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Al igual que la torre de enfriamiento convencional, munida del correspondiente intercambiador, el espectro de aplicaciones del enfriador de circuito cerrado es considerablemente amplio, siendo las siguientes sólo algunos ejemplos:
La determinación sobre la real conveniencia del empleo de unidades de circuito cerrado frecuentemente estará dictada por la disponibilidad o cercanía de elementos de reposición o recuperación del equipo, fundamentalmente el haz de serpentines. El deterioro térmico con el transcurso del tiempo, al igual que el caso del condensador evaporativo, es inexorable/crónico, siendo la única recomendación de fabricantes de eventual refacción mediante regalvanizado de partes recuperables. Esto contrasta con la facilidad de restauración de cualquier torre de enfriamiento de circuito abierto, sea cual sea el fabricante.
Dimensionamiento de enfriadores de circuito cerrado
Si bien frecuentemente el “dimensionamiento” es realizado precariamente mediante literatura comercial (aún catálogos!) al igual que en el caso del cálculo del condensador evaporativo, y debido en cierta manera a la poca elaboración termodinámica de ambas "tecnologías" (l/g= 1.12 en promedio!) puede tenerse una muy buena idea preliminar de las dimensiones del enfriador de circuito cerrado, fundamentalmente área de intercambio requerida, empleando la ecuación de Newton, relación fundamental “legendaria” pero suficientemente aceptable para aproximaciones con plataformas de cálculo poco sofisticadas, siendo una expresión “común” a las tres variantes de enfriamiento evaporativo:
Q = factor U * superficie A * “deltaT” = factor U * superficie A * LMTD * factor F
Al poder interpretar un enfriador de circuito cerrado como un proceso de flujo contra-corriente (para el caso que el fluído de proceso tenga 4 o más pasos), el factor F, corrector de cualquier apartamiento del LMTD respecto a un flujo contra-corriente ideal, puede tomarse con valor 1, y la expresión se simplifica en su presentación más habitual:
Q = factor U * superficie A * LMTD
Conociendo Q, las temperaturas involucradas para el LMTD y suponiendo un valor conservador de U, puede estimarse fácilmente el área de intercambio necesaria. En nuestra experiencia, dicha fórmula ha resultado suficientemente correcta en cuanto a verificación parcial de las especificaciones, en la medida que son suministradas por cada fabricante en particular.
Lamentablemente, no todos los proveedores de equipamiento industrial optan por publicar abiertamente sus características y rendimientos reales. Los catálogos frecuentemente contienen "imprecisiones", involuntarias o no. Si bien el modelo supone una simplificación importante, básicamente asume un comportamiento de aire siguiendo la línea de saturación, arrancando de una temperatura de bulbo húmedo específica, las coincidencias con la literatura disponible son extraordinariamente buenas.
De todas maneras, el enfriador de circuito cerrado, a diferencia de la torre de enfriamiento, trabaja clásicamente con cocientes L/G (masa de líquido/masa de aire) inherentes cercanos a 1.1 – 1.2, lo cual obviamente limita cualquier posible optimización. Cualquier diseñador de torre de enfriamiento puede trabajar con cocientes L/G que varían entre 0.6 y 2.2, lo cual permite una optimización prácticamente “a medida” de cualquier requerimiento por parte del usuario.
Siendo que típicamente la selección de enfriadores de circuito cerrado es mediante “catálogo” y no cálculo, es obvio el handicap que inmediatamente se está otorgando. Estrictamente, para incorporar un verdadero valor agregado de ingeniería, un enfriador de líquidos de circuito cerrado, de porte industrial debería diseñarse, por ejemplo, de acuerdo a los lineamientos de los métodos iterativos/NTU presentados en los trabajos de Dr. Ralph Webb (Penn State), Kays & London, entre otros. De alguna manera, y aún cuando se le reconocen por la industria como fáciles de asimilar y permitir muy buenas aproximaciones, tienen el gran mérito que no es “información suministrada o promocionada por fabricantes.” Por otro lado, puede también profundizarse en el tema en el material desarrollado por Korenic. En nuestra experiencia, muchísimos de estos loables refinamientos de cálculo se ven mediatizados o directamente destruidos por una frecuente superficialidad en los pliegos. O se especifica equipo que no existe, o marcos de operación imposible o valores de diseño transcriptos pero no aplicables a un proyecto específico en cuestión.
Probablemente los items más críticos son la especificación/selección sensata de una temperatura de bulbo húmedo de diseño, o el empleo de un valor de U conservador para el correcto dimensionamiento de la instalación en condiciones de trabajo en el campo, no “recién terminada de fabricar”. Las fórmulas y algoritmos de cálculo no pueden ser más técnicamente honestos que lo que se quiera instalar en la realidad.
La selección incorrecta del bulbo húmedo impacta de manera extremadamente no lineal en el rendimiento de un equipo. Así un equipo dimensionado para disipar determinada cantidad de calor en una localidad con una temperatura de bulbo húmedo digamos 75°F, (e.g. Nueva York, San Pablo, Valle del Río Negro) ve derrumbarse su capacidad al ser instalada en una localidad con temperaturas de bulbo húmedo predominante significativamente mayores, 78-80°F (e.g. Nueva Orleans, Río de Janeiro, Buenos Aires). Una instalación que prevee disipar determinada carga a digamos. 23.0°C de temperatura de bulbo húmedo, ve caer su rendimiento drásticamente al subir dicha temperatura de bulbo húmedo en el correr del día o de la temporada, siendo el funcionamiento previsto en esas condiciones del área de tubo disponible aproximado.
La selección del coeficiente de transmisión de calor U debe tener en cuenta el “de-rating” ocasionado por condiciones desfavorables en condiciones de campo. Las consecuencias de ignorar, involuntaria o maliciosamente, este item sólo acarrean perjuicios al usuario final. Es ilustrativo que el común denominador de estas desprolijidades, subdimensionar la temperatura de bulbo húmedo, “diseñar” con valores de U demasiado “optimistas”, bajar costos eliminados los conos superiores al instalar los ventiladores en los lados de las unidades (en vez de inducir el flujo desde arriba), sólo tienen una motivación comercial sin necesariamente tener en cuenta el beneficio del cliente.
Los testimonios relativos a condensadores evaporativos, y por ende a enfriadores de circuito cerrado, son abrumantes en todo el mundo en cuanto a la calidad del agua del circuito de enfriamiento y su impacto en el rendimiento térmico:
“Evaporative condensing is still by far the most economical means to remove latent heat. Other condensing methods are based on using dry air or a cooling tower. However, this holds true as long as the heat transfer surfaces on both sides of the tubes are kept clean and free of thermal insulating films such as oil, scale, algae growth.” (James Dodds, US-Argentina)
“Because of these problems, the potential for lower capital and operating costs from evaporative condensers may not be realized due to poor design, poor installation or poor operating practices.” (Brake, Australia)
“… se debe prestar extrema atención al tratamiento de agua de resposición a los condensadores [evaporativos], pues este aspecto constituye uno de los puntos vulnerables de estos condensadores [evaporativos], el empleo de agua no tratada adecuadamente conlleva a una rápida deposición de sales de calcio y magnesio sobre la superficie del intercambiador, con lo cual se reduce significativamente la transferencia y la eficiencia del condensador, anulándose ventajas con respecto a otros tipos de condensadores.” (Wong et al., Cuba)
APLICACION ILUSTRATIVA # 1: PEQUEÑA INDUSTRIA de PLásticos
Una pequeña industria recuperadora de plástico (ABS) cuenta con el siguiente parque de máquinas que deberá incorporar un enfriador de circuito cerrado, siendo el detalle de la instalación el siguiente:
A efectos de una cotización orientativa, i.e. orden de magnitud, se desea tener una idea de las dimensiones de un enfriador de circuito cerrado.
Dado que la disipación de calor en los procesos de la industria plástica están notablemente estandarizados, podemos rápidamente estimar las cargas respectivas (el calor a disipar) como sigue:
30 cm/ 2.541 cm/pulgada * 1 = 12” * 1 t..r. = 12 tons * 12,000 = 144,000 btu/h
200 kg * 2.2046 lb/kg / 60 = 7.4 tons * 12,000 = 88,800 btu/h
40 * 2545 btu/h per HP = 101,800 btu/h
20 chiller tons * 15,000 = 300,000 btu/h
Lo cual totaliza aproximadamente 634,600 btu/h. Agregando un 10% de margen de seguridad/expansión buscaremos disipar aproximadamente Q = 700,000 btu/h.
Siendo que ha sido determinado aceptable un salto de termperatura común de 10°F, resulta el caudal a enfriar, empleando la fórmula clásica:
Q (btu/h) = caudal * 500 * salto térmico
Luego caudal = 700,000 / ( 500 * 10 ) = 140 U.S. GPM en condiciones, e.g. 95/85/twb
Basados en los parámetros clásicos de operación de enfriadores de circuito cerrado, podemos ver una posible configuración.
Aplicación # 2 AIRE ACONDICIONADO BOMBA DE CALOR (HEAT PUMP)
Un proyectista de aire acondicionado está evaluando una aplicación tipo bomba de calor (“heat pump”) para una instalación de 600 U.S. GPM en condiciones 95/85/75°F. Se desea obtener un dimensionamiento preliminar de enfriador de circuito cerrado vs. alternativa intercambiador de placas y torre de enfriamiento convencional.
Al igual que en el caso anterior, podemos modelar facilmente dimensiones y características de una unidad que podría atender el servicio requerido.
Aplicación # 3 enfriamiento proceso pequeÑa curtiembre
El proceso industrial de una determinada industria de cuero, está requiriendo enfriar un caudal de agua de 5,000 l/h, siendo la temperatura de agua caliente 50°C y la temperatura de agua fría deseada de 35°C. El proyectista ha indicado para el diseño de la estructura una temperatura de bulbo húmedo de 25.5°C. Se desea verificar, al menos en forma preliminar, la razonabilidad de las especificaciones de los equipos propuestos por una variedad de proveedores.
Empleando idéntico criterio podemos elaborar una buena configuración ilustrativa de las dimensiones requeridas para cumplir con el servicio térmico requerido.
