Torre de refrigeración

Las torres de refrigeración o enfriamiento son estructuras diseñadas para disminuir la temperatura del agua y otros medios. El uso principal de las grandes torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.

Con relación al mecanismo utilizado para la transferencia de calor los principales tipos son:

En una torre de refrigeración húmeda el agua caliente puede ser enfriada a una temperatura inferior a la del ambiente, si el aire es relativamente seco (ver: punto de rocío).

Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeración:

Bajo ciertas condiciones ambientales, nubes de vapor de agua (niebla) se pueden ver que salen de una torre de refrigeración húmeda (ver imagen).

Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generación de energía eléctrica. Las torres de enfriamiento varían en tamaño desde pequeñas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 220 metros de altura y 100 metros de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren.

Las torres de enfriamiento fueron originadas en el siglo XIX, a través del desarrollo de condensadores para uso de vapor de motor. Los condensadores utilizan agua relativamente fría, para condensar el vapor que los cilindros o turbinas expulse. Esto reduce la presión que por consecuencia reduce el consumo de vapor y, por lo tanto, de combustible, a la vez incrementando el poder y reciclando el agua de la caldera. De todos modos los condensadores requieren un amplio suplemento de agua refrigerante, sin la cual se tornan completamente no prácticos. El consumo del agua de enfriamiento es estimado para reducir la energía disponible para la mayoría de las plantas térmicas.

Para finales del siglo XX, unos cuantos métodos de evaporación, con el fin de reciclar agua refrigerante, eran utilizados en áreas con falta de una fuente de agua constante

Estas torres de enfriamiento primordiales fueron posicionadas, en los techos de los edificios así como en estructuras independientes, y contaban con refrigeración por aire de parte de ventiladores o de alguna otra fuente natural. Un libro Americano de ingeniería de 1911 describe un diseño como "Una liviana placa metálica, en efecto, una pila de chimenea, mucho más corta verticalmente y mucho más alargada lateralmente. En la parte superior hay un conjunto de canales de distribución, a los que debe bombearse el agua del condensador; a partir de estos se escurre sobre "esteras" hechas de listones de madera o pantallas de alambre tejido, que llenan el espacio dentro de la torre".

Una torre de enfriamiento hiperboloide fue patentada por los ingenieros holandeses Frederik van Iterson y Gerard Kuypers en 1918. Las primeras torres de enfriamiento hiperboloides se construyeron en 1918 cerca de Heerlen. Los primeros en el Reino Unido se construyeron en 1924 en la central eléctrica de Lister Drive en Liverpool, Inglaterra, para enfriar el agua utilizada en una central eléctrica de carbón.

En algunas plantas de energía modernas, equipadas con conductos de purificación de gas como la Planta de Energía de Staudinger Grosskrotzenburg y la Planta de Energía de Rostock la torre de refrigeración también se utiliza como chimenea. En plantas que no tengan conductos de purificación de gas esto causa problemas con la corrosión.

Cuantitativamente, el equilibrio de material alrededor de un sistema de torre de refrigeración húmeda está controlado por las variables de funcionamiento estructurales tasa de flujo, evaporación y pérdidas por viento, tasa de trasegado, y ciclos de concentración:

En el boceto anterior, el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua refrigerante encaminada a través de enfriadores del proceso y los condensadores en una instalación industrial. El agua fría absorbe calor de las corrientes calientes del proceso que necesitan ser enfriadas o condensadas, y el calor absorbido calienta el agua circulante (C). El agua calentada vuelve a la cima de la torre de refrigeración y cae en chorros finos – presentando gran superficie para su enfriamiento con el aire – sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, el contacto con el aire que sube por la torre, por tiro natural o forzado por grandes ventiladores. Este contacto provoca que una pequeña cantidad de agua sea pérdida por arrastre del viento (W) y otra parte del agua (E) por evaporación. El calor necesario para evaporar el agua se deriva de la propia agua, que enfría el agua a su regreso al depósito original y en donde queda a disposición para volver a circular. El agua evaporada deja las sales que lleva disueltas entre el grueso del agua que no ha sufrido la evaporación, lo que hace que la concentración de sales se incremente en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sales en el agua llegue a ser demasiado alta, una parte del agua es retirada (D) para su vertido. Se suministra al depósito de la torre nuevo contingente de agua fresca (M) para compensar las pérdidas por el agua evaporada, el viento, y el agua retirada.

El equilibrio del agua en todo el sistema es:

Dado que el agua evaporada (E) no tiene sales, el equilibrio de cloruros del sistema es:

y, en consecuencia:

De un equilibrio de calor simplificado de la torre:

Las pérdidas por viento (W), en ausencia de datos del fabricante, pueden estimarse que son:

Los ciclos de concentración en las torres de refrigeración en una refinería de petróleo normalmente se encuentran entre el 3 al 7. En algunas grandes plantas de energía. Los ciclos de concentración de las torres de refrigeración pueden ser mucho más altos.

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