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Enfriadores Evaporativos

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FUNDAMENTOS

Al igual que en los minisitios correspondientes a torres de enfriamiento y condensadores evaporativos, en este capítulo de enfriadores de líquidos, también denominados de torres de enfriamiento de circuito cerrado, el alcance del término enfriamiento está siendo restringido a proceso unitarios en los cuales la temperatura de agua que se entrega está acotada fundamentalmente por la temperatura de bulbo húmedo prevalente aunque acompañando su evolución en el transcurso del tiempo, sea horas, días o meses.  Podemos expresar numéricamente en forma aproximada como: 

temperatura lograble de agua fría = ca. temperatura de bulbo húmedo + "approach"

En general, el "approach" o acercamiento a la temperatura de bulbo húmedo debe ser como mínimo 5°F (2.7°C).  Dicho de otra manera, la temperatura de agua fría lograble mediante enfriamiento evaporativo a lo sumo es esperable acercase hasta distar "sólo" 5 Fahrenheit de la temperatura de bulbo húmedo reinante en el peor momento.  Obviamente que la temperatura de agua fría acompañará las oscilaciones de la temperatura de bulbo hûmedo lo cual naturalemente sea menor en esos otros intervalos.  Normalmente el diseño se dimensiona para el peor momento lo cual permite en el resto de año, en ciertos casos, la operación "free cooling" (i.e. empleo de agua de enfriamiento sin apelar al sistema de frío).

Esta tercera alternativa de máquinas, i.e. enfriadores o torres de enfriamiento de circuito cerrado, completa a grosso modo el espectro de enfriadores de agua basados en el principio de enfriamiento evaporativo, i.e. enfriamiento del agua remanente mediante la evaporación de una fracción del  caudal, o dicho de otra manera, conversión de calor sensible a latente por  generación de vapor.

Es importante remarcar que ninguno de los tres casos, i.e. torres de enfriamiento (circuito abierto), condensadores evaporativos, o enfriadores de líquidos (circuito cerrado) estaría dentro de lo que preferimos denominar refrigeración mecánica, esto es empleando algún tipo de compresor.  Estrictamente deberíamos sin embargo incluir los enfriadores de líquido empleando condensador por aire, pero la significativa penalización energética asociada, superior al 25-30%, ha históricamente relegado la participación de estas tecnologías a las instalaciones más pequeñas, e.g. 5 chiller tons de efecto frigorífico.  El escrito de Dodds es extremadamente ilustrativo, comparando unidades de enfriamiento evaporativo vs. condensación por aire.  Por otro lado, observar ciertas obras sean de índole commercial o residencial y recordar comentarios de Ashrae: “las unidades de condensador remoto, i.e. split, han prevalecido en los mercados en los cuales la performance no ha sido un criterio de evaluación (!)

La alternativa enfriador o torre de enfriamiento de circuito cerrado, (i.e. instalando el haz de tubos o serpentines dentro de la unidad), se originó históricamente como un mejoramiento de la tradicional configuración torre de enfriamiento (de circuito abierto) trabajando en conjunto con un intercambiador de calor.  Sin argumentar demasiado en la conveniencia de esto, se aplican prácticamente las mismas contraindicaciones que anotáramos en el material de condensadores evaporativos,  a saber sintéticamente:

  1. al igual que los condensadores evaporativos, y a diferencia de las torres de enfriamiento, los enfriadores de agua de circuito cerrado no se diseñan en forma individual sino que típicamente se seleccionan mediante tablas de unidades fabricadas sin ninguna posibilidad de optimización: la densidad de flujo se mantiene siempre rondando poco más de cinco (5) gpm/sq.ft. y la velocidad de aire oscilando en un promedio de 550 fpm; el diseño individualizado empleado en torres de enfriamiento de tipo industrial permite una flexibilidad incomparable, densidades de flujo entre 4 y 12.5 gpm/sq.ft. y velocidades de aire entre 300 y 675 y hasta 725 fpm; esta flexibilidad permite temperaturas de condensación menores con menores HP, por ejemplo empleando ventiladores de mayor diámetro, algo no posible en los enfriadores de líquidos, típicamente fabricados en serie
  2. ningún fabricante de equipos de enfriamiento evaporativo sostiene que el mantenimiento de las serpentinas o tubos es más sencillo en el caso que estén alojados dentro del enfriador o condensador evaporativo; esto tiene como consecuencia que la remoción de incrustación sea fundamentalmente mediante tratamiento químico lo que naturalmente afecta considerablemente la vida útil y rendimiento del equipo – ver inserto deterioro térmico.
  3. la mayoría de los diseños más populares de enfriadores de circuito cerrado, así como muchísimos modelos de condensadores evaporativos y en menor escala torres de enfriamiento, están fabricados instalando el ventilador operando en tiro forzado (vs tiro inducido); este aspecto, ya presentado anteriormente, tiene consecuencia funestas en cuanto al rendimiento térmico: riesgos de déficits térmicos entre 20 y 40%!
  4. el hecho de forzar dos procesos unitarios en una única unidad nos quita volante, inercia o buffer térmico; en muchos casos las demandas de la hora crítica, frecuentemente coincidiendo con valores extremos de temperatura de bulbo húmedo, no son acomodables; el tener los procesos de intercambio separados, como es el caso de la clásica configuración torre de enfriamiento e intercambiador, nos permite traspasar este intervalo sin ningún inconveniente

El afán histórico ha sido básicamente ampliar el espectro de alternativas, complaciendo a las distintas escuelas de refrigeración industrial.  Basta examinar la tremenda popularidad de la configuración clásica, torres de enfriamiento e intercambiador, así como la multiplicidad de fabricantes, para remarcar los francos beneficios de dicha alternativa.  A modo de ejemplo, la mayoría de los enfriadores de líquidos de circuito cerrado, así como los condensadores evaporativos, están fabricados con cerramientos galvanizados.  Las virtudes del plástico reforzado con fibra de vidrio, por ejemplo y especialmente apreciadas en la industia pesada, petroquímica, son incoporadas en forma standard, rutinaria, en la casi totalidad de los mejores diseños de torres de enfriamiento.

Elementos constitutivos de un enfriador de circuito cerrado

A grandes rasgos, las partes principales de un enfriador de líquidos o torre de enfriamiento de circuito cerrado son las siguientes:

  1. elemento de intercambio, i.e. haz de tubos o serpentines, frecuentemente en hierro galvanizado o cobre, y en ciertas instancias, con diseños helicoidales; en ciertos modelos se incorporan módulos de relleno similares al empleados en torres de enfriamiento, una especie de sistema híbrido; la caída de presión en el circuito de líquido a través de la unidad puede oscilar por ejemplo entre 3 psi hasta probablemente no más de 10 psi; este valor aumenta considerablemente con el caudal y es especialmente importante tenerlo en cuenta con unidades que incorporen no convencionales, i.e. concatenando haces en serie
  2. elemento o sistema de distribución de agua mediante tubos de PVC y toberas, primordialmente con objetivo de una distribución uniforme; el mantenimiento de este punto es crítico dado que cualquier irrregularidad dará lugar a deposiciones localizadas en los tubos, con consiguiente colapso o de-rating térmico;
  3. elemento de retención de gotas de arrastre, denominados eliminadores de gotas; sea como protección de equipamiento u objetos linderos (e.g. automóviles), la capa de eliminadores de gotas deberá estar en buenas condiciones dado que todo líquido que escape en el caudal de aire arrastrará también agua de enfriamiento útil/tratada químicamente. 
  4. sector aerodinámico compuesto por conjunto motoventilador, sea de tipo axial o centrífugo; existen diseños con motores de dos velocidades así como unidades con mecanismos de transmission, e.g. poleas y correas
  5. cerramientos, como anotáramos envolventes frecuentemente en hierro galvanizado
  6. batea o zona de recolección de agua fría, usualmente con conexiones de drenaje, reposición y salida de agua de enfriamiento

 

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