15/03/2017
Las torres de enfriamiento evaporativas son componentes esenciales en muchos sistemas industriales y de climatización. Su función principal es disipar el calor del agua de proceso mediante la evaporación de una pequeña cantidad de la misma. Este proceso, si bien es altamente eficiente para el enfriamiento, conlleva una pérdida constante de agua que debe ser repuesta. Comprender los requerimientos de agua de reposición es fundamental para el funcionamiento óptimo, la eficiencia y el mantenimiento adecuado de estas torres.
Cada torre de enfriamiento, sin importar su diseño específico como las series ADVANTAGE Power Tower®, opera bajo el principio de que la evaporación requiere energía. Aproximadamente, se necesitan 1,000 BTU de energía para evaporar 0.12 galones de agua. Esto se traduce en que cada tonelada de torre (equivalente a 15,000 BTU/hora) requiere aproximadamente 1.8 galones de agua evaporada por hora, lo que equivale a 0.03 GPM (galones por minuto) por tonelada de enfriamiento. Esta evaporación es la principal causa de la necesidad de reponer agua en el sistema.
¿Por Qué las Torres de Enfriamiento Pierden Agua?
Las torres de enfriamiento pierden agua a través de varios mecanismos durante su operación normal. Conocer estas vías de pérdida es crucial para calcular la cantidad total de agua de reposición necesaria y para identificar posibles áreas de mejora en la eficiencia del uso del agua. Las tres causas principales de pérdida de agua son la evaporación, la purga (o purga de sólidos) y la deriva.
Pérdida por Evaporación
La evaporación es el método primario y más significativo de pérdida de agua en una torre de enfriamiento. Es el proceso mediante el cual el calor se transfiere del agua al aire circundante, haciendo que una porción del agua líquida se convierta en vapor y se libere a la atmósfera. Este proceso es inherente a la función de la torre y no puede ser eliminado, ya que es la base del enfriamiento evaporativo. La cantidad de agua perdida por evaporación depende directamente de la carga térmica del sistema y de la diferencia de temperatura del agua a la entrada y salida de la torre.
La fórmula para estimar la pérdida por evaporación (E) en GPM es:
E = (RR * ΔT) / 1000
Donde:
RRes el caudal de recirculación de las bombas de la torre de enfriamiento en GPM.ΔTes el cambio en la temperatura del agua entre la entrada y la salida de la torre (en grados Fahrenheit).
Esta fórmula representa la cantidad de agua que debe evaporarse para lograr el efecto de enfriamiento deseado al remover calor del agua restante en el sistema.
Pérdida por Purga (Bleed-off)
A medida que el agua se evapora, los sólidos disueltos y minerales que contenía originalmente no se evaporan con ella. Estos sólidos permanecen en el agua circulante, aumentando su concentración con el tiempo. Si la concentración de sólidos alcanza niveles demasiado altos, pueden precipitarse y depositarse en las superficies de transferencia de calor, formando incrustaciones. Estas incrustaciones reducen significativamente la eficiencia del sistema y pueden causar daños.
Para controlar la concentración de sólidos, se realiza una purga, que consiste en drenar una porción del agua del sistema con alta concentración de minerales y reemplazarla con agua fresca de reposición que tiene una menor concentración de sólidos. La cantidad de agua de purga necesaria depende de la tasa de evaporación y del "Ciclo de Concentración" (C) deseado, que es la relación entre la concentración de minerales en el agua de la torre y la concentración en el agua de reposición fresca. Un sistema de tratamiento de agua adecuado optimiza este ciclo para minimizar la purga sin permitir la formación de incrustaciones.
La fórmula para calcular la pérdida por purga (B) es:
B = E / (C - 1)
Donde:
Ees la pérdida por evaporación en GPM.Ces el Ciclo de Concentración (la relación de concentración de sólidos deseada).
La purga es una pérdida necesaria y controlada para mantener la calidad del agua y proteger el equipo.
Pérdida por Deriva (Drift Loss)
La pérdida por deriva se refiere a las pequeñas gotas de agua líquida que son arrastradas por el flujo de aire que sale de la torre de enfriamiento. A diferencia de la evaporación (vapor de agua), la deriva son gotas de agua líquida que contienen los mismos sólidos disueltos que el agua del sistema. Aunque generalmente es una porción muy pequeña de la pérdida total de agua, la deriva puede ser importante debido a la posible dispersión de químicos de tratamiento de agua o patógenos en el aire circundante.
La pérdida por deriva se expresa típicamente como un porcentaje del caudal de recirculación total del agua. Los eliminadores de deriva son dispositivos diseñados para capturar estas gotas de agua y devolverlas a la balsa de agua fría de la torre, reduciendo así esta pérdida a niveles muy bajos, a menudo menos del 0.005% o incluso 0.001% del caudal circulante cuando se utilizan eliminadores eficientes y personalizados.
Aunque se puede incluir una constante de deriva en el cálculo total, con eliminadores de deriva modernos, esta pérdida es mínima en comparación con la evaporación y la purga.
Cálculo Total del Agua de Reposición
El agua de reposición es la cantidad total de agua fresca que debe añadirse continuamente al sistema de la torre de enfriamiento para compensar las pérdidas por evaporación, purga y deriva. Es la suma de estas tres componentes.
La fórmula general para determinar el agua de reposición (Make-up Water) es:
Agua de Reposición = Evaporación (E) + Purga (B) + Deriva (D)
Sustituyendo las fórmulas de evaporación y purga, y considerando la deriva como una constante muy pequeña (por ejemplo, 0.005% del caudal de recirculación en GPM para una estimación general sin eliminadores de deriva de alta eficiencia), la fórmula se vería así:
Agua de Reposición = (RR * ΔT / 1000) + ((RR * ΔT / 1000) / (C - 1)) + D
Donde D es la pérdida por deriva en GPM (un valor muy pequeño o calculado como porcentaje del caudal de recirculación).
Es importante recordar que estas fórmulas proporcionan estimaciones. Factores como la humedad del aire, la temperatura ambiente, la velocidad del viento y la carga real del sistema pueden afectar las tasas de evaporación y, por lo tanto, los requerimientos de agua de reposición.
Requerimientos Típicos de Agua de Reposición
En términos generales, la necesidad de agua de reposición para una torre de enfriamiento en operación normal es aproximadamente 0.06 GPM por tonelada de enfriamiento. Esto incluye la evaporación y una purga típica necesaria para mantener la concentración de sólidos dentro de límites aceptables (asumiendo un Ciclo de Concentración moderado).
Otra forma de ver esto es que el agua de reposición suele ser alrededor del 2% del caudal nominal de recirculación de la torre. Este valor puede variar significativamente dependiendo del diseño específico de la torre, la carga térmica real, la calidad del agua de reposición (que define el Ciclo de Concentración posible) y la eficiencia del sistema de tratamiento de agua.
Los fabricantes suelen especificar los requerimientos máximos de agua de reposición para sus modelos bajo condiciones de diseño. A continuación, se presentan algunos ejemplos de la información proporcionada para modelos específicos, mostrando la evaporación máxima, el caudal nominal de la torre y el agua de reposición máxima:
- TC-45F (45 toneladas): Evaporación Máxima 1.35 GPM, Caudal Nominal 135 GPM, Agua de Reposición Máxima 2.7 GPM.
- TC-85F (85 toneladas): Evaporación Máxima 2.55 GPM, Caudal Nominal 255 GPM, Agua de Reposición Máxima 5.1 GPM.
- TC-105F (105 toneladas): Evaporación Máxima 3.15 GPM, Caudal Nominal 255 GPM, Agua de Reposición Máxima 6.3 GPM.
- TC-135F (135 toneladas): Evaporación Máxima 4.05 GPM, Caudal Nominal 405 GPM, Agua de Reposición Máxima 8.1 GPM.
- TC-170F (170 toneladas): Evaporación Máxima 5.10 GPM, Caudal Nominal 510 GPM, Agua de Reposición Máxima 10.2 GPM.
- TC-210F (210 toneladas): Evaporación Máxima 6.30 GPM, Caudal Nominal 630 GPM, Agua de Reposición Máxima 12.6 GPM.
- TC-270F (270 toneladas): Evaporación Máxima 8.10 GPM, Caudal Nominal 810 GPM, Agua de Reposición Máxima 16.2 GPM.
- TC-405F (405 toneladas): Evaporación Máxima 12.15 GPM, Caudal Nominal 1,215 GPM, Agua de Reposición Máxima 24.5 GPM.
- TC-540F (540 toneladas): Evaporación Máxima 16.20 GPM, Caudal Nominal 1,620 GPM, Agua de Reposición Máxima 32.4 GPM.
Estos ejemplos ilustran cómo los requerimientos de agua aumentan con la capacidad de enfriamiento de la torre. Es importante notar que el agua de reposición máxima listada es aproximadamente el doble de la evaporación máxima, lo que sugiere que la purga bajo condiciones de diseño podría ser similar a la evaporación, dependiendo del sistema de tratamiento de agua y los ciclos de concentración permitidos.
Reduciendo la Pérdida de Agua
Aunque la evaporación es inherente al proceso, otras pérdidas pueden y deben ser minimizadas para conservar agua y reducir costos operativos. La pérdida por deriva es el área donde se pueden lograr las mayores mejoras en conservación de agua, además de optimizar el sistema de tratamiento de agua para permitir mayores ciclos de concentración y reducir la purga.
La instalación de eliminadores de deriva eficientes es la forma más efectiva de reducir la pérdida por deriva. Estos dispositivos están diseñados con formas específicas para atrapar las gotas de agua arrastradas por el aire y hacer que condensen y regresen al sistema. Los eliminadores de deriva de alta eficiencia pueden reducir la pérdida por deriva a niveles insignificantes (menos del 0.005% o incluso 0.001% del caudal de recirculación total), lo que representa un ahorro considerable de agua a lo largo del tiempo.
Además de controlar la deriva, optimizar el programa de tratamiento de agua es crucial. Un tratamiento efectivo permite operar la torre a ciclos de concentración más altos, lo que significa que se necesita purgar menos agua para controlar los sólidos disueltos. Esto requiere un análisis del agua de reposición y la selección adecuada de inhibidores de corrosión y incrustaciones.
Aunque no siempre es posible, reducir la carga térmica total del sistema también disminuirá la cantidad de agua que necesita evaporarse para enfriar, lo que a su vez reduce los requerimientos de agua de reposición total.
Presión del Agua de Reposición
La presión del agua suministrada para la reposición es otro factor importante a considerar para el correcto funcionamiento del sistema. La mayoría de las torres de enfriamiento utilizan una válvula de flotador mecánica para controlar el nivel del agua en la balsa y asegurar que se reponga la cantidad adecuada automáticamente.
Estas válvulas de flotador están diseñadas para operar dentro de un rango de presión específico. Generalmente, la presión del agua de reposición debe estar entre 20 y 50 psi (libras por pulgada cuadrada). Operar fuera de este rango puede causar problemas.
Si la presión del agua de reposición es demasiado baja (por debajo de 20 psi), la válvula de flotador puede no abrirse completamente o la tasa de flujo puede ser insuficiente para mantener el nivel de agua requerido, especialmente durante períodos de alta evaporación.
Por otro lado, si la presión del agua de reposición es demasiado alta (por encima de 50 psi), la fuerza ejercida por la presión del agua sobre la válvula puede superar la fuerza de flotación del flotador. Esto puede impedir que la válvula se cierre completamente incluso cuando el nivel de agua es correcto, lo que lleva a un exceso de llenado y desbordamiento de la balsa de agua fría. Una presión excesivamente alta también puede causar un desgaste prematuro en el asiento de la válvula, resultando en fugas constantes.
La solución para una presión de agua de reposición demasiado alta es instalar una válvula reductora de presión (PRV) antes de la conexión de agua de reposición a la torre. Esta válvula ajustará la presión del suministro principal a un valor dentro del rango operativo recomendado (20-50 psi), asegurando el funcionamiento correcto de la válvula de flotador y prolongando su vida útil.
Preguntas Frecuentes sobre el Agua de Reposición
Aquí respondemos algunas preguntas comunes relacionadas con el agua de reposición en torres de enfriamiento:
¿Qué es la pérdida por evaporación en una torre de enfriamiento?
Es la cantidad de agua que se convierte en vapor y se libera a la atmósfera como parte del proceso de enfriamiento. Es la principal pérdida de agua y es necesaria para disipar el calor del sistema.
¿Por qué se realiza la purga en una torre de enfriamiento?
La purga se realiza para controlar la acumulación de sólidos disueltos en el agua circulante. Al drenar una porción del agua concentrada y reemplazarla con agua fresca, se evita la formación de incrustaciones y se protege el equipo.
¿Qué es la pérdida por deriva?
Es la pérdida de pequeñas gotas de agua líquida que son arrastradas fuera de la torre por el flujo de aire. Puede minimizarse significativamente con el uso de eliminadores de deriva eficientes.
¿Cuánta agua de reposición necesita una torre de enfriamiento?
Generalmente, se estima en aproximadamente 0.06 GPM por tonelada de enfriamiento, o alrededor del 2% del caudal nominal de recirculación. Sin embargo, el valor exacto depende de la carga térmica, la calidad del agua, los ciclos de concentración y la eficiencia del sistema.
¿Cuál debe ser la presión del agua de reposición?
Para la mayoría de las válvulas de flotador mecánicas, la presión del agua de reposición debe estar entre 20 y 50 psi para asegurar un funcionamiento correcto y evitar problemas como el desbordamiento.
Conclusión
El agua de reposición es un componente esencial para el funcionamiento continuo y eficiente de las torres de enfriamiento evaporativas. Comprender las razones detrás de la pérdida de agua (evaporación, purga, deriva), cómo calcular estas pérdidas y cuáles son los requerimientos típicos de volumen y presión, permite una mejor gestión del sistema. Minimizar las pérdidas controlables, como la deriva, y optimizar el tratamiento del agua para reducir la purga, son estrategias clave para la conservación del agua y la reducción de los costos operativos. Mantener la presión del agua de reposición dentro del rango recomendado asegura el funcionamiento fiable de los mecanismos de control de nivel. Una gestión proactiva del agua de reposición contribuye significativamente a la longevidad y el rendimiento de la torre de enfriamiento.
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