GUIA DE TORRES DE REFRIGERACIÓ
Totes les plantes industrials, les instal·lacions de clima, refrigeració o producció d’energia, es caracteritzen per emissions de calor més o menys importants en termes quantitatius. Aquesta calor «residual» té, excepte en alguns casos, un baix contingut energètic que no en fa possible o convenient la recuperació. Per tant, s’ha de dissipar externament d’alguna manera.
En aquest article ens ocuparem de les torres de refrigeració evaporativa. Una torre de refrigeració és, avui dia, la tecnologia de refredament més eficient del mercat per dissipar grans quantitats de calor. Per aquest motiu, les torres de refrigeració són els equips de refredament més utilitzats a la indústria.
Torres de refrigeració: funcionament i manteniment
Et donem resposta:
- Què són les torres de refrigeració, per què serveixen i com funcionen?
- On i per què es fan servir? Per què són necessàries?
- Quina és la definició de torre de refrigeració o torre de refredament?
- Què significa evaporatiu?
Torres de refrigeració: què són i on són útils
Les torres de refrigeració o les torres de refredament són dispositius que aprofiten de manera òptima un principi natural tan simple com eficaç. Parlem de l‟evaporació forçada d‟un petit percentatge del volum d‟aigua. Aquesta aigua, en fer el canvi d’estat a vapor, extreu energia del cabal d’aigua no evaporat (calor latent d’evaporació).
El procés mitjançant el qual es produeix la refrigeració per evaporació és tan simple com a antic. Les antigues àmfores de terracota, material porós, permetien que l’aigua traspassés cap a l’exterior en quantitats mínimes. D’aquesta manera es duia a terme un procés d’evaporació i l’aigua de l’interior es mantenia fresca fins i tot a temperatures altes ambientals.
Les torres de refrigeració utilitzen la calor latent de l'evaporació
Les torres de refrigeració poden realitzar encara de millor manera el procés d’intercanvi de calor aigua/aïri. En elles el fenomen d’evaporació es produeix mitjançant l’ús de components senzills i eficaços. En general necessiten un manteniment mínim.
Per a comprendre millor com es produeix la dissipació de calor, és necessari conèixer dos conceptes:
- Calor sensible. La quantitat d’energia calòrica que s’afegeix o se sostreu d’un element físic (com una bateria amb aletes) per a modificar la seva temperatura.
- Calor latent. Es basa bàsicament en el canvi d’estat que pot sofrir una substància com a resultat de la incorporació o la pèrdua de calor. En el cas de l’aigua, pot passar d’una fase líquida a una fase sòlida (gel), si se li lleva la calor quan aconsegueix el punt de congelació. També pot canviar de fase líquida a gasosa (vapor) si s’incorpora calor quan aconsegueix el punt d’ebullició. La calor latent es defineix llavors com la calor que s’introdueix o s’elimina per a canviar l’estat de l’aigua. En particular, en els sistemes de refrigeració per evaporació es defineix la calor latent de l’evaporació.
Una torre de refrigeració ha d’oferir a l’aigua la major superfície possible de contacte amb l’aire , de manera que l’intercanvi de calor sigui òptim.
Això s’aconsegueix mitjançant una superfície d’intercanvi de calor, dissenyat especialment per a aquest fi .Aquesta superfície d’intercanvi, el farciment, s’ha de seleccionar en funció de la qualitat de l’aigua a refrigerar, dels possibles líquids en suspensió, de la seva eficàcia i de la facilitat per a un posterior manteniment.
La temperatura de bulb humit
La temperatura de bulb humit es defineix com la temperatura que mesuraríem si l’aire estigués amb una humitat relativa del 100%. Si el bulb d’un termòmetre l’humitegem amb aigua, l’evaporació d’aquesta aigua fa que la temperatura del termòmetre baixi.
Quant menor sigui la humitat relativa més baixa serà la temperatura de bulb humit respecte a la temperatura ambient. La temperatura de bulb humit proporciona una referència precisa de la temperatura de sortida teòricament assolible per la torre de refrigeració.
Aprofitant aquest concepte, les torres de refrigeració poden refredar líquids molt per sota de la temperatura ambient.
L'eficiència energètica de torres de refrigeració
Donada la seva simplicitat constructiva, combinada amb la gran eficiència en termes de relació cost per kW dissipat, les torres de refrigeració continuen sent avui dia el dispositiu de refrigeració més utilitzat tant en l’àmbit civil com sobretot en l’industrial.
Això es deu al fet que no existeix cap peça mòbil en particular, excepte un ventilador que pot instal·lar-se tant en aspiració com en impulsió. D’altra banda, el consum d’electricitat és realment reduït en comparació amb altres sistemes de refredament.
Especialment en presència de grans quantitats de calor a dissipar (per exemple, acereries, plantes químiques, centrals elèctriques), les torres de refrigeració no tenen rival quant a l’energia elèctrica utilitzada i el limitat espai requerit per a la seva instal·lació. Al mateix temps les temperatures assolibles, en termes d’aigua refrigerada, se situen molt per sota de la temperatura ambient. Pel contrari, els sistemes no evaporatius estan molt subjectes a aquest límit de temperatura pel fet que els sistemes evaporatius funcionen utilitzant l’intercanvi d’evaporació latent (el límit mínim que pot aconseguir l’aigua és la temperatura de bulb humit).
Comparació de les tecnologies de refrigeració: refrigeradors secs, adiabàtics, evaporatius, i chillers.
Quan es necessita seleccionar un sistema de refrigeració industrial o civil, l’elecció ha de fer-se tenint en compte alguns punts fonamentals que garanteixi el sistema més adequat. En particular, han de tenir-se en compte tant les temperatures de funcionament requerides com les relacionades amb les condicions ambientals del lloc d’instal·lació.
Els sistemes de refrigeració en sec o dry coolers, es basen en l’intercanvi de calor sensible. El límit en aquest cas està fixat per la temperatura del fluid de refrigeració, és a dir, l’aire ambient. Aquest tipus de refredament pot aconseguir unes temperatures mínimes d’uns 5 °C per sobre de la temperatura ambient.
Els sistemes adiabàtics combinen la refrigeració per aire amb una petita evaporació d’aigua que els permet aconseguir temperatures de refredament similars a la temperatura ambient.
Si necessitem baixar d’aquesta temperatura o necessitem refredar grans cabals d’aigua, la solució òptima seria treballar amb una torre de refrigeració. Amb la torre de refrigeració podem refredar aproximadament 3 °C per sobre de la temperatura de bulb humit. Si recordem l’apartat anterior, aquesta temperatura de bulb humit està, en la majoria dels casos, molt per sota de la temperatura ambient amb el que aconseguirem temperatures molt més baixes que amb un dry cooler o un adiabàtic.
En cas de necessitar temperatures extremadament baixes l’opció serà un chiller o refrigeradora. El desavantatge d’aquests equips és l’alt consum elèctric dels mateixos però són l’única opció per a determinats casos.
Tot això ens ajuda a aclarir que no existeix un sistema de refrigeració «bo per a totes les estacions”. Fer una elecció apropiada, es basa en els requisits de disseny i les condicions ambientals. Això significa optimitzar el consum d’energia, reduir l’espai amb els sistemes en condicions de funcionar al màxim.
Torres de refrigeració: grandària i components
Hem descobert què són les torres de refrigeració i quin és el principi físic que utilitzen per a mantenir un alt rendiment.
Ara veurem com es construeixen i sobretot, segons quins criteris es dimensionen.
Com dimensionar una torre: la importància de la temperatura del bulb humit
El dimensionament de les torres d’evaporació es fa tenint en compte alguns paràmetres fonamentals:
- energia tèrmica per a dissipar,
- temperatura de l’aigua que entra a la torre,
- temperatura de l’aigua que es vol aconseguir en la sortida,
- condicionis termo-higromètriques (és a dir, temperatura i humitat) característiques de l’àrea d’instal·lació.
Aquesta última informació en particular representa una dada decisiva per a un correcte dimensionament. De fet, permet identificar amb precisió el paràmetre de la temperatura de bulb humit. Aquesta defineix les «pitjors» condicions ambientals de la zona d’instal·lació i el límit al qual tendeix a arribar l’aigua refredada per la torre de refrigeració.
En aquestes condicions límit, han de garantir-se les temperatures de disseny necessàries per a la dissipació de la càrrega tèrmica subministrada pel sistema. La temperatura de referència del bulb humit és en mitjana uns 10 °C menys que la temperatura ambient. L’aproximació és la diferència entre la temperatura del bulb humit i la temperatura de l’aigua refredada. Quant menor sigui l’aproximació necessària per a l’aigua de sortida i major serà la torre de refrigeració necessària per a realitzar-ho.
Normalment, una aproximació entre 2-3 °C i 5-6 °C compleix plenament amb la majoria dels requisits de les plantes modernes.
Components de la torre de refrigeració i materials utilitzats
Principals components d’una torre de refrigeració:
- Estructura principal de contenció i suport de la torre de refrigeració: pot ser de xapa o de fibra de vidre o ambdues. En el cas de torres de refrigeració industrials molt grans, o de tipus hiperbòlic, també s’utilitza el ciment.
- Farciment o paquet d’intercanvi de calor (en torres de circuit obert) o serpentí d’intercanvi de calor, generalment amb tubs llisos (en torres de refrigeració de circuit tancat). Constitueixen el «cor» de la torre de refredament. De fet, són els components a través dels que es realitza l’intercanvi de calor entre l’aigua i l’aire.
- Ventilador axial o centrífug: és l’únic dispositiu mecànic en moviment. Aquest, «força» l’evaporació de l’aigua necessària per a realitzar el refredament. L’elecció del tipus axial o centrífug, depenent de les condicions de disseny, és important per a obtenir el millor funcionament i el menor consum del sistema.
- Sistema de distribució d’aigua, normalment fabricat amb una sèrie de tubs i filtres. Permet distribuir l’aigua a refredar en el farciment (torres de refrigeració obertes) o, sobre el serpentí d’intercanvi (torres tancades).
- El separador de gotes, situat immediatament aigües amunt del ventilador. Té la funció de retenir les gotes d’aigua, que d’una altra manera són arrossegades cap a fora pel flux d’aire del ventilador.
La qualitat de l'aigua de refrigeració
A més, la naturalesa de l’aigua que es refredarà influeix en gran manera. Definirà l’elecció dels materials de construcció que s’utilitzaran. Com s’ha esmentat anteriorment també serà un factor que defineixi el farciment més adequat. En presència d’aigua particularment agressiva o àcida, s’han de preferir els materials inoxidables o la fibra de vidre. Aquesta última és intrínsecament insensible a la majoria dels agents químics.
Si, per contra, l’aigua pot ser contaminada pel procés, arrossegant amb ella brutícia o altres contaminants de diversa índole, inclosos els orgànics, serà necessari avaluar el tipus de farciment. Entre els diferents tipus disponibles, trobem els antiincrustants, canals verticals no creuats i els clàssics packs «splash» basats en el principi d’arrossegament de gotes entre altres.
Purgues i aportació en torres de refredament
Com hem esmentat, les torres de refrigeració aconsegueixen el seu propòsit de refredar l’aigua per l’evaporació forçada d’una certa quantitat d’aigua. La quantitat d’aigua evaporada és directament proporcional a la quantitat de calor que ha de dissipar-se. En particular, es perd al voltant d’1 litre d’aigua cada 600 Kcal de càrrega tèrmica eliminada.
L’aigua evaporada per a obtenir el refredament ha de reincorporar-se al circuit. És convenient dur a terme l’operació mitjançant el condicionament de la qualitat de l’aigua. D’aquesta manera no es produiran infiltracions i dipòsits en el propi circuit. Això es deu al fet que les sals contingudes en l’aigua d’evaporació romanen dissoltes en l’aigua restant que va augmentant en concentració. En resum, es fa essencial mantenir sota control, que no se superin uns certs límits. Normalment, un tractament anticalç adequat i una purga parcial de l’aigua continguda en el circuit i un tractament biocida són més que suficients per a aquest fi.
L’aigua evaporada és una conseqüència de la calor dissipada, i per tant no pot ser modificada en termes quantitatius. L’aigua que es defineix com «purgada» pot modificar-se i que té la funció de mantenir la quantitat de sals dissoltes dins d’uns certs límits.
La purga
La purga es pot gestionar de manera «empírica» tendint a ser una mica superior a l’evaporació. També pot ser controlat per la vigilància constant de la qualitat de l’aigua continguda en el circuit, en particular el paràmetre de conductivitat elèctrica.
El control de la conductividad mediante tratamientos antical especiales, y la posterior gestión de las purgas de manera adecuada, permite reducir considerablemente el desperdicio de agua. Además permite mantener el sistema en perfecta eficacia y ampliar en el tiempo las intervenciones de mantenimiento y la sustitución de los componentes sujetos a desgaste.
Per tant, la solució ideal pot ser optar per solucions «integrades» per a la planta. Aquestes solucions inclouen, a més de la torre de refrigeració, els equips dedicats al control i la gestió de l’aigua. Millor encara si es proposa directament el fabricant. D’aquesta manera poden ser adequats quant al fluid i dissenyats específicament per a la torre de refrigeració vinculada a la explotació
Torres de refrigeració: principals aplicacions industrials i civils
Com es va indicar al principi, les torres de refrigeració s’utilitzen àmpliament en:
- refrigeració industrial
- refrigeració comercial
- HVAC
- processos industrials
Aquesta última àrea representa certament una de les aplicacions més importants de les torres de refrigeració.
Torres de refrigeració: la solució òptima per a les grans potències
Tots els altres sistemes de refrigeració, ja siguin de ventilació, adiabàtics o frigorífics, representen una possible alternativa quan la potència tèrmica a dissipar és relativament modesta. No obstant això, es tornen extremadament antieconòmics quan es tracta de potències molt altes, fins i tot varis MW.
En el sector industrial s’utilitzen tant torres de refrigeració de circuit obert com de circuit tancat. En aquestes últimes, el fluid a refredar, que sempre pot ser aigua o una mescla d’aigua i glicol, circula dins d’un serpentí de tubs llisos que s’humiteja externament amb aigua que evaporar-se sostreu calor al fluid intern.
Torres de refrigeració combinades amb bescanviadors de calor
Les torres evaporatives de circuit tancat són una alternativa vàlida en cas que es vulgui refredar «indirectament» al consumidor. És a dir, es prefereix que el líquid del circuit de refrigeració no estigui contaminat per l’aire.
El mateix tipus de refredament indirecte pot aconseguir-se amb una torre evaporativa de circuit obert combinada amb un bescanviador de calor de plaques.
Torres de refrigeració combinades amb condensadors refrigerats per aigua
Les torres de refredament també s’utilitzen en la refrigeració civil, però, sobretot, industrial i comercial. En particular, les trobem en combinació amb el condensador de les unitats de refrigeració refredades per aigua i avui més que mai en les unitats d’absorció.
Exemples d'àrees d'aplicació
A tall d’exemple, vam mostrar una relació d’àmbits d’aplicació industrial o civil en els quals les torres de refrigeració compleixen la seva funció d’eliminació de la calor dels processos.
- Centrals nuclears, tèrmiques, geotèrmiques i de carbó.
- Plantes de petroli i gas: sovint s’utilitzen grans torres de refrigeració industrial
- Indústria farmaceútica
- Biomassa
- Producció de pneumàtics
- Producció de paper
- Cogeneració i trigeneració
- Sistemes d’aire condicionat en edificis civils i industrials (àrea HVAC).
- Supermercats en combinació amb refrigeradors
- Petites plantes de producció com les gelateries.
- Neteja
Tipus de torres de refrigeració
L’elecció dels diferents tipus i variants de construcció de les torres de refrigeració es realitza durant la fase de disseny. La selecció es fa en funció de l’aplicació a la qual es destinen, o per la grandària del sistema.
Les variables més freqüents que poden guiar l’elecció són, a grans trets, les següents:
- l’energia tèrmica a dissipar
- la naturalesa de l’aigua a refredar
- tipus de procés
- context en el qual té lloc la instal·lació (civil o industrial),
- requisits especials d’instal·lació, per exemple, si es tracta d’una instal·lació nova o d’un reemplaçament.
Torres de refrigeració assemblades en fàbrica i muntades en camp
La grandària del sistema en termes de potència tèrmica a dissipar dirigeix l’elecció cap a torres de refrigeració de tipus modular (FAP) preensambladas en fàbrica, o cap a torres de refrigeració muntades en el camp o FEP (assemblades directament en el lloc).
Les torres de refrigeració de tipus modular poden fabricar-se tant en metall com en altres materials menys «sensibles» a la presència d’aigua i el seu possible efecte de corrosió com és la fibra de vidre. Les torres de refrigeració muntades en camp es construeixen a partir d’una estructura metàl·lica o amb perfils pultrusionats de fibra de vidre o fins i tot de formigó (clàssiques torres hiperbòliques de les centrals nuclears).
Solucions estàndard o silencioses
Un altre element que influeix en l’elecció de la solució constructiva més adequada és la zona d’instal·lació. En un context civil (hospitals, centres comercials, sistemes d’aire condicionat) s’ha de preferir una solució de baix impacte acústic. En aquest cas es preferirà un equip de refrigeració dissenyat amb baixes emissions de soroll o fàcilment silenciable.
Si es tracta d’una zona industrial, els límits de soroll, encara que es presenten com una sol·licitud de disseny, són certament menys vinculants.
Ventiladors centrífugs o axials?
Per a respondre a aquesta pregunta, fem un pas enrere en el temps.
En els últims anys, hi ha hagut una tendència a dirigir l’elecció en el sector civil cap a torres de refrigeració amb ventiladors centrífugs. En canvi, es preferien les versions amb ventiladors axials per a processos industrials.
Avui dia existeixen torres de refrigeració amb ventiladors axials igualment eficients i silenciosos.
Per a cada instal·lació la seva solució: la recopilació d'informació
Finalment, també és necessari conèixer els límits dimensionals o altres situacions preestablertes que poden definir una elecció.
Per exemple, en el cas d’una substitució, pot haver-hi un tanc existent o un espai definit per la instal·lació anterior al que és necessari adaptar-se.
Els diferents aspectes han de ser tractats durant la fase de recopilació de dades entre el client i el proveïdor. És tasca d’aquest últim assumir una funció «assessora» cap al client perquè la proposta sigui la millor des del punt de vista tècnic i econòmic.
Manteniment i tractament de l'aigua de refrigeració
Com tots els dispositius inclosos en un sistema tecnològic, les torres de refrigeració requereixen un programa de manteniment rutinari i, en cas de fallada, extraordinari.
A causa de la seva extrema senzillesa de construcció, les torres de refredament no requereixen en general una atenció especial, sinó l’observació d’algunes directrius molt simples però eficaces per a mantenir-les sempre al màxim rendiment. La seguretat i l’eficiència van de bracet.
El tractament d'aigua a la torre de refrigeració
Els aspectes més delicats poden certament remuntar-se a la naturalesa de l’aigua en circulació. És a dir, no sols l’atenció al tipus d’aigua a refredar, sinó com aquest aigua és controlada i condicionada perquè no es deteriori des del punt de vista fisicoquímic.
L’aigua ben tractada evita els dipòsits i incrustacions a la torre de refrigeració que en general es troba en la planta. També té una gran influència positiva en la reducció al mínim de la possible de proliferació i propagació de substàncies orgàniques (algues) o bacteris, inclosa la més estesa i potencialment perillosa que pot causar legionel·losi.
Una torre de refrigeració neta significa eficàcia, per tant, capaç d’oferir el màxim rendiment amb el mínim consum: tant en termes d’electricitat com d’aigua evaporada i purificada.
Bones pràctiques del fabricant de torres de refrigeració
Els components que conformen les torres de refredament també es beneficien d’una gestió correcta. Els bescanviadors de calor tenen una major vida útil, els motors i els ventiladors funcionen en millors condicions pel fet que una aigua corrosiva podria deteriorar les parts més sensibles.
Pel que fa a les pràctiques que han de seguir-se per a obtenir aquesta condició, en general n’hi ha prou amb seguir les instruccions específiques proporcionades pel fabricant. Han de respectar-se, en relació amb els controls i el manteniment periòdics, així com els paràmetres químic-físics per a l’aigua en circulació. No obstant això, hi ha directrius més generals, sovint també esmentades en els manuals dels fabricants, que proporcionen «bones pràctiques» vàlides per a tots els sistemes en els quals s’utilitzen torres de refrigeració. Organismes prestigiosos en aquest sentit són Eurovent, Cooling Technology Institute o AEFYT .