Fundamentos

Es muy común oír expresiones como "torre de refrigeración" o "torre de frío" e incluso "enfriador."  Probablemente queramos discriminar entre aplicaciones o contextos de enfriamiento, e.g. temperaturas de agua típicamente unos grados sobre la temperatura de bulbo húmedo (e.g. t2=twb+5°F; 25° - 20° - 17°C) vs. aplicaciones o circuitos de agua fría (refrigeración mecánica) e.g. 10°, -4, ... 20°C.  En general asociaríamos la palabra enfriador con un chiller o eventualmente un enfriador de circuito cerrado.  Es obvio que muchas denominaciones no son universales.

IMPORTANCIA DE CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO

Debido a las presiones de productividad naturales en cualquier industria, es frecuentemente  saludable plantearse la relevancia de temas no directamente relacionados "con producción".  Qué consecuencias tiene un enfriamiento deficiente o subdimensionado? Probablemente:

• notoria reducción en la producción de la planta

• menor velocidad en el tren de laminación de una acería

• menor número de ciclos de inyección en máquinas de plástico

• menor procesado de leche en la pasteurizadora

• [mayor] deterioro de producto en las cámaras frigoríficas

• mayor tiempo en el congelado del mismo tonelaje de producto

• gente con calor; impaciencia; errores; irritación

• mayor cociente combustible/energía generada en turbina de vapor

Si podemos pensar que 5 segundos adicionales por pieza puede ser una baja del 25% en la producción diaria, inmediatamente percibimos el perjuicio al industrial.

Al igual que en los minisitios correspondientes a torres de enfriamiento y condensadores evaporativos, en este capítulo el alcance del término enfriamiento está siendo entonces 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).

En todos los casos, a efectos de un dimensionado preliminar, es aplicable la ecuación de Netwon.

 intercambiadores: los 5 datos importantes

            Existen cinco datos importantes en el dimensionamiento y/o selección de intercambiadores, a saber:

1. caudal de líquido a enfriar, i.e. l/h, U.S. GPM
2. caída de presión admisible/especificada
3. fouling/factores de ensuciamiento
4.  fluídos involucrados, .e.g agua, aceite
5. contexto de operación objetivo, i.e. temperaturas de entrada/salida para el cálculo de la temperatura media logarítmica (LMTD)

En el dimensionamiento o selección de intercambiadores será importante verificar la velocidad del líquido, que debe mantenerse entre rangos recomendados.  

Definimos caída de presión a la pérdida de carga debido a fricción.  En un condensador de este tipo es simplemente la diferencia de presiones entre la entrada y la salida.  Ocurre que de emplear velocidades excesivas, i.e. con el afán de mejorar la eficiencia de transferencia de calor, aumentará consecuentemente dicha pérdida de carga que de hecho anulará cualquier ventaja obtenida.  Adicionalmente el empleo de velocidades excesivas puede redundar en una importante reducción de la vida útil del intercambiador..  En ausencia de especificaciones podemos pensar en tomar valores menores a 10 psig, máx./cota superior,  a través del condensador.  Recordemos que la caída de presión [a vencer] varía como el cuadrado de la velocidad.  Por esta misma  razón es importante mantenerse dentro de los diámetros de cañería/tubo recomendados, tanto para los intercambiadores como para todo el resto de la planta.

Las condiciones de funcionamiento reales de un intercambiador en muchos casos están determinadas por las características de los líquidos involucrados.  Debido a la presencia de constitutivos que forman capas aislantes, i.e. de-rating de la eficiencia de transferencia, todos los fabricantes responsables estiman factores de fouling conservadores.

El contexto de operación objetivo puede estimarse empleando la clásica ecuación de Newton:

       Calor a extraer Q = factor U * superficie de intercambio A * LMTD(t1,t2, t3,t4)                   

en conjunto con la ecuación del proceso, e.g. aceite, agua, i.e.

            Calor a extraer Q = caudal * (t1 – t2)

y la ecuación recíproca para el líquido de enfriamiento, frecuentemente agua..