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A diferencia de los otros proceso unitarios de la serie, por ejemplo filtro prensa, difusores, lodos activados, el cálculo o diseño de torres de enfriamiento involucra una cierta dosis de cálculo numérico “especial.”  Mientras que en el dimensionamiento usual o selección de equipo trabajamos apenas con tasas superficiales, e.g. gpd/sq.ft. o volumétrica, e.g. kgCOD/day per m3, o lineales, e.g. gpm per m de banda, el diseño de torres de enfriamiento involucra por lo menos una integración (sea Runge Kutta, Tchebyshev) para el caso del cálculo del KaV/L para las  torres de enfriamiento de flujo contracorriente (“counterflow”) o “peor aún” la resolución de un sistema de ecuaciones por Gauss Seidel (en realidad una integración multiple) para el KaY/L de las torres de enfriamiento de flujo cruzado (“crossflow”).  En ambos casos estamos pensando típicamente en configuraciones con algún tipo de ventilador, probablemente axial y preferiblemente de tiro inducido (“induced draft”) vs. tiro forzado (“forced draft”).

Se nos plantea entonces la interrogante, al escribir este capítulo, sobre la mejor manera de abordar el tema para beneficio de la mayor cantidad de personas, típicamente usuarios o profesionales evaluando alternativas para equipar o requipar plantas industriales.  Por lo tanto hemos favorecido poner la información más relevante al usuario en los primeros escalones e incluír toda la artillería numérica sobre las partes finales.

Es entonces el propósito de esta primera versión de este sitio comentar sobre los puntos que hacen que determinada torre o diseño o material de construcción sea preferible por sobre otros.  En nuestra experiencia, esta información, para nada sofisticada, no siempre es manejada en los comparativas, aún de buena fé.

Probablemente podamos plantear cualquier análisis sobre la base de tres aspectos fundamentales: rendimientos térmicos, durabilidad/materiales de construcción y consumo energético.

RENDIMIENTOS TERMICOS

Aún cuando parezca un comentario infantil, el tema de rendimiento térmico, en especial los deficits térmicos, crónicos en ciertas torres de flujo cruzado (lamentable y probablemente la mayoría!) y críticos en torres de tiro forzado, sorprenden por la multiplicidad de instancias desafortunadas.  Más allá de la falsificación de rendimientos en la literatura impresa comercial (también ocurre en aireadores!), la tendencia a ignorar o “subestimar” un valor representativo para la temperatura de bulbo húmedo es demasiado grave.  Creemos que el suministro o procuración responsable de la temperatura es tan importante como digamos el caudal a enfriar.  Esto es debido a que de no especificarse un valor apropiado, el “juego” de opciones que se permite (una especie de sistema de ecuaciones indeterminado!) es tan amplio que descalifica la solicitud.  La variación de los montos involucrados en función de la temperatura de bulbo húmedo es demasiado no lineal. 

Antes de proseguir con los puntos siguientes, es importante confirmar cual será el objetivo a cumplir por la o las torres de enfriamiento a instalar.  A grosso modo, podemos clasificar dos grandes categorías o contextos: 1. las aplicaciones en que fundamentalmente se busca una [gran] disipación de calor, e.g. motores diesel, ciertos procesos de extrusión, condensadores barométricos, ciertos compresores de aire,  procesos industriales de distinto tipo, e.g. fundición de aluminio, intercambiadores de aceite; y 2. aplicaciones o situaciones en las que es menester o imperioso “suministrar el agua lo más fría posible.”  

En el primer caso, en muchísimos casos, la disipación de calor puede estar trabajando, por decir algún valor, con 45°C temperatura de entrada de agua y 35°C temperatura de salida de agua.  Probablemente la temperatura de bulbo húmedo diste bastante alejada, e.g. 24° o 25°C.   En estos contextos lo que se persigue es básicamente trasladar el calor del proceso industrial a la atmósfera requiriendo temperaturas de agua fría bastante alejadas de la temperatura de bulbo húmedo reinante o seleccionado.

En el segundo caso, el “suministro del agua lo más fría posible” se reconoce claramente la necesidad del mismo por su impacto en el proceso productivo, sea por enlentecimiento de ciclos, deterioro de producto u otra razón, e.g. necesidad de realizar el proceso en determinado tiempo.  En general este contexto es frecuentemente percibido con claridad por los operadores de la planta o proceso.  Es prácticamente unánime en la comunidad de fabricantes de torres de enfriamiento evitar propuestas que involucren temperaturas de agua fría (t2) demasiado cercanas al valor de temperatura de bulbo húmedo (twb) seleccionado.  En general, se entiende factible el enfriamiento evaporativo de agua respetando una “distancia” (“approach”)  mínima de 5° F (2.78°C) entre t2 y twb.  Ejemplo: supongamos que se haya determinado que en determinada localidad se tome, sea por antecedentes meteorológicos o mediciones en planta, un valor de temperatura de bulbo húmedo de 75°F (23.9°C).  El proveedor responsable de torres de enfriamiento recomendará aplicar  su tecnología suministrando razonablemente agua fría a t2 = twb + 5°F = 75°F + 5°F = 80°F (26.7°C).  En realidad está trabajando en el extremo del espectro pero globalmente es aceptable.  Si se quiere, los extremos del espectro arrancan de 5°F y probablemente 15-20°F o tan alto como resulte conveniente para el proceso.  En forma similar, y sólo para reafirmar el concepto, si la temperatura de bulbo húmedo de diseño fuese 78°F (ca. 25.5°C), podría pensarse sensatamente en requerir t2=twb+5°F=78°F+5°F=83°F (ca. 28.3°C).  Esto no significa que el sistema no pueda suministrar temperatura de agua fría menores; en la medida en que la temperatura de bulbo húmedo descienda, la temperatura de retorno acompañará el andamiento.  Esta evolución puede ser tan favorable que permita lo que se conoce como “free cooling”, i.e. el empleo directo de agua de enfriamiento prescindiendo o by-passeando el sector de refrigeración mecánica.  Es sorprendente como con esta pauta internacionalmente aceptada entre fabricantes de todo el mundo, haya publicaciones de aire acondicionado que sugieran que la distancia entre la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de condensación pueda setearse en los controladores con valores de 5°F!  La moraleja de este segundo contexto es que siendo que las dimensiones, y por lo tanto los montos asociados, evolucionan de un modo muy no lineal al acercar la temperatura de agua fría a la temperatura de bulbo húmedo, los usuarios y profesionales deben balancear cuidadosamente al imponer diseñar y ofertar tan cerca del borde.  Lamentablemente va a haber un núcleo de proponentes que serán capaces de elaborar una oferta que pasará por arriba, olímpicamente, la restricción especulando que nunca o poco se dé, meteorológicamente hablando, el valor de temperatura de bulbo húmedo máximo.

durabilidad/materiales de construcción

Todo fabricante tiene la posibilidad de evaluar o groseramente decidir, la vida útil que asociará al equipamiento que suministra.  Desde el empleo de resinas especiales hasta micronaje y equipamiento eléctrico, hemos visto unidades en operación durante más de 20-24 años sin requipamiento sustancial y equipamiento infeliz que no ha llegado a alcanzar un par de años!  Creemos que es importante ir examinado los distintos componentes y las alternativas usuales en el mercado.

Probablemente el primer punto que aparece en una inspección ocular se refiere al material de construcción del cuerpo de la torre, i.e. los cerramientos incluyendo los laterales, las piletas y partes superiores.  Más allá de las instalaciones de porte involucrando obra civil, los cerramientos usuales están constituídos por resinas polyester reforzadas con fibra de vidrio, paredes con espesores 2-3-4mm, relación resina fibra aproximadamente 2.5 – 3 a 1, como la mejor alternativa, durabilidades superiores a 20 años.  Las alternativas en hierro galvanizado popularizadas en las primeras unidades probablemente basan su preferencia simplemente en un aparente menor costo, siendo susceptibles de presentar problemas de distinto tipo en entornos industriales.  La literatura de tratamiento de aguas está llena de case studies de corrosión y deterioro precoz.  Aunque parezca incredible, existen todavía proveedores que emplean cerramientos en fibrocemento!

Más allá de la dicotomía ventiladores axiales vs. ventiladores centrífugos, es importante prestar atención a los materiales de construcción y equipamiento eléctrico.  En el afán de “mantener la competitividad” hemos visto proveedores que han optado por emplear ventiladores de palas de plástico en polipropileno o PVC con núcleo de aluminio en vez de palas de aluminio maquinado con núcleos de acero galvanizado electrolíticamente.  Podemos recordar que si bien el polipropileno es una material químicamente “noble” sus propiedades mecánicas no son su fortaleza – basta observar las deformaciones que se producen en cualquier canalización de agua con el tiempo, esto es, no tienen que significar necesariamente el mejor material para un componente que deberá mantener su angulo de ataque.  La variante de PVC asocia la clásica fragilidad, más allá de la formulación específica, también reconocida en tubos o caños, aún Schedule 80.  Finalmente, los ventiladores monobloc de aluminio en diámetros mayores, e.g. 1.50m+ con los usuales perfiles no reflejan una preocupación por trabajar con las eficiencias de equipamientos modernos.  Por otro lado, hemos visto ventiladores axiales en instalaciones de cierta importancia con núcleos centrales consistentes en apenas un disco de hierro pintado y palas de aluminio plegado.  La selección de diámetros de ventiladores excesivamente pequeños, especialmente en las unidades mayores,  refleja una preocupación desmedida en disminuir “costos” a costa de aumentar los BHP del conjunto.  Aunque parezca mentira, existen fabricantes que considerar emplear motores de 6 polos como la “alternativa silenciosa”, i.e. vs 4 polos.  Cualquier ingeniero [eléctrico, mecánico] o técnico es especialmente sensible a este punto en cuanto a desgaste y vida útil.  Todos sabemos que emplear un motor de 4 polos nos abarata la propuesta, pero es esto deseable para el cliente industrial?  Como se vé en el análisis de tiro inducido vs. tiro forzado, el “poner el ventilador en el costado” nos “permite” no incluir conos superiores pero a costa de riesgos térmicos, deterioro precoz de la capa de eliminadores de gotas (expuestos!), desarrollo de algas y potencial de colapso.

Aún dentro de los proveedores de torres de flujo contracorriente, tiro inducido existen “infelicidades” como ser termoformar zonas de las láminas de los rellenos yo/ capas de eliminadores de gotas de manera de que actúen como sistema de distribución de agua, en oposición al empleo de ramales o colectores dedicados con sus correspondientes toberas, estas últimas verdaderas piezas de inyección.  Ocurre que con el deterioro de las láminas, es sólo material termoplástico, el “sistema de distribución” así implementado termina por no existir, reduciéndose simplemente al ingreso de agua directamente de la brida sobre zonas localizadas de relleno, generándose by-pass de aire automáticamente – adiós especificaciones térmicas iniciales!  La esencia del proceso unitario es la uniformidad en la alimentación, tanto en el sistema de distribución de agua como en la distribución de aire.  La eliminación de ciertos componentes a los efectos de poder presentar alternativas de bajo costo en la mayoría de los casos sólo terminar por obtener un sistema con perjuicios para el usuario, aún en el corto plazo.  El sistema de distribución de agua consistente en simples bandejas, específicamente en el caso de torres de flujo cruzado, hace que de no emplear cobertores, se desarrolle la problemática de algas que terminan por obturar los orificios o minitoberas, en el caso que se hayan incluído.  De ninguna manera se acercan a los caudales que alcanzan las toberas empleadas en las torres de flujo contracorriente.

Dentro de los materiales de construcción usuales para las láminas de relleno [estructurado] y eliminadores de gotas encontramos formulaciones de PVC, poliestireno de alto impacto y en algunos casos puntuales, polipropileno, aluminio y acero inoxidable.  Las aperturas del corrugado oscilan entre 12mm y 50mm y el micronaje entre 400 y 700 µm antes de termoformado.  La disposición con orientaciones intercaladas y la alternancia de los valles y “montañas” hacen que los rellenos colaboran de alguna manera a redistribuir líquido y aire aún con sistemas de distribución subutilizados o precarious.  Si bien existen alternativas de rellenos estructurados que en principio evitan el empleo de adhesivos o solventes mediante distintos sistemas de encastres, los resultados que se observan en la realidad son grandes zonas con desarreglos lo cual conspira significativamente contra el rendimiento – algo similar a lo que ocurre en las torres Sessil – la redistribución del líquido y el aire termina por ser un desastre.  Los rellenos no estructurados, sea random o de barras, pueden estar fabricados a partir de distintos materiales: plástico, cerámica, madera.

La protección habitual de la mayoría de las piezas metálicas como soportes de distinto tipo es a través de galvanizado por inmersión en caliente.

CONSUMO ENERGÉTICO.

Como puede verse en el estudio de tiro inducido sobre tiro forzado, el diseñador o fabricante de torres de enfriamiento tiene muchas alternativas para lograr responder a una solicitud dada, i.e. caudal de agua a enfriar y el clásico t1/t2/twb.  Básicamente lo que se procura es mantener un equilibrio entre costos iniciales y costos de operación.  Es muy probable que un diseño que se haya orientado siguiendo un criterio de menor inversión inicial pueda involucrar mayor costos de operación.  Por eso es deseable, especialmente en los proyectos de mayor porte, imponer restricciones en cuanto a BHP permisible – en realidad una medida prudente en cualquier planta industrial.  Existen líneas o series de torres de enfriamiento específicamente diseñadas para lograr el menor BHP posible, empleando entre otros recursos, ventiladores de mayor diámetro, algo similar a lo que ocurre en los procesos de aireación mecánica: mayores diámetros y menores velocidades de revolución resultan en un mejor aprovechamiento del recurso energético, en algunos casos en proporciones de 1 a 3, tanto para torres de enfriamiento como aireación mecánica (para confirmar groseramente este aserto basta recordar que el diseñador de la torre, o el fabricante, pueden en principio elegir cualquier cociente líquido gas L/G entre 0.8 y 2.2)  Es muy fácil detectar la presencia o ausencia de esta perspectiva examinado los catálogos de cada fabricante y notar, desgraciadamente, el apego a diámetros pequeños aún en las unidades de mayor porte.  Es obvio que no están pensando en el bolsillo de los usuarios!  Esto se exacerba especialmente en las regiones donde se deben emplear temperaturas de bulbo húmedo de diseño relativamente elevadas, e.g. 26 - 27°C.

El empleo de ventiladores centrífugos, obligando al diseño de tiro forzado y duplicando BHPs versus alernativas axiales responde a restricciones de niveles sonoros excepcionales.  En primera aproximación, el empleo de atenuadores en instalaciones con ventiladores axiales no redunda en una solución proporcional dado que se dispara la pérdida de carga.  Lo sorprendente del tema es que si bien “casi todo el mundo” enfoca su análisis en el sector aerodinámico, y excluyendo aberraciones, la mayor contribución o “polución” sonora es en realidad debida al ruido de cascada de agua.  Es por esta razón que algunos fabricantes ofrecen mallas colocadas en la zona de lluvia para interrumpir la caída y minimizar esta contribución.

 

Síntesis de puntos relevantes - check list de evaluación rápida

1. rendimiento térmico: 100% (flujo contracorriente tiro inducido)  vs. 70% (flujo cruzado en prácticamente todas sus formas y tiro forzado en prácticamente todas sus formas)

2. cerramiento prfv vs. galvanizados

3. motor eléctrico 6 polos vs. 4 polos - acople directo

4. ventiladores axiales: aluminio mecanizado con centro de acero galvanizado electrolítico vs. plásticos

5. sistema de distribución independiente vs. “embebido”

6. relleno confeccionado con láminas vinculadas con solvente/adhesivo vs. encastres

7.. ausencia de cono superior – tiro forzado -de-rating térmico

8. costos de operación

 

 

 

 

 

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