Torre de enfriamiento

En multitud de procesos industriales es necesario refrigerar determinados sistemas o elementos. Como fluido refrigerante se suele utilizar agua, proveniente de recursos naturales (lagos o ríos) o de depósitos de almacenamiento construidos para ese fin.

En un caso o en otro se debe enfriar el agua caliente, que sale del sistema a refrigerar, para, respectivamente, evitar contaminación térmica o poder volver a utilizar el agua de nuevo. Para enfriar el agua se utilizan las llamadas torres de enfriamiento.

Fig1 Torre de enfriamiento tiro inducido

En una torre de enfriamiento se hace interaccionar una corriente de aire con el agua a enfriar (finamente pulverizada para favorecer el contacto). En este proceso una pequeña cantidad de agua se evapora, suministrando parte de la energía necesaria para su evaporación el resto del agua, que de esta manera disminuye su temperatura. El esquema de una torre de enfriamiento se puede ver en la (fig. 1) y (fig.2).

Para lograr aumentar la superficie de contacto del agua y el aire se suele disponer de algún elemento (láminas o tubos) que logran dicho efecto al gotear el agua en ellos. A dichos elementos, en conjunto, se les suele denominar como relleno.

Fig.2 Esquema de Torre de enfriamiento tiro inducido

Debido a la evaporación, la cantidad de agua existente en la torre va disminuyendo con el tiempo, para evitar este efecto se necesita añadir agua desde el exterior (agua de aporte). Salida de la mezcla de aire-vapor

Las torres de enfriamiento se pueden presentar con diversas configuraciones.

Se pueden clasificar en general, atendiendo al mecanismo mediante el que se hace circular el aire en la torre, o atendiendo a la dirección en la que circulan el agua y el aire.

De acuerdo con el mecanismo por el que circula el aire en la torre, estas se clasifican en:

1. Torres de convección forzada si hay algún elemento mecánico, por ejemplo un ventilador, que obliga a circular el aire a través de la torre (fig. 1).

2. Torres de convección natural si el aire circula a través de la torre por mecanismos naturales (convección natural).

En este caso el tipo de torre más frecuente es el denominado “hiperbólico” (fig. 3).

Fig.3 Torre Parabólica de enfriamiento tiro inducido

Si se atiende a la dirección en la que circulan el agua y el aire en la torre, estas se pueden ser:

1. Torres de flujo a contracorriente si el agua y el aire circulan en la misma dirección y sentidos opuestos.

2. Torres de flujo cruzado si el agua y el aire circulan en direcciones perpendiculares.

3. Torres combinadas cuando se tiene una combinación de las anteriores.

Un esquema de los diversos tipos se puede ver en la fig.4.

Fig.4 Tipos de Torre de enfriamiento.

La elección de un tipo u otro de torre, depende del tipo de instalación (tipo de industria), cantidad de agua a enfriar y costes de instalación y mantenimiento. A continuación se exponen algunas consideraciones que dan una idea del tipo de torre a utilizar en cada caso:

Suponiendo que la torre funciona en régimen estacionario, la ecuación de conservación de la masa para el aire seco y el agua, junto con la ecuación de conservación de la energía aplicadas a la torre en su conjunto, proporcionan información de las características de su funcionamiento. Utilizando la nomenclatura de la fig.3 se tendrá:

1. Ecuación de conservación de la masa:

• Para el aire seco:

• Para el agua:

2. Ecuación de la conservación de la energía (suponiendo que las variaciones de las energías cinética y potencial son despreciables):

Teniendo en cuenta que

De la ecuación se obtiene que

En la mayoría de los casos el calor transferido con los alrededores es despreciable (𝑄) y la potencia requerida por el ˙ ventilador en las torres de convección forzada también es despreciable frente al resto de las energías (𝑊), por lo que la ecuación  se reduce a

y reordenándola se obtiene

Los valores de las entalpias del vapor de agua y del agua líquida se pueden evaluar considerando la entalpia del vapor saturado y líquido saturado, a sus temperaturas respectivas.

La humedad 𝜔 2 y 𝜔 5 se pueden evaluar utilizando la presión parcial del vapor de agua obtenida a partir de los valores de humedad relativa (que suelen ser dato).

Hay que recordar que los valores de (h𝑎5 + 𝜔 5 h 𝑣 5 ) y (h𝑎2 + 𝜔2h𝑣 2 ) se pueden calcular mediante el diagrama de Mollier, o el psicrométrico, y que la entalpia del agua líquida (h𝑙1 , h𝑙3 , h𝑙4 ) se puede calcular de las tablas de vapor.