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Torres de Enfriamiento
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Repblica Bolivariana de Venezuela
Ministerio de Educacin Superior
Instituto Universitario de Tecnologa de Puerto Cabello
(IUTPC)
Ingeniera en Mantenimiento
Torres de Enfriamiento Introduccin al Mantenimiento
Estudiante:
Rosa E. Martnez
Auriluz Quiones
Erika Vsquez
Ninfa Rincon
Yennimar Molero
Brianggeli Parra
Reizon Seijas
Docente:
Lic. Luis Herrera
Carlos Piero
Reni Machado
Arianny Lugo
Puerto Cabello, Noviembre de 2013.
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Torres de Enfriamiento
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Introduccin.
El proceso de enfriamiento de agua es quiz uno de los ms
antiguos que se conoce, ya
desde la antigedad se empleaban jarrones de barro para mantener
el agua fresca y las
superficies de los estanques para enfriar grandes cantidades de
agua.
En la medida en que la industria ha ido creciendo y las
necesidades de enfriar y/o calentar
flujos de agua han aumentado, se han ido desarrollando
dispositivos cada vez ms
eficientes y menos costosos energticamente. En la actualidad las
torres de enfriamiento
tienen mucho uso en la mayora de las refineras de petrleo del
mundo, as como otros
sistemas industriales que requieran de dicho proceso.
En el presente trabajo, tratamos de comprender ms a fondo su
estructura interna,
funcionamiento, tipos de torres de enfriamiento, as como
investigar los diferentes
procesos de mantenimiento que se le realizan a dichas torres
para garantizar un
funcionamiento ptimo y libre de contratiempos para el resto del
proceso industrial.
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Torres de Enfriamiento
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Torres de Enfriamiento.
Las torres de enfriamiento (Cooling Tower) o tambin denominadas
torres de
refrigeracin, tienen como finalidad enfriar una corriente de
agua por vaporizacin parcial
de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y
latente de una corriente de
aire seco y fro que circula por el mismo aparato.
Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se
centra en un equipo de
costo inicial bajo y de costo de operacin tambin reducido.
Con frecuencia la armazn y el empaque interno son de madera. Es
comn la
impregnacin de la manera, bajo presin con fungicidas.
Generalmente el entablado de
los costados de la torre es de pino, polister reforzado con
vidrio, o cemento de asbesto.
Pueden empacarse con empaques plsticos. El empaque de plstico
puede ser
polipropileno, moldeado en forma de enrejado o alguna otra
forma.
El espacio vaco es muy grande, generalmente mayor del 90% con el
fin de que la cada de
presin del gas sea lo ms baja posible.
Como consecuencia la superficie de la interfase no slo incluye
la superficie de las
pelculas lquidas que humedecen el empaque, sino tambin la
superficie de las gotas que
caen como lluvia desde cada fila.
Tipos de torres de enfriamiento.
Las torres de enfriamiento se clasifican segn la forma de
suministro de aire en:
1. Torres de circulacin natural
o Atmosfricas
o Tiro natural
2. Torres de tiro mecnico
o Tiro inducido
o Tiro Forzado
3. Otros tipos:
o Torres de flujo cruzado
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Torres de Enfriamiento
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Torres de circulacin natural
1. Torres Atmosfricas: movimiento del aire depende del viento y
del efecto
aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeas
instalaciones. Depende
de los vientos predominantes para el movimiento del aire.
2. Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como
resultado de la diferencia
de densidades, entre el aire ms fro del exterior y hmedo del
interior de la torre.
Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro
deseado.
Debido al inmenso tamao de estas torres (500 pie alto y 400 pie
de dimetro), se
utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000
gpm. Son
ampliamente utilizadas en las centrales trmicas.
Torres de Tiro mecnico
El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por
boquillas aspersoras o
compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a
travs de unos orificios. El
aire usado para enfriar el agua caliente es extrado de la torre,
en cualquiera de las dos
formas siguientes:
1. Tiro Inducido: El aire se succiona a travs de la torre
mediante un ventilador
situado en la parte superior de la torre. Son las ms
utilizadas.
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2. Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en
el fondo de la torre y se
descarga por la parte superior. Estas torres estn sujetas
particularmente a la
recirculacin del aire caliente y hmedo que es descargado, dentro
de la toma del
ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que
materialmente reduce la
efectividad de la torre.
El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la
torre evita esto y
adems permite una distribucin interna ms uniforme del aire.
Torres de flujo cruzado:
El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a
travs del agua que cae.
Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y
dejan la torre por el tope.
Las torres de flujo cruzado requieren ms aire y tienen un costo
de operacin ms bajo
que las torres a contracorriente.
Componente de las Torres de Enfriamiento.
Las torres de enfriamiento se componen de 7 elementos bsicos que
se describen a
continuacin.
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1. Sistema de distribucin del agua:
Hace referencia a la manera como se
vierte el agua sobre la torre. Existen dos
tipos de sistemas, uno que opera por
gravedad y otro por presin. El primero
se compone de un recipiente y unos
agujeros que distribuyen el agua; tiene
bajos costos de operacin debido a la
poca potencia de bombeo que requiere y
es de fcil mantenimiento. Sin embargo
no se usa en torres que operen a
contraflujo debido a las dificultades que
presentan en la distribucin uniforme del
agua. El segundo se compone de
sistemas de pulverizacin con toberas
orientadas hacia abajo que pueden ser
en forma de espina de pescado o rotativas. Brindan mayor
rendimiento al sistema pero su
mantenimiento es ms frecuente, y los consumos energticos son
mayores.
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2. Relleno.
Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su
finalidad es brindar mayor
tiempo y rea de contacto del aire con el agua. El relleno debe
provocar poca resistencia
al paso de aire y mantener una distribucin uniforme del agua
durante todo su recorrido.
Pueden diferenciarse dos tipos de relleno: de goteo y de pelcula
o laminares.
En los rellenos de goteo las gotas de agua caen sobre una serie
de pisos superpuestos que
van haciendo la gota cada vez ms pequea. Puede presentar
arrastre de gotas, por lo que
se recomienda el uso de eliminadores de gota. Los rellenos
laminares proporcionan mayor
capacidad de enfriamiento, son ms eficientes y no producen tanto
goteo al exterior del
equipo, sin embargo requiere un mantenimiento ms frecuente
3. Eliminadores de gotas.
Los eliminadores bsicamente retienen las gotas de agua
arrastradas por el aire que salen
de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que
redireccionan el flujo y separan
las gotas del aire, hacindolas caer de nuevo sobre el relleno,
tienen dos efectos positivos;
el primero es reducir la reposicin del agua y el segundo evitar
la formacin de ambientes
saturados que puedan afectar las torres adyacentes.
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4. Chimeneas.
Se emplean en torres de tiro inducido para mejorar el
comportamiento del ventilador y
evitar efectos de recirculacin de aire.
5. Ventiladores.
En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de
ventiladores: Axiales para torres de
tiro forzado e inducido y centrfugos para torres de tiro
forzado. Los ventiladores axiales
son apropiados para mover grandes volmenes de aire y tienen
mayores aplicaciones en
equipos industriales grandes. Los ventiladores centrfugos son
adecuados para impulsar
caudales relativamente pequeos con mayores cadas de presin.
6. Bombas.
Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre.
Consumen una fraccin
importante de la potencia requerida en todo el sistema. Cuando
se trata de instalaciones
grandes debe haber una bomba en reposo que pueda entrar en
operacin para efectos de
mantenimiento o reparacin de las otras.
7. Control.
En la mayora de los sistemas de torres de enfriamiento basta con
un control de nivel en la
piscina de agua que controla la entrada de la reposicin.
Funcionamiento de una Torre de Enfriamiento.
Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar
agua en grandes
volmenes porque, son el medio ms econmico para hacerlo, si se
compara con otros
equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el
enfriamiento ocurre a
travs de una pared.
En el interior de las torres se monta un empaque o relleno con
el propsito de aumentar
la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que
la enfra. En las torres se
colocan deflectores o eliminadores de gotas o niebla que atrapan
las gotas de agua que
fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con
el objeto de disminuir la
posible prdida de agua.
El agua se introduce por el domo de la torre por medio de
vertederos o por boquillas para
distribuir el agua en la mayor superficie posible. El
enfriamiento ocurre cuando el agua, al
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caer a travs de la torre, se pone en contacto directo con una
corriente de aire que fluye a
contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo
hmedo inferior a la
temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el agua se
enfra por transferencia de
masa (evaporacin ) y por transferencia de calor sensible y
latente del agua al aire, lo
anterior origina que la temperatura del aire y su humedad
aumenten y que la temperatura
del agua descienda; la temperatura lmite de enfriamiento del
agua es la temperatura de
bulbo hmedo del aire a la entrada de la torre.
Influencias externas sobre el funcionamiento de las torres de
refrigeracin.
Dependiendo del grado de recirculacin la temperatura del agua
fra puede incrementarse
hasta en 5 grados o ms. A lo mejor esto tambin ocasiona que el
sistema opere por
encima de los parmetros de diseo. Todas las torres ofrecen un
potencial riesgo de
recirculacin, la extensin de esta depende de las velocidades de
entrada y salida del aire.
Altas velocidades de entrada incrementan el potencial para la
recirculacin, mientras que
elevadas velocidades de salida disminuyen el riesgo de
recirculacin.
Restriccin del flujo de Aire:
A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y
una temperatura de
bulbo hmedo particular la temperatura del agua fra producida por
una torre de
enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de
entrada. Una
disminucin en la cantidad de aire y la temperatura del agua se
incrementar.
Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se
preocupan en disear
correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que estos
son los que mueven el
aire contra la presin esttica encontrada dentro de la torre.
La presin esttica es una medida de la resistencia del sistema
para un determinado flujo
de aire, esto resulta de las restricciones en el sistema (lo
cual incrementa la velocidad del
aire) y de los cambios en la direccin del flujo de aire.
Viento:
Dependiendo de su velocidad y direccin, tiende a incrementar el
potencial de la torre de
enfriamiento a la recirculacin. No solamente la curvatura creada
por el aire de salida en
la direccin del flujo del viento, tambin se crea una zona de
baja presin en la cual puede
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formarse una porcin de niebla, si la admisin de aire a la torre
esta en esa direccin,
entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa
niebla.
El grado al cual puede afectar la direccin del viento aumenta
dependiendo de la relacin
de la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la
velocidad del viento (Va).
Interferencia:
Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento
pueden Interferir con
el desempeo trmico de la misma. Estas interferencias pueden ser
causadas por otras
instalaciones de la planta u otros equipos. Muchas veces
consisten de contribucin
trmica del efluente de otra torre de enfriamiento cercana.
Otras:
- Las temperaturas de bulbo hmedo de diseo recomendadas han sido
publicadas
para diferentes reas geogrficas en varias publicaciones, una de
ellas es
Engineering Weather Data Muchas veces es recomendable tomar
estos datos y
compararlos con los obtenidos por mediciones locales en el rea
de inters. La
diferencia entre estas lecturas justificar una correccin para la
temperatura de bulbo
hmedo de diseo.
Cuando no se puedan efectuar tales mediciones es recomendable
incrementar la
temperatura de bulbo hmedo en 1 F.
- A menos que la ubicacin de la torre est limitada, esta debe
ubicarse de manera tal
que la descarga de la torre no est ubicada del mismo lado que la
admisin de aire a
la misma. Esto garantiza que no ocurra recirculacin debida a las
corrientes de viento.
- Cuando sea inevitable la recirculacin la temperatura de bulbo
hmedo de diseo
determinada en la recomendacin inicial debe incrementarse an ms
1 F para una
torre de tiro inducido y 2 F para una torre de tiro forzado.
Mantenimiento de las torres de enfriamiento.
Durante la puesta en marcha de una torre de enfriamiento deben
tenerse en cuenta los
siguientes aspectos:
Efectuar una inspeccin visual sobre ventiladores, motores y
reductores de
velocidad, debe hacer correcta lubricacin y la correa del
ventilador debe estar
tensada.
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Debe controlarse el sentido de
giro y las vibraciones del
ventilador, ajustar el ngulo de
los labes si es necesario.
Inspeccionar los rellenos,
comprobar el buen estado, la
correcta colocacin y la posible
formacin de algas que obstruya
el paso del aire.
La vlvula que controla la
reposicin debe estar en buen
estado y en la medida de lo
posible sin corrosin que impida
su funcionamiento.
Durante la operacin pueden aparecer algunos problemas comunes
que se describen a
continuacin:
Una distribucin irregular del agua: Puede deberse a
obstrucciones en los
pulverizadores, rellenos deteriorados o caudal de agua
excesivo.
Temperatura elevada a la salida de la torre: Puede deberse a un
excesivo flujo de
agua, rellenos mal colocados o en mal estado o aire
insuficiente. Se recomienda
comparar las condiciones de operacin con las condiciones de
diseo y comprobar
el estado de los rellenos.
Agua de reposicin excesiva: Puede deberse eliminadores de gotas
mas ubicados o
rotos, excesivo flujo de agua o demasiada inclinacin de las
palas del ventilador.
En cuanto al mantenimiento peridico que debe efectuarse sobre
una torre cabe anotar lo
siguiente:
Cada 6 meses se recomienda una inspeccin de los rellenos,
evaluar su posicin y
realizar limpieza manual para retirar algas, hongos y dems
incrustaciones.
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Puede realizarse una limpieza anual de las balsas.
Evaluar el rendimiento de las bombas y de los ventiladores
peridicamente, se
recomienda contar con las curvas caractersticas de dichos
elementos y realizar
mediciones elctricas que permitan conocer la eficiencia de la
operacin.
Deben realizarse evaluaciones de la calidad del agua de
recirculacin para evitar
niveles de acidez y alcalinidad inadecuados que generen
problemas de
incrustaciones en los rellenos, corrosin en las tuberas y erosin
sobre los
materiales. En la figura a se presenta una tabla con los niveles
de slidos
recomendados en el agua de recirculacin.
Control de capas
Son un recubrimiento denso de material predominante inorgnico,
formado por la
precipitacin qumica inducida de constituyentes soluble en el
agua, que se vuelven
insolubles por aumento de la temperatura, lo cual causa un
exceso en el producto de
solubilidad de algn constituyente del sistema. Las
incrustaciones interfieren con la
transferencia de calor y disminuyen el flujo de agua de
enfriamiento.
Las incrustaciones ms comunes estn formadas por:
Carbonato de calcio
Fosfato de calcio
Sales de magnesio
Slice
Los factores que determinan si un agua es formadora de
incrustaciones son:
Temperatura
Basicidad o acidez (pH)
Cantidad presente de materiales formadores de
incrustaciones.
Influencia de otros materiales disueltos, los cules pueden o no
ser
formadores de incrustaciones.
Cuando alguno de esos factores cambia, la tendencia incrustante
tambin cambia. La
mayora de sales llegan a ser ms solubles cuando se incrementa la
temperatura. Sin
embargo, algunas sales como el carbonato de calcio se hacen
menos solubles cuando se
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incrementa la temperatura. Por eso, el carbonato de calcio causa
depsitos a altas
temperaturas.
Un cambio en el pH afecta grandemente la formacin de
incrustaciones. Por ejemplo,
cuando el pH se incrementa el carbonato de calcio (el ms comn de
los constituyentes de
incrustaciones en los sistemas de enfriamiento) decrece en
solubilidad y se deposita.
Algunos materiales tales como la slice (Si02) son menos solubles
a pHs bajos.
Control de la formacin de incrustaciones
Las formas bsicas de controlar las incrustaciones, son:
Limitar la concentracin de minerales formadores de
incrustaciones, por control
de los ciclos de concentracin o por remocin de los minerales
antes que estos
entren al sistema. Los ciclos de concentracin es la relacin
entre el contenido de
un in en el agua de purga y su contenido en el agua de
reposicin.
Interferir a los iones potencialmente incrustadores. Se adiciona
un cido para
mantener disueltos los minerales formadores de incrustaciones,
tales como el
carbonato de calcio y prevenir el crecimiento de cristales. La
adicin de cido
sulfrico transforma los bicarbonatos en sulfatos, previniendo la
precipitacin
como carbonato de calcio.
Hacer cambios mecnicos en el sistema para reducir la
probabilidad de formacin
de incrustaciones. El incremento del flujo de agua en
intercambiadores con
grandes reas superficiales es un ejemplo de esto.
Tratamiento con productos qumicos diseados para prevenir las
incrustaciones.
Tratamientos con inhibidores qumicos de incrustaciones
Los tratamientos con inhibidores qumicos de incrustaciones ms
usados, son:
Los acondicionadores de incrustaciones: modifican la estructura
del cristal de las
incrustaciones, creando un lodo pesado y transportable en vez de
un cristal duro,
que puede continuar creciendo. Entre los acondicionadores de
incrustaciones
tenemos: Ligninas, taninos, compuestos polimricos.
Los inhibidores qumicos de tratamiento umbral: previenen la
formacin de
incrustaciones, manteniendo en solucin los minerales formadores
de
incrustaciones y no permitiendo que se formen depsitos. Entre
los inhibidores
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qumicos de tratamiento umbral tenemos: Fosfatos orgnicos,
polifosfatos,
compuestos polimricos.
Al igual que en la corrosin, el control del programa qumico y
del sistema de agua de
enfriamiento permite asegurar que la formacin de incrustaciones
no llegue a ser un
problemas
Control de Microorganismos.
En las torres se dan las condiciones ideales para que en el agua
se genere el crecimiento
microbiolgico porque se mantienen temperaturas adecuadas, con PH
balanceados, la
pileta es un lugar con agua casi estancada y al sol por lo cual
se pueden desarrollar algas,
hongos bacterias y moho.
Un pobre control microbiolgico trae problemas de corrosin,
incrustacin y daos a la
salud de las personas cercanas al sistema. La formacin de algas
genera una capa que
consume oxgeno, cuando crece se vuelve gruesa y las capas
inferiores no reciben
oxgeno, estas se adaptan pasando a ser bateras anaerbicas que
consumen el carbono
presente en las superficies de acero y produciendo desechos
cidos; cuando se remueve
esta suciedad se puede apreciar un desgaste o corrosin. Las
algas tambin pueden
formar obstrucciones en el sistema restringiendo el flujo de
agua y afectando las
temperaturas y el rendimiento. El tratamiento qumico debe de
incluir alguisidas que se
alternan con el tiempo para evitar la tolerancia de los
organismos.
Las bacterias que se han encontrado son las pseudomonas y la
legionella que son virus
que generan neumona y otras enfermedades respiratorias y puede
afectar a las personas
si se inhalan.
Control:
Existe una amplia variedad de productos qumicos usados para
controlar el crecimiento de
bacterias en el agua, se pueden clasificar en bactericidas y
bacteriostatos, esto
dependiendo de si matan o retardan el crecimiento de las
bacterias. Pueden ser
inorgnicos, como el cloro, cromatos o compuestos de mercurio y
plata; o inorgnicos
como las aminas, clorofenoles, derivados cuaternarios del
amoniaco, etc.
Algunos bactericidas tienen una funcin dual en el sistema, las
aminas cuaternarias
funcionan tanto como biocidas y como inhibidores flmicos de
corrosin. La adicin
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insuficiente de estos qumicos puede dejar expuesto a la corrosin
a todos los elementos
metlicos de la torre de enfriamiento.
Los bactericidas no pueden matar las bacterias al menos de que
entren en contacto
directo con ellas, esto significa, que las bacterias que crezcan
debajo de depsitos, no
sern destruidas al menos que sean removidas, por lo tanto la
operacin de limpieza es
fundamental antes de iniciar la aplicacin de biocidas. Esto
incluye limpieza de lneas,
retolavado de pozos y equipos, remocin de fondo te tanques,
etc.
El proceso ms sencillo y recomendado consiste en utilizar
biocidas con propiedades
detergentes, la aplicacin debe comenzarse en dosis bajas e
incrementar a medida que el
sistema se limpia hasta llegar a la dosis de mantenimiento. Esto
se hace para evitar el
taponamiento de los sistemas de flujo (tuberas) a causa del
desprendimiento de grandes
capas de material orgnico.
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Conclusin
Las torres de enfriamiento son equipos de transferencia de calor
y masa entre el aire
atmosfrico y el agua caliente procedente de los procesos
industriales (Ver figura). En
stos, el contacto entre el aire y el agua es directo, para lo
cual se utilizan rellenos que
mejoran el tiempo de residencia del fluido dentro de la torre y
se logra una mayor rea de
contacto entre ambos fluidos.
El agua entra por la parte superior y se distribuye
uniformemente en el interior de la torre
mediante el uso de pulverizadores. El contacto directo del aire
atmosfrico con el agua
provoca la evaporacin de una fraccin de agua, la cual requiere
calor de cambio de fase
que es tomado del agua circundante, logrando su
enfriamiento.
El uso de estos sistemas de enfriamiento se justifica cuando es
necesario disipar grandes
cantidades de calor a bajo costo y cuando las temperaturas que
se requieren de
enfriamiento no son muy lejanas de la temperatura ambiental.
La frecuencia del mantenimiento y la limpieza para asegurar la
mxima efectividad
trmica y seguridad del sistema depender de su ubicacin, de la
contaminacin
atmosfrica y del tipo de proceso de enfriamiento.