Proceso y función de torres de enfriamiento

Proceso y función de torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared.

En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. 

En las torres se colocan deflectores o eliminadores de 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 pérdida 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 caer a través 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 húmedo inferior a la temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación ) 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 límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.

Se recomienda el tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, alguicidas, bactericidas y floculantes; y, realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro ya que éstos iones son causantes de las incrustaciones y de la corrosión en los elementos de la torre.

El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación.

La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares.

Cuando el agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de sí misma el calor que necesita, esto origina que el agua se enfríe y por lo tanto que su temperatura disminuya.

Ejemplos de enfriamiento natural por evaporación.

Durante la evaporación natural se absorbe calor y esto constituye un proceso de enfriamiento.

Esto lo demuestra la experiencia:

• Se sabe que el agua contenida en un jarro poroso se mantiene muy fresca a causa de la evaporación que se produce en la superficie del jarro, ya que fluye a través de sus poros y en contacto con el aire no saturado se evapora.
• Un líquido caliente se enfría vaciándolo de un recipiente a otro porque aumenta la evaporación al incrementarse el contacto con el aire.
• El frío que se experimenta al salir de un baño se debe a la evaporación rápida del exceso de humedad en la piel al contacto con el aire.

En la superficie del agua que esta en contacto con aire no saturado sucede lo siguiente:

1. Inicialmente el agua toma calor de sí misma para evaporarse y así se crea un gradiente de temperatura entre el seno del agua y la superficie de contacto.
2. El aire recibe humedad (vapor) y por lo tanto energía en forma de calor latente de vaporización 
3. Después el aire le proporciona energía al agua, la que se evapora cada vez más a expensas de la energía del aire que de sí misma, hasta establecerse un estado de equilibrio a la temperatura de bulbo húmedo del aire.

Variables que influyen en la evaporación.

En la superficie de contacto agua - aire el calor total que gana el aire (Q) esta dado por la relación:

Q = A h DT

Con la que se deduce que la evaporación depende de:

1. Las propiedades del sistema

• Presión total: La evaporación es más rápida a bajas presiones o en el vacío y más lenta a presiones altas.
• Area de contacto (A). La masa de agua evaporada es proporcional a la superficie en la cual se efectúa la evaporación.
• Coeficiente de transferencia de calor (h) el cual depende entre otras variables, de la velocidad del aire. La evaporación se acelera a mayor velocidad de las corrientes de aire, el viento desplaza las capas de aire sobre la superficie de evaporación y arrastra consigo la humedad.
• Diferencia de temperatura (DT) entre el agua y el aire.

2. Efecto difusional de masa

• Humedad del aire: La evaporación es más rápida, cuanto más seco esté el aire o menos saturado de vapor.

3. Propiedades del agua.

• Presión de vapor.
• Conductividad térmica del agua (k).La alta conductividad térmica favorece la evaporación.

Con el objeto de cuantificar el fenómeno de evaporación se hace el siguiente experimento:

A un termómetro cuyo bulbo de mercurio se cubre con un lienzo saturado de agua y se introduce en una corriente continua de aire que fluye a gran velocidad, le ocurre lo siguiente:

Como el aire no está saturado el agua se evapora y se transfiere al aire, inicialmente el agua utiliza su calor latente para su evaporación lo que provoca su enfriamiento, este proceso continua, pero cada vez menos intenso, ya que al enfriarse el agua se genera un gradiente de temperatura, que da la posibilidad de transferir calor del aire al agua y ser empleado para suministrar la energía para la evaporación, entonces el agua se enfría cada vez menos hasta llegar a un punto en que toda la energía proviene del aire y ya no del líquido, en este instante el agua alcanza una temperatura estacionaria y se le llama temperatura de bulbo húmedo.

El fenómeno que ocurre en el termómetro de bulbo húmedo se aprovecha para comprender el proceso del enfriamiento de agua.

En un acercamiento a una escala de micras en la interfase aire - agua dentro de una torre de enfriamiento ocurren fenómenos fisicoquímicos que permiten entender los principios básicos del enfriamiento de agua en presencia de aire no saturado relativamente seco y frío, aunque puede estar más caliente que el agua, condición que no se estudia en ésta ocasión.

Dentro de una torre de enfriamiento se presenta, básicamente, contacto entre una corriente de aire y gotas o película de agua lo que establece las siguientes condiciones en la interfase agua - aire.

• Agua caliente
• Aire frío
• Aire relativamente seco, (no saturado).
• Inicialmente la interfase está a la temperatura del agua.
• Humedad interfasial determinada por el equilibrio o sea saturada.
• El agua toma energía de si misma y se evapora.

Se crea entonces un gradiente de temperatura interno y se produce un flujo de calor sensible del seno del agua a la interfase que se representa por:

• q = r Cp DT

Como el aire está relativamente seco su humedad es menor que la de interfase, existe entonces un gradiente de humedad por lo tanto, hay flujo de agua en forma de vapor NA. A medida que la temperatura del agua baja, el aire gana energía y el gradiente de temperatura entre el aire y la interfase baja también. Entonces el calor total absorbido por el aire es igual a la energía asociada a la evaporación del agua

• q= NAl

Finalmente se llega a un estado estacionario en que el flujo de energía total es igual al calor referido a la masa evaporada mas el calor del aire.

Q =q + q aire = NA l+ q aire

Así se forma una delgada porción de aire saturado llamada película interfasial con un espesor de dimensiones moleculares; es la región donde se contactan las dos fases y es en donde siempre están en equilibrio y se dice que son líquido saturado y vapor saturado a las condiciones de la interfase, la relación entre estas fases la describe la termodinámica.