miniatura|300px|Planta de energía de Didcot, Reino UnidoTorres de estructura hiperboloide de refrigeración húmedas de tiro natural.
Las torres de refrigeración o torres de 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 reducir 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:
Torres de refrigeración húmedas: funcionan por el principio de evaporación (véase refrigerador inundado). Torres de refrigeración secas: funcionan por transmisión del calor a través de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente.
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 (véase: punto de rocío).
Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeración:
Tiro natural, que utiliza una chimenea alta. Tiro inducido, en el que el ventilador se coloca en la parte superior de la torre (impulsan el aire creando un pequeño vacío en el interior de la torre). Tiro mecánico (o tiro forzado), que utiliza la potencia de motores de ventilación para impulsar el aire a la torre (colocándose en la base).
Bajo ciertas condiciones ambientales, nubes de vapor de agua (niebla) se pueden ver salir de una torre de refrigeración húmeda (véase 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 220metros de altura y 100metros de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas directamente en el lugar donde se requieren.
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Historia
Las torres de enfriamiento fueron originadas en el , 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 crean. Esto reduce la presión que por consecuencia reduce el consumo de vapor y, por lo tanto, de combustible, a la vez incrementando la potencia 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 , unos cuantos métodos de evaporación, con el fin de reciclar agua refrigerante, eran utilizados en áreas con falta de una fuente de agua constante; confiable en tiempos de demanda; o de otro modo adecuado para satisfacer las necesidades de refrigeración. En áreas con tierra disponible, los sistemas tomaron la forma de estanques de enfriamiento; en áreas con terreno limitado, como en las ciudades, tomaron la forma de torres de enfriamiento.
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 estadounidense 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. Las primeras torres 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.
Según el Informe del Gas Technology Institute (GTI), el enfriamiento evaporativo indirecto del punto de rocío del Ciclo de Maisotsenko (Ciclo M) es un método teóricamente sólido para reducir un fluido a una temperatura de punto de rocío que es más baja que su temperatura de bulbo húmedo. El ciclo M utiliza la energía psicrométrica (o la energía potencial) disponible del calor latente del agua que se evapora en el aire. Si bien su manifestación actual es el Ciclo M HMX para aire acondicionado, a través del diseño de ingeniería, este ciclo podría aplicarse como un dispositivo de recuperación de calor y humedad para dispositivos de combustión, torres de enfriamiento, condensadores y otros procesos que involucran corrientes de gas húmedo.
Se estima que el consumo de agua de enfriamiento por parte de las plantas eléctricas y de procesamiento interior reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las plantas de energía térmica para 2040–2069.
En 2021, unos investigadores presentaron un método para la recuperación de vapor. El vapor se carga mediante un haz de iones y luego se captura en una malla de alambre de carga opuesta. La pureza del agua superó los estándares de potabilidad de EPA.
La torre de refrigeración utilizada como chimenea
En algunas plantas de energía modernas, equipadas con conductos de purificación de gas como la Planta de Energía Staudinger de 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.
Equilibrio de material de una torre de refrigeración húmeda thumb|right|350px|Torre de refrigeración húmeda miniatura|Esquema del funcionamiento de una torre de refrigeración.
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:
M= Agua de la estructura en m³/h C= Agua circulante en m³/h D = Trasegado de agua en m³/h E= Agua evaporada en m³/h W= Pérdida por viento de agua en m³/h X = Concentración en ppmw (de sales completamente solubles, normalmente cloruros) XM = Concentración de cloruros en el agua de la estructura (M), en ppmw XC = Concentración de cloruros en el agua circulante (C), en ppmw Ciclos = Ciclos de concentración = XC / XM (sin dimensión) ppmw= partes por millón en peso
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:
M = E + D + W
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:
Donde: HV= calor latente de vaporización del agua = alrededor de 2260kJ/kg ΔT= diferencia de temperaturas del agua de la cima de la torre a su base, en °C cp = calor específico del agua = alrededor de 4184kJ/kg/°C
Las pérdidas por viento (W), en ausencia de datos del fabricante, pueden estimarse que son:
W = 0,3 a 1,0% de C para torres de refrigeración de tiro natural. W = 0,1 a 0,3% de C para torres de refrigeración de tiro inducido. W = alrededor de 0,01% de C si la torre de refrigeración tiene eliminadores del efecto del viento.
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.
Importancia del drenaje Las torres de enfriamiento requieren una purga (blowdown) continua y controlada del agua para mantener un funcionamiento óptimo y garantizar la disipación eficiente del calor generado por procesos industriales o plantas de energía. A medida que el agua circula por la torre y cede calor mediante evaporación, el agua remanente concentra progresivamente sales minerales, sólidos disueltos, aditivos anticorrosivos, incrustaciones de cal, suciedad y algas.
La purga consiste precisamente en descargar de forma controlada una porción de esta agua concentrada, lo que limita la acumulación de contaminantes y previene la corrosión y las incrustaciones que, de otro modo, reducirían la eficiencia del sistema. Asimismo, el drenaje permite evacuar el agua excedente en caso de mal funcionamiento o desbordamiento, evitando daños en los equipos y asegurando la operación continua e ininterrumpida de la torre.
Métodos de transferencia de calor Con respecto al mecanismo de transferencia de calor empleado, los principales tipos son: Las torres de enfriamiento húmedo o torres de enfriamiento por evaporación funcionan según el principio de enfriamiento por evaporación. El refrigerante de trabajo (generalmente agua) es el fluido evaporado y está expuesto a los elementos. Las torres de enfriamiento de circuito cerrado (también llamados enfriadores de fluidos) pasan el refrigerante de trabajo a través de un gran intercambiador de calor, generalmente un radiador, sobre el cual se distribuye agua limpia. rociado y aplicado un tiro inducido por ventilador. El rendimiento de transferencia de calor resultante es similar al de una torre de refrigeración húmeda, con la ventaja de proteger el fluido de trabajo de la exposición y la contaminación ambientales. Las torres de enfriamiento adiabáticas rocían agua en el aire entrante o en una almohadilla de cartón para enfriar el aire antes de que pase por un intercambiador de calor enfriado por aire. Las torres de enfriamiento adiabáticas usan menos agua que otras torres de enfriamiento, pero no enfrían el fluido tan cerca de la temperatura de bulbo húmedo. La mayoría de las torres de enfriamiento adiabáticas también son torres de enfriamiento híbridas. Las torres de enfriamiento secas (o refrigeradores secos) son torres de enfriamiento de circuito cerrado que funcionan mediante transferencia de calor a través de un intercambiador de calor que separa el refrigerante de trabajo del aire ambiental, como en un radiador, utilizando la transferencia de calor por convección. No utilizan la evaporación.