En las torres de enfriamiento, o bien torres de refrigeración, se consigue enfriar el agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. Para mejorar el contacto aire-agua se usa un entramado denominado relleno.
El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno usando pulverizadores. Así se logra un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
El relleno sirve para acrecentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire tiene sitio una cesión de calor del agua hacia el aire. Esta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consecuente enfriamiento del agua debido a la evaporación.
En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.
La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 por ciento se debe al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo sobresaturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno.
Ésto es dado a que la presión parcial de vapor en la de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéncose una cesión de vapor (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un incremento de la temperatura del aire.
La diferencia de temperaturas del agua al salir y la temperatura húmeda del aire lleva por nombre acercamiento o aproximación, ya que representa el límite termodinámico de enfriamiento al que puede llegar el agua.
Tipos de torres de enfriamiento
La manera más simple y frecuente de clasificar las torres de enfriamiento es conforme la forma de desplazar el aire por medio de estas. Según este criterio, existen torres de circulación natural y torres de tiro mecánico.
En las torres de circulación natural, el movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales. Las torres de tiro mecánico emplean ventiladores para desplazar el aire a través del relleno.
Torres de circulación natural
Se clasifican a su vez en torres atmosféricas y en torres de tiro natural.
Torres atmosféricas
Las torres atmosféricas usan las corrientes de aire de la atmósfera. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal. Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningún obstáculo pueda impedir la libre circulación de aire por medio de la torre.
Tienen un costo inicial alto debido a su importante tamaño, pero el costo de mantenimiento es reducido al no existir partes mecánicas móviles. Una torre de este género puede ser una solución muy barata a ciertas necesidades de refrigeración si se puede asegurar que funcionará frecuentemente expuesta a vientos de velocidades iguales o bien superiores a los 8 km/h.
Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de bombeo aumentan mucho en relación a una torre de tiro mecánico y no compensan el ahorro del costo de ventilación. La temperatura media del agua fría obtenida con una torre atmosférica va a ser inferior a la que se conseguiría con una torre de tiro mecánico diseñada para unas mismas condiciones de uso, puesto que la velocidad real del viento habitúa a ser inferior a la de diseño.
La temperatura de salida del agua siempre y en todo momento va a depender de la velocidad y la dirección del viento. Con este género de torre no es posible lograr un acercamiento pequeño. Actualmente las torres atmosféricas están en desuso.
Torres de tiro natural
Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una enorme chimenea situada sobre el relleno. La diferencia de densidades entre el aire húmedo caliente y el aire atmosférico es el primordial motivo por el cual se crea el tiro de aire mediante la torre.
La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea asimismo ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural deben ser altas, y además deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente.
Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Como las torres atmosféricas, no tienen partes mecánicas. La velocidad media del aire mediante la torre acostumbra a estar comprendida entre 1 y dos m/s.
Las torres de tiro natural no son convenientes cuando la temperatura seca del aire es elevada, puesto que esta debe ser siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un valor de acerca engaño pequeño y es muy difícil controlar exactamente la temperatura del agua.
En las torres de tiro natural no se pueden usar rellenos de gran compacidad, dado a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña posible. Estas torres son muy usadas en centrales térmicas; raras veces se emplean en plantas industriales, debido a la fuerte inversión inicial necesaria.
Torres de tiro mecánico
Las torres de tiro mecánico dan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural.
En estas torres se puede supervisar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden conseguir valores de acercamiento muy pequeños (hasta de 1 o 2 °C, aunque en la práctica acostumbra a ser de tres o bien 4 ºC ). Si el ventilador se encuentra ubicado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire se habla de tiro inducido.
Torres de tiro forzado
En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, prácticamente siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficaces que las torres de tiro inducido, pues la presión dinámica transformada a estática realiza un trabajo útil.
El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que en el caso de tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, en tanto que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida.
Como primordial incoveniente debe mentarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión creada por el ventilador en la entrada de aire.
Torres de tiro inducido
Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o bien de flujo cruzado. El flujo a contracorriente quiere decir que el aire se mueve verticalmente a través del relleno, de forma que los flujos de agua y de aire tienen exactamente la misma dirección mas sentido opuesto.
La ventaja que tienen esta clase de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En este género de torres, el aire puede entrar mediante una o más paredes de la torre, con lo cual se logra reducir en buena medida la altura de la entrada de aire.
Por otra parte, la alta velocidad con la que entra el aire hace que exista el peligro de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática, y por ende, en un incremento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado.
Torres de flujo cruzado
En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular con respecto al agua que desciende. Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, puesto que la altura total de la torre es prácticamente igual a la 5 del relleno.
El mantenimiento de estas torres es menos difícil que en el caso de las torres a contracorriente debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los diferentes componentes internos de la torre. La primordial desventaja de estas torres es que no son aconsejables para aquellos casos en los que se requiera un enorme salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.
Torres de enfriamiento ventajas y desventajas
Las torres de enfriamiento son equipos utilizados en sistemas de refrigeración industrial o de aire acondicionado para eliminar el calor generado por el proceso de enfriamiento. Una de las principales ventajas de las torres de enfriamiento es que reducen la temperatura del agua recirculante, lo que permite un mejor rendimiento de los sistemas de enfriamiento. Además, son más eficientes energéticamente en comparación con otros métodos de enfriamiento.
Otra ventaja de las torres de enfriamiento es que son fáciles de mantener y limpiar. Muchos modelos cuentan con sistemas de filtración que evitan la acumulación de suciedad y sedimentos, lo que ayuda a prolongar la vida útil del equipo. Además, son menos propensas a sufrir averías y requieren menos reparaciones en comparación con otros sistemas de enfriamiento.
Por otro lado, las torres de enfriamiento también presentan algunas desventajas. Una de ellas es que pueden ser ruidosas, especialmente si se encuentran cerca de áreas residenciales o de trabajo. Esto puede causar molestias a las personas que se encuentran cerca de las torres.
Otra desventaja de las torres de enfriamiento es que pueden ser susceptibles a la formación de bacterias y hongos, como la legionella. Estos microorganismos pueden proliferar en el agua estancada y causar enfermedades respiratorias si son inhalados. Por esta razón, es importante llevar a cabo un mantenimiento y limpieza adecuados de las torres de enfriamiento para prevenir la proliferación de estos organismos.
En resumen, las torres de enfriamiento ofrecen ventajas como la reducción de la temperatura del agua recirculante y la eficiencia energética. Sin embargo, también presentan desventajas como el ruido y el riesgo de proliferación de bacterias y hongos. Es importante tener en cuenta estas consideraciones al elegir un sistema de enfriamiento para un proyecto específico.
