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Rellenos Evaporativos para Torres de Enfriamiento de Agua Más información? Envíenos un email o consulte via nuestro buscador PocketArchie - La Mejor Manera de Usar Nuestra Colección!
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Puede decirse que la introducción del empleo de rellenos celulares o laminares provocó irreversibles redefiniciones de mercado, notablemente en el área de enfriamiento evaporativo y torres de enfriamiento de agua (desplazando las clásicas configuraciones de listones de madera, en cualquiera de las variantes flujo cruzado o contracorriente), en el área de tratamiento biológico dado lugar al surgimiento de filtros biológicos con profundidades de lecho considerablemente mayores a las permitidas por los filtros percoladores con rellenos de piedra. Es interesante comentar como prácticamente el mismo tipo de material es empleado con intereses diametralmente opuestos, i.e. en contexto de enfriamiento evaporativo se combate lo que gustosamente se cultiva en contextos de tratamiento biológico con soporte fijo. Otra tercer gran área de empleo exitoso está constituída por aplicaciones de humidificación y bioremediación en fase gas.
Dado que los aspectos de dimensionamiento y cálculo numérico asociado han ya sido presentados en otros capítulos (i.e. www.TorresDeEnfriamiento.com y www.Biofiltros.com), en este material nos concentraremos en pautas o comentarios más relacionados con la selección, operación y mantenimiento de distintos tipos de rellenos. Por lo tanto los desarrollos numéricos presentados en cada caso estarán sintetizados a los efectos de documentar de todas maneras los objetivos en primera instancia intangibles, i.e. disipación de calor en un contexto conocido y remoción de material orgánico en disolución en otro.
La introducción de rellenos celulares prácticamente determinó el abandono gradual pero inexorable de configuraciones de flujo cruzado con rellenos de madera en favor de configuraciones de flujo en contracorriente con rellenos celulares o laminares. El empleo de rellenos de tipo celular también “revolucionó” esta útlima alternativa al permitir reducir significativamente las dimensiones y estructuras asociadas. La figura siguente muestra una torre de “madera’ junto con la correspondiente “competidora” de la nueva tecnología, ambas para atender un servicio de aire acondicionado central de poco más de 20 toneladas de efecto frigorífico en el evaporador (i.e. chiller tons)
Fig. 1 David vs. Goliath
La otra gran consecuencia del empleo de rellenos celulares fué la potenciación definitiva de las configuraciones de refrigeración industrial, i.e. condensadores casco y tubo en conjunto con torres de enfriamiento de circuito abierto. Fabricantes de condensadores evaporativos por años proclamaron menores temperaturas de condensación o consumos posibles, para encontrarnos hoy que su “diseño” prácticamente apenas se aparta de cocientes líquido gas ca. 1.2 versus el disponible y aplicable en torres de enfriamiento, l/g entre 0.8 y 2.2. Más allá del brutal deterioro/de-rating térmico experimentado en los condensadores evaporativos prácticamente al poco tiempo de funcionamiento (ver www.CondensadoresEvaporativos.com) hemos visto en algunas infortunadas visitas a plantas, multiplicidad de unidades apiladas sin posibilidad de restauración al no poder recuperar o restaurar los haces de tubos. Todos sabemos que la recomendación legendaria para recuperación de los haces de tubos de condensadores evaporativos es simplemente enviarlos a fábrica para limpieza con ácido y regalvanizado, razonamiento que parece correcto en la medida que esta sea una verdadera posibilidad local – impracticable e impracticada en la mayoría de los casos que hemos visto. Lamentablemente en algunos casos la instalación de equipamiento de refrigeración industrial está guiada más por el interés en vender las máquinas de frío que realmente pensar en los beneficios que debería usufructuar el inversor. Así vemos subdimensionamiento del sector condensación, incorporación “casual” o simplemente con “ingeniería de catálogo/comercial” de las unidades de enfriamiento evaporativo industrial, standards totalmente diferentes. Junto con un adecuado mantenimiento/cuidadosa limpieza mecánica del condensador casco y tubo, la tecnología de torres de enfriamiento permite la restauración de prácticamente cualquier estructura simplemente con la reposición o cambio de relleno, logrando vida útil y tiempo de servicio en las condiciones de diseño del orden de tres veces más,( e.g. 30 años vs 10).
No es fácil poder dar un estimativo respecto a la durabilidad o vida útil de los rellenos, sea térmica o mecánicamente. Hemos visto rellenos de pésima calidad, extremadamente frágiles y con destrucción prácticamente total con menos de dos (2) años de servicio. Naturalmente esto solamente refleja la igualmente pésima visión del fabricante. En ausencia de mejores datos podemos pensar en un cronograma de reposición, meramente presupuestario/orden de magnitud, de unos nueve (9) o diez (10) años involucrando digamos un 25-30% del costo de una celda de enfriamiento nueva, naturalmente dependiendo de la cantidad de empaque de la misma. Con apenas dos instancias de reposición/cambio de rellenos estamos hablando de una vida útil entre 27 y 30 años , en condiciones de servicio térmico esencialmente retornando a las especificaciones originales de rendimientos,, y prácticamente tres (3) veces lo esperable en un condensador evaporativo, según comentarios de establecidos proveedores de máquinas de refrigeración industrial.
El empleo de rellenos celulares de alta eficiencia tiene un número de aspectos que deben tenerse en cuenta, como ser características del agua del circuito: más del 50% de la literatura técnica de torres de enfriamiento es adecuación o mantenimiento de características aceptables, entre las que podemos mencionar nivel de sólidos suspendidos, actividad biológica, control de incrustación, cantidad de ciclos de concentración, tipo de agua de reposición.
Por ejemplo los rellenos más compactos recomiendan valores máximo de sólidos suspendidos totales menores a 25 ppm con estricto control biológico, eventualmente un poco más (e.g. 100 ppm) con muy poca actividad. Ausencia de material aceitoso (ni 1 ppm!!) , cero fibras, buena calidad de agua de reposición, muy pocos ciclos de concentración y atmósfera circundante con particulado mínimo. Llevar adelante construcciones en los aledaños de las torres puede ocasionar un perfecto cementado de los módulos, totalmente irrecuperables.
Si bien los rellenos usualmente están fabricados para soportar temperaturas relativamente altas (e.g. hasta 55-60°C ciertas formulaciones de PVC, hasta 70-85°C ciertas laminas en polipropileno) en general la pauta mundial, en ausencia de información, es no ingresar caudales de agua con temperaturas superiores a 50°C , dado que legendariamente provoca un deterioro precoz de un gran número de componentes, más allá de solamente los rellenos. El usuario industrial debe tener esto en cuenta y no suponer de ninguna manera que puede hacer circular líquido a temperaturas excesivas impunemente. Si bien impactará en los costos inciales asociados existe un número de tecnologías y recaudos para acomodar las temperaturas de proceso que se requieran. Las siguientes figuras muestran el desastre combinado de descontrol en la temperatura de ingreso de agua y poco apercibimiento del efecto del agregado de aditivos con nutriente (P) en un circuito de enfriamiento, supuestamente bien atendido..
Fig. 2 Efecto combinado de exceso de temperatura e imprudencia en el programa químico (P)
Dentro de la relativa poca utilidad que significa la información en rangos podemos anotar que en líneas generales las alturas de apilamiento de los rellenos celulares contemporáneos pueden ir desde apenas unos [30] centímetros hasta poco más de metro y medio, con velocidades a través del relleno entre 300 y 700 fpm, caída de presión estática entre 0.2 – 0.3” hasta poco menos de 1” H2O, cociente líquido aire entre 0.8 y 2.2 y densidades de flujo entre 4 U.S. GPM/sq.ft. y 12.5 U.S.GPM/ sq.ft.
De gran significación práctica es el apercibimiento de la gradual e inexorable colmatación de los rellenos por la naturaleza dual del equipo de enfriamiento como lavador del aire circundante. Es de pensar que con el correr de un número importante de años, e.g. 15-20, el particulado “común” de la microatmósfera circundante al equipo haya sido aspirado y alojado en las capas inferiores de los rellenos. Este deterioro extremadamente progresivo es naturalmente percibido por los operadores de la planta en el transcurso del tiempo y puede anotarse su “presencia” mediante simple inspección visual de las zonas de lluvia. Como muestra la figura de más abajo, en las instancias de colmatación exacerbada habrá zonas muy diferenciadas en las que prácticamente no cae agua (zonas muertas), otras con chorros concentrados (probable perforación) así como una gran iregularidad en las temperaturas, considerablemente diferentes aún para una misma unidad.
Fig. 3 Zonas de Lluvia Irregulares
En realidad, el constitutivo predominante en las instancias de gradual colmatación está constituído por pseudomonas que pueden configurar fácilmente entre el 10 y el 80% del material depositado o adherido. Otros barros, conteniendo silica, alumina y en mucha menor medida calcio, magnesio y otros compuestos, contribuyen el otro gran porcentaje, e.g. entre 30 y 50%, en los casos más frecuentes. Incrustaciones, en general, muy poco presentes localizadas mayoritaria y clásicamente en las zonas de mayores temperaturas, i.e. superficies de contacto de los intercambiadores y cañerías. Productos de corrosión pueden significar procentuales de 5%, o menos frecuentemente, un poquito más, e.g. 10%. Naturalmente estos son comentarios genéricos y no pueden reflejar la caracterización de un caso específico. Sean láminas o tubos, obviamente los problemas de depósitos se exacerban en las zonas "secas" por lo que es mandatorio mantener una adecuada y uniforme distribución de líquido para el funcionamiento según las especificaciones.
Es bien claro que las dos primeras capas de relleno celular en general son mantenidas en razonable buen estado por la limpieza mecánica que el propio líquido lleva a cabo. En general las zonas de colmatación se presentan en las capas inferiores. Podemos estar hablando de instalaciones con digamos cinco capas de relleno y naturalmente, por las observaciones anteriores, no todos los módulos estarán bien conservados así como tampoco a veces será fácil inspeccionar cada canalización y cuantificar un poco el grado de colmatación en cada nivel. Sin que configure una pauta infalible podemos pensar en "estimar" la gravedad del problema simplemente seleccionando y pesando muestras representativas de distintas celdas y distintos niveles.
En efecto, ya hemos mencionado que el peso en seco por metro cúbico de relleno puede rondar entre 30 y 70 kg/m3. Típicamente podemos pensar que el peso en operación de los rellenos, ie. contabilizando el caudal o película de agua en tránsito, sea aproximadamente el doble. Así un volumen de 1m3 que esté pesando en seco cerca de 50 kg, en operación pesará probablemente un poquito más de el doble, e.g. 101 kg/m3. Un volumen del mismo cubaje (i.e. 1 m3) de una sección inferior puede contener, por ejemplo, esa misma cantidad de sólidos humedecidos, dando un peso total de prácticamente cuatro (4) veces el peso del material en seco, ie. 200 kg/m3.. Nuevamente y también simplemente con el ánimo de contribuir aunque sea un mínimo de "datos" para tener una referencia en lo que sea estadísticas, un volumen de un (1) m3 de relleno tubular contemporáneo puede acumular digamos solamente 10 kg/m3 por año de colmatación en el lapso de un año, mientras que un relleno de elección menos feliz puede acumular cuatro (4) veces más dicho valor, o sea del orden de 40 kg/m3 por año ; en cerca de dos años y medio (= 2.5 = 101kg/40 kg/m3 per año) estaríamos en la situación anterior. Si bien los nïmeros empleados son relativamente arbitrarios y simplificados, cada operador de planta podrá llevar adelante evaluaciones similares siguiendo estos sencillos lineamientos.
Tal como se mencionara anteriormente no es el objetivo de este cuadernillo ahondar en los aspectos de dimensionamiento/diseño o cálculo numérico asociado a la construcción de una torre de enfriamiento. De todas maneras, y meramente a los efectos de ilustrar sucintamente consideraciones de selección de dos tipos muy populares de rellenos, i.e. 226 m2/m3 y 157 m2/m3, llevaremos adelante un dimensionamiento "express" para comentar sobre aptitudes de uno u otro en distintos contextos.
Un proyecto preliminar plantea el enfriamiento de 4,600 m3/h desde 34.7°C hasta 26°C, especificandose la temperatura de bulbo húmedo de diseño en 18°C. El contratista indica la preferencia por distribuir la carga en tres (3) celdas de enfriamiento independientes, de aproximadamente 9m * 9m. La evaluación directa del KaV/L, .i.e. integración por Tchebyshev clásica, para L/G = 1.56 y velocidad de aire 591 fpm, arbitrarios, nos resulta del orden de KaV/L = 1.60 pudiendo ser atendidos, evaluación de fórmula mediante o empleo de curva correspondiente, con 36" de relleno laminar de 226 m2/m3, correspondiendo una presión estática de ca. 0.445". Agregando previsiones de pérdidas de carga en el ingreso, eliminadores y zona de ingreso a ventilador acumulará para llegar a un estimado de 0.85" total que con el caudal de aire previsto, i.e. ca. 515092 CFM nos demandará un brake horsepower de ca. 120 HP por celda para ventilador de 19' (ca. 5.80m) de diámetro..
Reiterando los cálculos para rellenos genéricos de 157 m2/m3 para idéntico servicio nos resulta necesario emplear una cuarta capa adicional, dando una altura a instalar de 48" de relleno celular, a la cual corresponde un L/G = ca. 1.41, KaV/L = 1.41, 650 fpm, pérdida a través del relleno del orden de 0.4" que aumentando con las previsiones de ingreso, eliminadores y zona de ingreso a ventilador da un valor de 0.87" que con el caudal de aire previsto, i.e. 566,475 CFM nos resulta con un brake horsepower de ca. 135 HP por celda para ventilador de 20' (6..10m) de diámetro.
Por qué un profesional especificaría esta última alternativa aún cuando todos vemos que erogará mayor cantidad de rellenos y mayores BHPs? Simplemente porque en esta aplicación, de tipo y porte industrial, podría ser inapropiado el empleo de rellenos tan densos como el primero, típicamente empleado en unidades prefabricadas, para mercados de HVAC/aire acondicionado central y aplicaciones industriales de menor porte o peso, e.g. 500 - 800 US GPM., números nuevamente totalmente arbtirarios. Si se conociesen características del agua del circuito y disponible de reposición, podría que eventualmente incluso descartarse esta alternativa y explorar rellenos aún más abiertos, e.g. 100 m2/m3, o directamente seleccionar rellenos tubulares, combinaciones de celular y tubular, o eventualmente, variantes no estructuradas.
En muchos casos la detección de deterioro (esperable) de rendimiento de enfriamiento en torres apunta fundamentalmente a instancias de colmatación progresiva/gradual del relleno o empaque. Con los años, de alguna manera las torres reflejan el funcionamiento [involuntario] simultáneamente de lavador de aire en todo el lapso de uso. Típicamente se restaura las condiciones de fábrica re-empacando la torre.
La colmatación se comprueba experimental/ocularmente, sin retirar el material de la unidad, detectando la existencia de gradientes térmicos e hidráulicos en la zona de lluvia, i.e. inmediatamente debajo del relleno. Pueden notarse zonas "secas" así como un aumento o concentración de líquido escurriendo por la superficie interna del cerramiento en vez de fluir por el seno del relleno.
La colmatación puede ocurrir como consecuencia de apenas un episodio aparentemente aislado sea en un descuido del programa químico (actividad biológica exponencial) o por efecto lavador de aire/wet scrubber/air washer de la microatmósfera circundante, i.e. aspiración/arrastre de particulado, hollines, polvillos, fibrillas dentro de planta y/o actividades de locales vecinos, fuentes móviles. Instancias extremas han testimoniado cementación de paneles como consecuencia de construcciones aledañas. Puede ser importante examinar los partes de calidad de agua del circuito, e.g. sólidos suspendidos, otros.
Para el caso en que se advierta microatmósferas especialmente problemáticas - i.e. particulados, arenas, polvillos - y se anticipe tareas periódicas de limpieza, se opta por suministro de láminas sin vincular alojadas en bastidores confeccionados en perfiles de hierro galvanizado por inmersión en caliente.
Será importante verificar el estado de los mecanismos de filtrado del circuito, e.g. malla, otro tipo. Idealmente la piscina o pileta es el lugar donde debe fomentarse la sedimentación y extracción de debris. Ayudará también corroborar el consumo del motor teniendo en cuenta los BHP anticipados en los anexos.
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 ...
