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Una motivación para iniciar el análisis de las distintas alternativas en las dos grandes categorías mencionadas al comienzo, i.e. refrigeración mecánica vs. enfriamiento evaporativo, ocurre en el hecho de que el objetivo o misión del primer grupo, refrigeración mecánica, se sitúa en necesidades de temperaturas de producto o proceso/succión/evaporación digamos, arbitrariamente, por debajo de 15° Celsius y muy fácilmente/frecuentemente 4° y hasta valores bajo cero, e.g. –20°C, -40°C (sectores de congelado). Es obvio pensar que salvo en los dos polos del planeta, esta tarea difícilmente puede llevarse a cabo sin el auxilio de maquinaria para artificialmente recrear un entorno similar.
Por otro lado, el enfriamiento evaporativo, tremendamente eficiente, obra de la naturaleza, típicamente estaría produciendo en forma factible temperaturas de enfriamiento de fluídos distantes aproximadamente como mínimo 5°F (2.77°C) por encima de la temperatura de bulbo húmedo de diseño seleccionada para la localidad en cuestión. Usualmente se diseña de manera significativamente más competitiva alejando la termperatura de agua fría del valor de bulbo húmedo, involucrando un caudal mayor pero disipando el calor requerido a la temperatura de condensación convenida. Tanto en condensadores evaporativos como en configuraciones torre de enfriamiento y condensador sincronizado podemos aproximar valores de diseño de acuerdo al sencillo proceder:
confirmar el perfil de valores de la temperatura de bulbo húmedo predominante en la zona o localidad del proyecto, sobre la base de porcentajes (0%, 1%, 2%) de horas en el año en que se excede determinado valor y tomar una cota superior cautelosa,e.g.75°F
estimar una temperatura de condensación "razonable" aproximadamente 15-18-20°F por encima de este valor, digamos tc = 95°F (=twb+20°F)
a partir de las dos suposiciones previas quedan "determinados" los datos para una estimación preliminar aplicando la ecuación de Newton
para la alternativa torre de enfriamiento y condensador "convencional" considerar la temperatura de salida del condensador 5°F por debajo de la temperatura de condensación elegida, e.g. t1 = 90°F (=tc - 5°F = 95 - 5°F)
seleccionar el conjunto torre de enfriamiento y condensador por ejemplo para un range de 7.5°F lo cual nos permite emplear una temperatura de agua fría 82.5°F (= t1 - 7.5°F) razonablemente distante de la temperatura de bulbo húmedo y simultáneamente no perjudicar al proveedor del condensador. Véase un ejercicio útil ilustrando una opción empleando un condensador evaporativo (ejemplo1.pdf) y su alternativa, torre de enfriamiento con su correspondiente condensador convencional (ejemplo2.pdf)
Si en determinada localidad, la temperatura de bulbo húmedo sólo supera un valor dado, e.g. 73°F (c. 22.8°C) menos del 1% de las horas en el peor momento (probablemente verano a las 15:00) el proyectista responsable probablemente seleccionará para su obra un valor de bulbo húmedo de diseño un valor aún levemente superior, e.g. Twb = 75° (c. 23.9°C). Para el caso de una torre de enfriamiento la temperatura “más fría razonable empleando enfriamiento evaporativo” rondará entonces T2 = 80°F (26.7°C ). Sin embargo, por las razones expuestas en la sección previa no es para nada conveniente trabajar en este extremo del espectro: el dimensionamiento del equipo crece de manera muy no lineal. Algo similar ocurre al exigirle a un condensador evaporativo una temperatura de condensación demasiado baja, relativamente hablando, comprimiendo la "distancia" entre la temperatura de condensación deseada y la temperatura de bulbo húmedo predominante o una cota elegida para el diseño.
El razonamiento anterior presentado en forma compacta:
se ha determinado (antecedentes meteorológicos) que en determinada localidad la temperatura de bulbo húmedo registra valores máximos del orden de 73°F (c. 22.8°C) en “muy poquitos días y aún así sólo algunas horas”; nota: el resto de la temporada y el resto del año la temperatura de bulbo húmedo es “muy menor” típicamente unos grados menos que la temperatura de bulbo seco, la temperatura de aire popularmente citada en todas las fuentes informativas (prensa, radio, TV);
el proyectista decide cubrirse y emplear un valor de temperatura de bulbo húmedo de diseño de 75°F (c. 23.9°C) y por lo tanto, tenderá a pedir aguas de enfriamiento no menores a 80°F (twb+5°F = 75°+5°F); caso contrario difícilmente encontrará un proveedor de enfriamiento que acceda a suministrarle equipo en un marco de rendimiento con garantías del mismo; idem para el caso del CE
Como resultado inmediato de las observaciones anteriores se ve claramente que las unidades basadas en enfriamiento evaporativo naturalmente entregarán perfiles de temperaturas considerablemente menores en otros momentos – en definitiva acompañando las oscilaciones importantes de la temperatura de bulbo húmedo reinante instante a instante. Esta capacidad de enfriamiento llega a ser de tal magnitud en ciertas condiciones que permite la operación del circuito de frío alimentándose directamente del agua de enfriamiento (vs. agua de refrigeración), prescindiendo del funcionamiento del compresor. Muchas industrias encuentran un notable beneficio del empleo premeditado de esta situación, fenómeno que se conoce en la jerga como “free cooling.” Basta que la temperatura de bulbo húmedo reinante sea digamos 9°C para que el agua de enfriamiento pueda arrimarse a 11.8°C:
Desafortunadamente un gran porcentaje de las aplicaciones presentan la gran demanda de disipación en el peor momento. De todas maneras, obviamente dependiendo de las distintas latitudes, muchísimas industrias pueden efectivamente optimizar sus operaciones teniendo en cuenta este diferencial y evitar la complejidad y las considerablemente mayores inversiones requeridas por las instalaciones de refrigeración mecánica, en escalas 1:5, 1:10 o incluso mayores.
Hemos visto demasiadas veces promocionar condensadores evaporativos esgrimiendo argumentos del tipo “con condensadores evaporativos se puede lograr una temperatura de condensación menor que con una torre de enfriamiento de agua y un casco y tubo” o que “un CE involucra consumos sensiblemente menores que la torre y un condensador convencional.”
Mientras que todos estamos de acuerdo de la inexorabilidad de condensación por enfriamiento evaporativo, sea mediante un CE o una torre y condensador, vs. condensador por aire, lamentablemente este argumento no es correcto por varias razones. Por otro lado, pensamos que esta desprolijidad en la representación de la tecnología no favorece dicha alternativa.
Todos sabemos que fijada una temperatura de condensación y convenido el valor de la temperatura de bulbo húmedo de diseño, el resto del trabajo es prácticamente 100% cálculo, con mayor o menor felicidad. Ocurre que en contextos extremadamente competitivos pueden, además de las clásicas condiciones anteriores y calor a disipar (amén del refrigerante en cuestión) pueden imponer restricciones en el BHP disponible.
La tecnología de diseño de torres de enfriamiento, a diferencia de la de los condensadores evaporativos, ha “sufrido” avances extremadamente significativos tanto en la eficiencia de rellenos como en el diseño y empleo mismo de la parte de aire. Simplificando un diseño de torre de enfriamiento ante una consulta determinada (e.g. caudal, temperatura de entrada, temperatura de salida, temperatura de bulbo húmedo) presenta ya de entrada posibilidades de diseño que pueden oscilar digamos en 1:2 el BHP requerido en los ventiladores axiales – no estamos hablando de centrifugos. Mediante un diseño adecuado de alturas de relleno y diámetro de ventilador, un mismo proveedor puede ofertar diseños que están brutalmente espaciados en cuanto a BHP requerido. Esto no es posible con condensadores evaporativos, pues tal como comentáramos el “diseño” del equipo se mantiene, hasta históricamente, con l/g = 1.1 – 1.2. La torre de enfriamiento puede diseñarse empleando cualquier punto intermedio entre digamos 0.6 y 2.2!
Es por esta razón que entendemos que no es un buen argumento técnico presentar la tecnología del condensador evaporativo en base a los razonamientos mutilados técnicamente del comienzo.
Las características y materiales de construcción de los condensadores evaporativos son en general muy similares a las de las torres de enfriamiento de circuito abierto y/o cerrado. Si bien estas dos últimas prácticamente se han estandarizado en diseños contracorriente (“counterflow”), tiro inducido (“induced draft”) y mayoritariamente en materiales nobles como fibra de vidrio y resinas de uso naval (vs. estructuras de hierro galvanizado características de los CE), cada una de estas elecciones de fabricante impacta con mayor o menor felicidad en el resultado final, disipación de energía con larga vida y dentro de presupuestos operativos ‘razonables.”
En el caso del condensador evaporativo, y variando un poco según los fabricantes, los bancos de tubos emplean diámetros entre ¾” y 1”, galvanizados por inmersión en caliente para instalaciones de amoníaco y frecuentemente cobre para freones. Existen desarrollos incorporando materiales disímiles como aluminio y plásticos para las serpentinas. Con mayor o menor fortuna el problema de formación o remoción de películas es abordado con estrictos programas químicos, o eventualmente, para el caso de coils de hierro galvanizado, su recuperación en fábrica mediante baño de ácido y regalvanizado. Los esfuerzos y logros técnicos de las serpentinas helicoidales del Ing. Dodds son loables y es una experiencia leer sus trabajos. Recomendamos consultar sus registros en el sitio de la oficina de patentes de los E.E.U.U. Finalmente, puede decirse que los fabricantes más cuidadosos realizan los ensayos empleando nitrógeno.
Aún cuando los comentarios de verdadores especialistas en el tema califican sus comentarios a favor de condensadores evaporativos, estos equipos presentan sin embargo una serie importante de desventajas o contraindicaciones, razón tal vez para que su inclusión en entornos industriales no sea necesariamente inmediata o indiscriminada. Tal vez estos “inconvenientes” sólo aparecen o son reconocidos “cuando ya está todo instalado.” Por lo tanto, creemos mínimamente honesto exponer algunos de los puntos más críticos de esta tecnología.
Puede decirse que en general, debido al mayor diámetro de los tubos empleados en el CE (vs. digamos un intercambiador de placas), la carga de refrigerante es mayor. Por lo tanto, y al tratarse por ejemplo en el caso del amoníaco, las líneas de refrigerante presentan un riesgo mayor en cuanto a seguridad industrial (vs. una simple línea de agua).
Por el mismo razonamiento, las líneas de alta deben ser cuidadosamente ensambladas por personal especializado, en el campo. Es muy frecuente ver además, la larga trayectoria desde el equipo de frío, en general en un nivel bajo y el conjunto de condensadores evaporativos, necesariamente localizados en areas “descubiertas” y generalmente muy alejadas de las unidades que tienen que servir. Por otro lado, y a diferencia de instalaciones con condensadores tipo caso y tubo, que permiten albergar parte de la carga en pump down, el condensador evaporativo no permite esto requiriendo frecuentemente recibidores de líquido considerablemente mayores.
Por bien o por mal, debido a que el condensador evaporativo concentra dos procesos de transferencia de calor en un único gabinete, está directa e inmediatamente susceptible a irregularidades térmicas tanto provenientes de oscilaciones en las condiciones meteorológicas, específicamente alteraciones en el bulbo húmedo, como irregularidades derivadas de una distribución de agua pobre, consecuencia de toberas obstruídas o obstaculizaciones extremadamente significativas ocasionadas por las incrustaciones. Todos sabemos que en la mayoría de los procesos industriales, sea enfriamiento, ventilación, aguas residuales, la “gran meta” es garantizar distribuciones uniformes, de aire, de agua, de oxígeno, de carga. Entre el común defecto de toberas fuera de servicio (con el consiguiente by-pass de aire permitido en esa zona -> menos evaporación -> menos disipación!) más el efecto “irregularizador” en la distribución de aire, derivado de “tortuosidades” en la vena de aire por la presencia de incrustaciones, vemos que el problema puede volverse complejo de resolver. En cierta manera, en el caso de las torres de enfriamiento este problema no ocurre dado que los rellenos empleados tienden a repartir las fases, autocorrigiendo de alguna manera deficiencias en la alimentación, tanto de aire como de agua. Este mismo hecho es el que hace preferir en ciertos casos el empleo de estos rellenos (incorrectamente denominados “crossflow” porque inducen a confusión) en reactores anaeróbicos híbridos, en “perjuicio” de rellenos aún de film pero de tipo tubular, sin "autotendencia" a redireccionar/redistribuir los flujos.
Puede decirse que en comparación con los condensadores de placas, la incrustación en los condensadores evaporativas avanza a mayor velocidad, debido a que la posible limpieza mecánica se realiza con presiones de agua extremadamente baja. Por otro lado, mientras que en el caso de la configuración torre/condensador la evaporación ocurre en la torre de enfriamiento (no hay tubos allí!), en el caso del condensador evaporativo, la evaporación se realiza directamente sobre la superficie de los tubos – basta ver lo que queda luego de un tiempo cuando se hierve agua en un recipiente repetidas veces. Este depósito de material tiene el “encanto” adicional de aumentar la pérdida de carga a través de la unidad (-> mayor BHP -> mayor $$$).
Es reconocida la impractibilidad de realizar limpieza mecánica de estas unidades, a diferencia de los condensadores convencionales, sean casco y tubo o de placas. Cualquiera de las alternativas, agentes químicos agresivos tienden a simplemente acortar progresivamente la vida útil de la unidad. Esta tesitura sólo perjudica, inexorablemente, cualquier programa o plan de recuperabilidad característica de otros equipos. Véase en forma ilustrativa ejemplo3 y ejemplo4.
En cuanto a materiales de construcción, en el caso de amoníaco al requerir el empleo de hierro galvanizado, mediatiza de alguna manera las excelentes propiedades termodinámicas de dicho refrigerante salvo que el espesor sea pequeño (e.g. intercambiadores de placa). El cobre, inempleable en una instalación de amoníaco, tiene una conductividad térmica mucho mayor y es procesable de manera más fácil.
Finalmente puede decirse que la instalación en general, cuando basada en condensadores evaporativos, es muchísimo más crítica, tanto en prolijidad técnica en las líneas como en la calidad de las aguas y las precauciones adicionales de seguridad industrial. Por estas razones adicionales, más allá de las observaciones del punto de vista térmico, hacen que el potencial de beneficios de estos equipos no sea alcanzado, sea por diseños pobres, ubicación o instalación defectuosa o programas de mantenimiento infelices o inexistentes. En particular la infeliz localización de los ventiladores, axiales de tiro forzado (vs. inducido) y centrífugos, y sus posibles consecuencias han sido ya documentadas extensivamente, sea el caso de torres de enfriamiento o condensadores evaporativos.
Nuestros archivos indican el siguiente comparativo de rendimiento/captura para distintos tipos de eliminadores de gotas, como sigue
- eliminador tipo perfil ángulo inyectado, expulsa .005% del caudal recirculado
- eliminador tipo celular termoformado, expulsa .0015% del caudal recirculado
Luego realizando cocientes
.005 eliminador tipo perfil ángulo / .0015 eliminador de tipo celular contemporáneo = 3.33x!! pérdida
El diseño tipo perfil ángulo expulsa tres y veces más líquido que el diseño celular contemporáneo, ergo, debe reponerse tres veces más (programa químico $$$ + manchado área circundante + ...). Una pequeña desviación/disfunción/apartamiento en alineación rápidamente aumenta la pérdida 4x, 5x ...
