Torres de Refrigeración: cómo son, cómo funcionan

 Una torre de refrigeración es un intercambiador de calor cuyo objeto es la eliminación de una cantidad de calor de un sistema hidráulico. Este calor se transmite a la atmósfera, siendo el agua retornado a una temperatura inferior. El aire se usa como un medio de refrigeración por medio del fenómeno físico de la evaporación. La transferencia de calor desde el agua al aire se lleva a cabo por convección y por evaporación

Siempre que es posible, una planta de generación de energía prefiere utilizar un sistema de refrigeración en circuito abierto, tomando el agua fría de un cauce público (mar o río) y devolviéndolo a mayor temperatura después de refrigerar los circuitos necesarios (normalmente, el condensador de la turbina de vapor).

Cuando por razones técnicas o legislativas no se puede disponer de un cauce público del que extraer el agua fría y devolverla a mayor temperatura, se emplea un circuito semiabierto con torres de refrigeración. La principal ventaja es que el aporte de agua es mucho menor, y por tanto, el impacto medioambiental de las plantas que evacuan el calor sobrante utilizando torres de refrigeración, también lo es. La refrigeración con torre evaporativa es con diferencia el sistema más empleado para la evacuación de calor sobrante en centrales termosolares, plantas de cogeneración y centrales de ciclo combinado

Existen tres tipos de torres de refrigeración:

  • Torres de tiro inducido
  • Torre de tiro forzado
  • Torres de tiro natural 
Torres de refrigeración de tiro inducido

En la torre de tiro inducido el agua caliente procedente de la refrigeración se deja caer por el interior de la torre mediante un sistema de distribución de agua, que debe caer uniformemente sobre el relleno. En la parte superior hay unos ventiladores que hacen que el aire circule a contracorriente del agua. El fenómeno de cesión de calor se debe a que al entrar en contacto el agua caliente con el aire se forma una película de aire húmedo alrededor de cada gota. El agua que pasa al aire, y por tanto se evapora, extrae el calor necesario para la evaporación del propio líquido y produce por tanto un enfriamiento del mismo. Por la parte superior sale el aire húmedo, visible si las condiciones ambientales dificultan la dispersión de este vapor en el aire (frío intenso o humedad relativa alta). Este vapor visible se denomina penacho o pluma, y aunque es vapor de agua (más que vapor es niebla, es decir gotas finas de agua) y por tanto no es contaminante, tiene cierto impacto visual.

Una de las principales ventajas de este tipo de torre es que puede ser bastante baja, disminuyendo así la energía requerida para el bombeo de agua a las partes altas de la torre.

Los elementos que compone una torre de refrigeración son prácticamente los mismos para las de tipo forzado e inducido. Los más importantes son los siguientes:

  • Separador de gotas: El separador de gotas tiene la finalidad de detener las gotas de agua que arrastra la corriente de aire al salir de la torre. Este objetivo se consigue mediante un cambio brusco de la dirección (60 grados es la más efectiva) del aire al salir. Esta variación provoca que el agua arrastrada se deposite sobre la superficie del separador de gotas, cayendo posteriormente al relleno. La existencia del separador tiene tres ventajas:

- La reducción de pérdidas de agua.

- Evitar daños en el entorno de la torre, y sobre todo si el agua de torre es agua salada.

- Limitar la formación de neblinas.

  • Sistema de distribución de agua a enfriar: Este sistema de tuberías y conducciones tiene la finalidad de repartir uniformemente el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos de reparto: por gravedad o por presión. En el primero el agua caliente cae sobre el relleno por su propio peso. Su funcionamiento consiste en llevar hasta una balsa colocada sobre el relleno el agua caliente y una vez allí se reparte por unos canales que dejan caer el agua por gravedad sobre unas piezas en forma de herradura que sirven de enlace entre los canales y el relleno. En el segundo, la tubería que contiene el agua con cierta presión (suministrada por las bombas de impulsión del circuito de refrigeración) se conduce por tuberías hasta unos aspersores, que rocían el relleno con pequeñas gotas.
  • Relleno: Tiene una vital importancia para el intercambio de calor ya que debe proporcionar:

1. Una superficie de intercambio lo más grande posible entre el agua que cae y el aire que asciende.
2. Retardar el tiempo de caída del agua, asegurando una mayor duración del proceso de intercambio.

Las características de un relleno deben ser:

- Se debe de realizar con un material de bajo coste debido a la cantidad que se emplea, y debe ser de fácil colocación.
- La superficie del mismo debe ser la mayor posible en relación con su volumen.
- Su diseño debe permitir fácilmente el paso del aire entre él, de forma que ofrezca la menor resistencia y perdida de carga. Así mismo debe distribuir uniformemente el aire y el agua.
- Debe ser resistente al deterioro ambiental, químico y térmico y debe ser fácil de limpiar.

Existen tres formas distintas de realizar el reparto de agua a través del relleno: por salpicadura o goteo, de película o laminares y de tipo mixto. Cada uno tiene sus inconvenientes y sus ventajas por lo que se tiende a utilizar cada tipo de relleno dependiendo de las características de uso y diseño de la torre. Los más habituales son los de película o laminados. Este relleno distribuye el agua en una fina película que fluye por su superficie y por consiguiente pone una gran superficie de agua en contacto con la corriente de aire. La película de agua debe de ser muy delgada y cubrir la mayor superficie posible del relleno, y debe procurarse que el agua descienda adherida a la superficie del relleno evitando que la corriente del aire separe el agua del relleno. Para conseguir estos objetivos se realiza grupos de láminas onduladas de PVC o PP colocadas de forma paralela y a cierta distancia formando cubos para favorecer su apilado.

  • Ventiladores. Estos equipos trabajan en condiciones duras, debido a que están continuamente en funcionamiento, en un clima de elevada humedad y temperatura. Son los encargados de crear el flujo de aire. El equipo completo se compone de motor, transmisión y aspas.

Los motores de las torres de refrigeración deben de estar convenientemente protegidos de la humedad (protección IP55 o IP65 contra polvo y chorros de agua), y de la atmósfera contaminada por los aditivos del agua. Suelen llevar un aislamiento de tipo B (aislado para temperaturas de hasta 120 grados) o F (aislado para temperaturas de hasta 140 grados), y siempre que es posible el motor se coloca resguardado de las corrientes de aire caliente y saturado, mediante su correspondiente sistema de transmisión. Existen diferentes sistemas de transmisión dependiendo de las necesidades de construcción (cardan, acoplamientos flexibles y reductores).

Las aspas suelen ser de plástico o aluminio, por su ligereza y resistencia a la corrosión. El número de aspas influye directamente sobre la presión que se ejerce en ellas: a mayor número de aspas menor presión se ejerce en ellas. Igualmente, un número mayor de aspas supone facilidades para un óptimo equilibrado, para evitar posibles problemas de vibraciones (se recomienda cada tres o cuatro años un equilibrado del ventilador debido a la posible erosión de las aspas, corrosión o a la deposición de suciedad). Se puede variar el ángulo de ataque en parada de éstas, fácilmente.

  • Bombas de impulsión. Las bombas se utilizan para que el agua ya enfriada alcance presión suficiente como para llegar a los diferentes elementos a enfriar y posteriormente subir el agua ya calentada a la parte superior de la torre, cerrando el circuito. El conjunto de bombas deben cumplir con los requerimientos de la instalación (caudal y altura manométrica).
  • Balsa. Situada en la parte inferior de la torre, es el depósito de agua fría de la torre.
  • Sistema de agua de aporte. La evaporación de agua en la torre provoca una disminución del volumen de agua en ésta. Por otro lado, la concentración de sales en el agua se controla con un régimen de purgas adecuado. La evaporación y las purgas hacen que sea necesario el aporte constante de agua.
Torres de tiro forzado

Las torres de enfriamiento de tiro forzado están generalmente dotadas de un ventilador con su eje horizontal en el lado de la torre el cual descarga aire hacia atrás. El flujo de aire es dirigido después hacia arriba por mamparas, haciéndolo pasar a través de la corriente descendente del agua, después de lo cual es descargado por la parte superior a través de un sistema que elimina la mayor parte de las gotas arrastradas. Ya que la totalidad de la superficie de la parte superior de la torre es usada para la descarga de aire, la velocidad del aire de salida es más baja que las velocidades de descarga de la torres de tiro inducido.

Los elementos que componen estas torres son prácticamente los mismos que los que componen las torres de tiro inducido.

La ventaja de estas torres es que el ventilador es más fácilmente accesible y está sometido a condiciones menos rigurosas, por el contrario estas torres tienen peor distribución del aire a lo largo del relleno, suelen ser más elevadas y tienen más consumo eléctrico en ventiladores.

Torres de tiro natural

En las torres de tiro natural el aire se mueve por el efecto chimenea. No se consume ningún tipo de energía para efectuar el movimiento de este aire. Son particularmente seguras en su funcionamiento y generalmente se emplean para el enfriamiento de grandes caudales de agua. Ocupan un volumen mayor a igualdad de capacidad de enfriamiento que las torres de tiro inducido o forzado; esto se debe a que las velocidades del aire son bajas. No son muy habituales en plantas de cogeneración y por el contrario es el sistema más común en grandes centrales eléctricas.

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