Enfriamiento de agua: torres de enfriamiento
En los diferentes procesos de producción hay puntos en los que es necesario eliminar calor, siendo el agua el fluido utilizado en la mayoría de los casos. El consumo progresivo de agua, el precio creciente y la escasez, en algunos casos, aconsejan emplear circuitos cerrados de refrigeración. La reutilización del agua obliga a que ésta sea enfriada, para lo cual se usan torres de enfriamiento, empleando como refrigerante el aire.
La torre de enfriamiento es una instalación en la que se pone en contacto el agua a enfriar con el aire en contracorriente. El aire no saturado en contacto con el agua tiende a aumentar su humedad; el agua al evaporarse toma el calor latente de vaporización de ella misma y por consiguiente se enfría.
Una torre de refrigeración es un intercambiador de calor de tipo evaporativo y contacto directo. Se produce paso de calor de un fluido a otro; el enfriamiento (un 90%) es debido al intercambio de masa entre los dos fluidos por evaporación de parte del agua. El agua entra por la parte superior de la torre. En su interior hay un relleno (tablillas de madera, plástico, fibra, cemento) que mejora el contacto y favorece el intercambio de masa y calor. Otros componentes importantes de una torre de enfriamiento son:
Sistema de distribución del agua, para repartir uniformemente el agua caliente sobre el relleno. Se emplean tuberías con toberas de presión para pulverizar el agua.
Separador de gotas, situado encima de la entrada de agua y antes de que la corriente de aire abandone la torre. Evitan el arrastre de gotas de agua fuera de la torre.
Balsas para la recogida del agua fría.
En las torres de tiro forzado, ventilador o extractor (torres grandes).
Todo soportado sobre estructuras construidas de hormigón armado, ladrillos, poliéster.
Tipos de torre de enfriamiento
Torre de enfriamiento de tiro natural.- Las torres pueden ser de tiro natural, figura Nº 13, el aire circula por el efecto chimenea producido por la presencia en la torre de aire y vapor con una temperatura más alta y que por tanto es menos densa que el aire atmosférico y es capaz de ascender. Alcanzan alturas entre 100 y 140 m. El 10 o 12 % de la altura lo ocupa el relleno, la parte superior está vacía y sirve para aumentar el tiro.
Figura Nº 13. Torre de enfriamiento de tiro natural.
Figura Nº 14. Torre de enfriamiento de tiro natural.
Torre de enfriamiento de tiro forzado o inducido.- En las que el aire circula por la acción de un ventilador o un extractor.
Figura Nº 15. Torre de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido.
Descripción del funcionamiento de la torre de enfriamiento a contraflujo de tiro inducido
Enfriador evaporativo semiencerrado.
El aire entra en la torre por la parte inferior y sale por la superior.
El agua caliente (proceso) se bombea hacia la parte superior y se rocía sobre la corriente de aire.
Una pequeña masa de agua se evapora y se enfría el agua restante.
La temperatura y contenido de humedad del aire aumentan durante el proceso.
El agua enfriada se acumula en el fondo de la torre y se envía a proceso.
El agua de reemplazo debe añadirse para sustituir el agua perdida por evaporación y por el arrastre de agua.
Mecanismos de interacción del gas y del líquido
En las figuras 16, 17, 18 y 19 se representan las distintas medidas en dirección perpendicular a la interfase en abscisas y las temperaturas y humedades en ordenadas. ?x es la temperatura global del líquido; ?i es la temperatura de la interfase; ?y es la temperatura global del gas; Hi es la humedad en la interfase; H es la humedad global del gas.
El trazo discontinuo representa difusión de vapor a través de la fase gaseosa; el trazo continuo indica flujos de calor latente y sensible a través de las fases líquida y gaseosa.
La figura Nº 16, corresponde a un proceso de humidificación, el flujo de calor latente de vaporización desde el líquido hacia el gas es igual al flujo de calor sensible desde el gas hacia el líquido. La temperatura del gas ha de ser mayor que la temperatura en la interfase; la humedad es mayor en la interfase.
Figura Nº 16. Condiciones de humidificación adiabática.
En la figura Nº 17, se representan las condiciones de deshumidificación, en este caso la humedad es mayor en el gas que en la interfase, y por tanto, el vapor difunde hacia la interfase. Hi y ?i representan un gas saturado y ?y tiene que ser mayor que ?i. Lo que indica que para retirar vapor de un gas no saturado hay que ponerlo en contacto directo con un líquido suficientemente frío.
Figura Nº 17. Condiciones de deshumidificación.
En una torre de enfriamiento en contracorriente las condiciones dependen de que la temperatura del gas sea superior o inferior a la temperatura de la interfase. En la parte superior de la columna la temperatura del gas es inferior a la de la interfase; los fenómenos que tienen lugar se muestran el la figura Nº 18.
El líquido se enfría por evaporación y por transmisión de calor sensible desde la interfase hasta el gas; la bajada de temperatura a través del líquido tiene que ser suficiente para producir una velocidad de transmisión de calor que asegure los dos flujos de calor.
Figura Nº 18. Condiciones en la parte superior de una torre de enfriamiento.
En la parte inferior de una torre de enfriamiento la temperatura del gas es superior a la temperatura de la interfase, figura Nº 19. El líquido se enfría, la interfase tiene que estar más fría que la masa global de líquido, de forma que el gradiente de temperatura a través del líquido es hacia la interfase. Existe un flujo de calor sensible desde la masa global del gas hacia la interfase. El flujo de vapor hacia fuera de la interfase transporta, como calor latente, todo el calor sensible suministrado a la interfase desde ambos lados.
Figura Nº 18. Condiciones en la parte inferior de una torre de enfriamiento.
Bibliografía
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Autor:
Salvador Arellano
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