FUNDAMENTOs de torres de enfriamientO: ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO

A pesar de frecuentemente estar construidas en materiales similares, las torres de enfriamiento de agua pueden diferir notablemente en aspectos, "intangibles" pero fundamentales como ser el rendimiento real de la unidad. A menudo, estas "sutilezas técnicas" son solamente discernibles por los profesionales que diariamente o sistemáticamente participan del diseño, fabricación y/o evaluación de dichas unidades. En muchos casos, verdaderamente lamentables, estas sutilezas se traducen paralos confiados usuarios en importantes irregularidades térmicas, "inexplicables", y que a menudo ocasionan trastornos y/o perjuicios en el proceso productivo en montos que exceden varias veces la inversión de capital realizada.

A continuación analizaremos los resultados totalmente dispares, inadmisibles en un contexto de ingeniería informado, que surgen de la fabricación e instalación de unidades con "limitaciones de base."

TORRES DE ENFRIAMENTO DE TIRO INDUCIDO VERSUS TIRO FORZADO

Si bien prácticamente toda torre de enfriamiento de agua o condensador evaporativo incluye algún tipo de tiro mecánico, los distintos fabricantes no siempre instalan los diferentes componentes de la misma manera. Así pues, como se puede ver en la Figura 1., la colocación del ventilador, por ejemplo de flujo axial, puede realizarse la torre o forzando el ingreso del aire desde un lateral (ver Figura 2).

Torre Enfriamiento Tiro Inducido Torre Enfriamiento Tiro Forzado

Figura 1. Tiro Inducido Figura 2. Tiro Forzado

A simple vista, inspeccionando las distintas unidades, no parecen diferir mucho, suponiendo que los materiales de construcción empleados sean "equivalentes". Sin embargo, aunque fuera del alcance de esta presentación, existen torres de enfriamiento con vida útil comprobable de 20-25 años y torres de enfriamiento cuya vida útil, térmica y materialmente hablando, no supera los 2 años. La alternativa de tiro forzado (A&G 89, Diciembre 2012) simplemente perpetúa disfunciones "térmicas estructurales" inaceptables en contextos contemporáneos:

     a. configuran un alto riesgo de déficit térmico, con incumplimientos térmicos cercanos al 20-30 % e incluso fácilmente escalables al 40 - 50%.
      b. involucran un despropósito energético del orden de un 300% superior a los standares contemporáneos (id est diseños con tiro inducido).
     c. provocan un aumento innecesario en el riesgo industrial y seguridad de operarios.
     d. plantean perjuicios adicionales (institucionales/vecinos, maquinaria lindera, playas de estacionamiento, costos de tratamiento de agua) por exceso de arrastre o salpicado de gotas al producirse el deterioro prematuro de las capas de eliminadores de gotas, al no contar con las protecciones de otros diseños.

El desarrollo detallado de la argumentación técnica/ingeniería, por demás extenso/inmaculado/step-by-step, puede descargarse directamente de la edición prepublicación mencionada en:

www.engineeringfundamentals.net/PCI2005handouts/R088-T11.pdf

TORRES DE ENFRIAMIENTO DE FLUJO CONTRACORRIENTE VERSUS FLUJO CRUZADO

Dentro de las configuraciones de tiro inducido, pueden distinguirse las unidades denominadasde flujo en contracorriente (Figura 3.) y las unidades de flujo cruzado (Figura 4.).

Torre Enfriamiento Flujo Contra-corriente Counterflow Torre Enfriamiento Flujo Cruzado

Figura 3. Flujo ContraCorriente Figura 4. Flujo Cruzado

Si bien el diseño y pautas de dimensionamiento de las torres de enfriamiento de tiro inducido, flujo cruzado ha estado espectacularmente documentado, en especial a partir del material de Neil W. Kelly en 1976, prácticamente todos los capacity planning de rutina de las instalaciones, industriales/HVAC central, arrojan déficits térmicos de orden de 30% o más (Técnica del Frío, 1998). Son procentajes de subrendimientos térmicos demasiado grandes para pasar desapercibidos y por los cuales el usuario termina por pagar decenas o centenas de miles de dólares al año anulando la razón de ser de enfriamiento evaporativo. He aquí un ejemplo ilustrativo:

Instalación:	C-479 Shopping
Equipo:	(tiro inducido flujo cruzado; detalle en La Técnica del Frío N° 508, Octubre 1998)
						Compresor (I-P)		Compresor (SI)
Capacidad contratada		900	HVAC chiller tons en el evaporador			900	HP	672	kW
Horas de Operación		1600	horas	(J.Dodds)				1074627	kW h
Estimativo usd/ kW h		0.20	u$s / kW h					214925	u$s/year

Capacidad constatada (real)		600	HVAC chiller tons en el evaporador			Over-rating		1.50
(numérica/empíricamente)				(R.Aull/R.Babecki/L.Almonte)		Subrendimiento		0.33
						*Real/Catálogo*		.67	*67%!!*!
SobreCargo Horas Operación para entregar prestación contratada
		2400	horas					672	kW
								1611940	kW h
								322388	u$s/year
SobreCargo Horas Operación para entregar prestación contratada
		800	horas

SobreCargo Eléctrico Operación para entregar prestación contratada								537313	kW h

SobreCargo Eléctrico Operación para entregar prestación contratada					1 año			107463	u$s/year
SobreCargo Eléctrico Operación para entregar prestación contratada					3 años			322388	u$s
SobreCargo Eléctrico Operación para entregar prestación contratada					5 años			537313	u$s

El desarrollo detallado de la argumentación técnica/ingeniería, por demás extenso/inmaculado/step-by-step, puede descargarse directamente

www.engineeringfundamentals.net/PCI2005handouts/papertdf1998crossflow.pdf

DESVENTAJAS DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO DE FLUJO CRUZADO

DEFICIT TERMICOS: Típicamente, marca a marca, modelo a modelo, fabricante a fabricante, adolesce de un deficit térmico en operación crónico entre un 25% y un 35% de merma respecto a capacidades de enfriamiento “de catálogo.” Así una torre promocionada como capaz de entregar 450 chiller tons solamente es capaz de atender 300 chiller tons; una torre promocionada como atender 200 tons solamente entrega 150 tons. En un número de fabricantes, una unidad de 600 tons no llega ni a la mitad. Ver ejemplo numéric o ilustrartivo en apéndice
EXPULSION DE LIQUIDO: Es el tipo de torre que más expulsa “llovizna/arrastre de gotas” – la expulsión de liquido puede ser entre 5 y 25 veces mayor el correspondiente a una torre de flujo contracorriente de capacidad comparable. Por economías mal entendidas los eliminadores de gotas conforman una especie de extensión plegada de relleno. Costo químicos + daños/manchado entorno/vehículos/etc.
ENSUCIAMENTO EFECTO AIR WASHER: Es el tipo de torre que se colmata/ensucia internamente más rápidamente dado que por efecto lavador, todo particulado aspirado por la unidad se incrusta a la entrada de todo a lo largo del relleno. En un diseño contra-corriente la caída de agua con rumbo hacia la batea actúa como un lavador de particulado antes que ingrese al relleno.
BIOFOULING: Es el tipo de torre que más incentiva/promueve/fomenta/exacerba la actividad biológica de todo tipo (biofouling) al permitir la acción del sol en las bateas de agua caliente abiertas y el ingreso por los entradas de aire y el agujero del ventilador en la batea de agua fría. En contracorriente esto no ocurre dado que el relleno está 100% “oculto” de los rayos de sol.
Es el tipo de torre que más dolores de cabeza provoca en ocasión de localización de las unidades. En particular en las unidades de descarga horizontal se suma el direccionamiento horizontal de ruido y lloviznas. Sea en descarga horizontal (e.g. 675 fpm) o descarga vertical (e.g. 1400 fpm) el subrendimiento adicional por re-ingreso de aire saturado (recirculación) es nada menor. En los diseños de descarga vertical se suma la toma de aire de las secciones superiores prácticamente ubicadas inmediatamente de la descarga con el consiguiente de-rating adicional de capacidad. Asimismo, usuarios desapercibidos pueden instalar (incorrectamente!!) las unidades con las tomas de aire enfrentadas lo que provoca que las torres se disputen inútilmente el aire (HPs desperdiciados en pérdida de carga parásita)
RELLENOS OBSOLETOS/NO RECOMENDABLES: Comunmente el relleno consta que “largas” franjas verticales con baja area de intercambio y sin grado de auto-distribución (versus el contracorriente; esencial para la uniformidad de contacto agua-aire) y frecuentemente no vinculado (“simplemente encastrado”) lo que termina por ocasionar desmoronamientos de los rellenos, e.g. 3m de altura, y total irregularidad.
ZONAS DE RELLENOS SUMERGIDOS: Frecuentemente, en el afán de abatir costos/ahorrar soportería, se encuentran zonas de relleno sumergido en las bateas de agua fría lo cual conspira contra la necesidad de contener la actividad biológica al máximo. Estas zonas sumergidas suministran un soporte fabuloso para el desarrollo de microorganismos! El entorno es óptimo: líquido saturado de oxígeno, rango mesofílico, presencia de nutrientes!
SISTEMA DE DISTRIBUCION DE BATEAS El empleo de bateas o piletas abiertas para distribución de liquido por gravedad con orificios pequeños no hace sino exacerbar los problemas del ya de por sí problemático equilibrio hidráulico de las dos tomas en el caso de doble entrada. Basta el ingreso de unas pocas hojas de árbol o debris para taponamiento de los orificios/toberas y consiguiente desequilibrio hidráulico – desborde de caudal que no llega a ingresar a la torre, escurriendo por fuera. En los diseños contracorriente típicamente la distribución es presurizada y sin exposición.

TORRES FLUJO CONTRACORRIENTE A VERSUS FLUJO CONTRACORRIENTE B ...

Lamentablemente aún dentro de lo que nominalmente podría ser lo indicado/especificado sin más detalles/a secas, id est "torre de enfriamiento de tiro inducido, flujo contracorriente," existe sin embargo un cierto número de desafortunadas decisiones de fabricación/diseño, originadas en el afán de adjudicación del proyecto, que trasladan al usuario cuantiosos perjuicios operativos posteriores, esto es crónicamente penalizado durante toda la vida útil de la instalación: subrendimientos de máquina con consumos$$ considerablemente fuera del presupuesto anticipado. Este análisis, demoledor, es el tema central de la sección de Aplicaciones.

Finalmente podemos destacar dos standard de fabricación y performance. Definimos la torre de enfriamiento de agua para contexto industrial básicamente trabajando 366/7/24 entregando 100% de la capacidad de enfriamiento pactada o más; definimos torre de enfriamiento del circuito comercial, e.g. aire acondicionado central, trabajando digamos unas 1600 horas anuales típicamente con subrendimientos del orden de 30% o más. Lamentablemente hemos testimoniado instalaciones de unidades del circuito comercial en ... centrales térmicas!!!! Hoy en día nos es posible llevar adelante el capacity planning de cualquier instalación o torre trabajando en décimas de Fahrenheit (el error de redondeo es menor!).

Direct Drive Axial Fan

Pressure Spray Nozzle