también en el mismo momento recircula una cantidad de aire freso, de forma ascendente, el cual es extraído mediante la utilización del extractor que está ubicado en la parte superior del equipo al que también como parte de la soluciones realizadas al equipo se le insertó en la entrada un aro de chapa para poder redirigir mejor la entrada del aire al mismo, resultando más eficiente, y de esta manera toda el agua que se bombee y pase por todo este sistema se refresque instantáneamente y se reutiliza en el proceso de enfriamiento nuevamente, también a la torre se le introdujo un serpentín con recirculación de agua helada el que mediante operación manual se puede refrescar aún más el agua del interior de la torre si es necesario.

Tabla 2. Datos del moto fan ubicado en la parte superior de la torre.

Fuente: Autor.

La torre de enfriamiento cuenta además con tuberías de ¾ de diámetro, una bomba de 1445 rpm, y válvulas reguladoras que permiten el paso del flujo del agua a través de las tuberías.

Instrumentos de medición empleados:

Cinta métrica: Cinta métrica o un flexómetro es un instrumento de medida que consiste en una cinta flexible graduada y se puede enrollar, haciendo que el transporte sea más fácil. También se pueden medir líneas y superficies curvas. El instrumento posee un error de 0,01cm.

Termómetro: Termómetro de bulbo húmedo, para medir la influencia de la humedad en la sensación térmica. Junto con un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío. El instrumento consta de un error de dos grados Celsius.

Para obtener el resultado final de las temperaturas se realizaron 5 mediciones, 2 en enero, 2 en febrero y una en mayo.

Como parte de las variables de diseño que se analizan en las torres de enfriamiento se encuentran las siguientes:

2.2-Cálculo del Volumen Húmedo, Entalpía del agua, Entalpía del aire.

Para determinar el cálculo de las variables de volumen, y entalpías se utilizó la metodología descrita en el artículo "Las torres de refrigeración por agua" dispuesta en la web: http://www.quiminet.com/articulos/las-torres-de-refrigeracion-o-enfriamiento-15350.htm.

El flujo productivo está determinado por las variables de funcionamiento estructurales: caudal de reposición, agua en circulación, agua evaporada y las pérdidas por el viento: