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PROCESOS 903-HM120-P09-GUD-076 Rev. 0

GUA PARA LA ESPECIFICACIN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTOEVAPORATIVAS DE TIRO MECNICO

903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa 1 de 82 INEDON

peFECHA OBJETOELABORIniciales

REVISIniciales

APROBIniciales/Cargo

JUL. 09 Emisin Original AAES/ABA/

MJP

ABA/GP

MJP/GP

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n d i c e

Pgina

1. INTRODUCCIN .................................................................................................... 6

2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 6

3. EXCEPCIONES ...................................................................................................... 6

4.

USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 6

5.

PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................................... 7

6.

INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA................................................ 7

7. ACRNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 8

8. MEMORIA DE CLCULO ....................................................................................... 8

9.

DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 9

10.

FLUJOGRAMA BSICO DE ESPECIFICACIN.................................................. 19

11. TORRES DE ENFRIAMIENTO ............................................................................. 22

11.1. Tiro Mecnico ....................................................................................................... 2611.1.1. Tiro Inducido ......................................................................................................... 2611.1.2.

Tiro Forzado ......................................................................................................... 27

11.2.

Tiro Natural ........................................................................................................... 28

11.2.1. Con Rociadores .................................................................................................... 2811.2.2.

Hiperblicas .......................................................................................................... 28

11.3. Tiro Hibrido ........................................................................................................... 3011.4. Sistemas de Flujo ................................................................................................. 3011.4.1.

Flujo en Contracorriente ....................................................................................... 31

11.4.2.

Flujo Cruzado ....................................................................................................... 32

11.4.3. Otros Tipos de Flujo ............................................................................................. 3211.5. Mtodos de Transferencia de Calor...................................................................... 3311.6.

Internos ................................................................................................................. 33

11.6.1. Relleno ................................................................................................................. 3311.6.2. Sistema de Distribucin ........................................................................................ 3511.6.3.

Eliminadores de Arrastre ...................................................................................... 35

11.7. Piscina (Pileta) de Agua Fra y Fosa de Succin de las Bombas ......................... 3611.8. Estructura ............................................................................................................. 3911.9.

Disminucin del Penacho ..................................................................................... 41

12.

FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEO................................................... 41

12.1. Temperatura de Bulbo Hmedo............................................................................ 4212.2. Temperatura de Bulbo Seco ................................................................................. 4212.3.

Diferencia de la Temperatura de Aproximacin .................................................... 42

12.4. Rango de Enfriamiento ......................................................................................... 43

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12.5.

Torre de Enfriamiento en el Sistema .................................................................... 43

12.6. Presin Atmosfrica (Baromtrica) y Altura sobre el Nivel del Mar ...................... 4512.7. Carga de Calor ..................................................................................................... 4612.8.

Flujo de Agua de Enfriamiento ............................................................................. 46

12.9. Interferencia .......................................................................................................... 4612.10. Recirculacin del Aire ........................................................................................... 4712.11.

Ubicacin de la Torre y Orientacin ...................................................................... 47

13.

REQUERIMIENTOS DE AGUA ............................................................................ 48

13.1. Agua de Circulacin .............................................................................................. 4913.2. Agua de Reposicin .............................................................................................. 5013.3.

Ejemplo de Clculo ............................................................................................... 52

13.4. Reglas Heursticas ................................................................................................ 5214. CALIDAD DEL AGUA ........................................................................................... 53

14.1.

Agua Fresca ......................................................................................................... 54

14.2.

Agua de Mar ......................................................................................................... 55

14.3. Mantenimiento de la Calidad del Agua ................................................................. 5515. HOJA DE DATOS ................................................................................................. 60

15.1.

Formato de la Hoja de Datos ................................................................................ 60

15.2.

Elaboracin de la Hoja de Datos .......................................................................... 73

16. PRUEBA DE DESEMPEO ................................................................................. 73

17.

EVALUACIN DE EQUIPOS EXISTENTES ........................................................ 73

17.1.

Programa para Evaluacin Termodinmica .......................................................... 73

17.2.

Informacin Requerida ......................................................................................... 74

18. REFERENCIAS .................................................................................................... 75

ANEXO 1 EJEMPLO DE CLCULO PARA LAS VARIABLES BSCIAS .......... 77ANEXO 2 IMPUREZAS EN EL AGUA DE ENFRIAMIENTO ............................. 78

ANEXO 3 FORMATO DE LA HOJA DE DATOS PARA LAS TORRES DEENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECNICO .................................. 82

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LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Definicin Unidad

a rea de contacto entre el volumen de la torre [m /m ], [ft /ft ]

CP Calor especfico del agua [J/(kgC)],[BTU/(lbF)]

CP, w Calor especfico del agua a una temperaturapromedio entre T1y T2

[J/(kgC)],[BTU/(lbF)]

f Factor de conversin 0,00153 (mtricas)0,00085 (USC)

G Flujo superficial de aire [kg/(m h)], [lb/(ft h)]

h Entalpa de la corriente del aire [J/g], [BTU/lb]

h Entalpa del aire saturado a la temperatura delagua

[J/g], [BTU/lb]

ha Entalpa del aire a la temperatura de bulbohmedo, TWB

[J/g], [BTU/lb]

hs Entalpa del aire a la temperatura del agua [J/g], [BTU/lb]K Coeficiente de transferencia de masa [kg/(hm2)], [lb/(hft2)]

L Flujo superficial de agua [kg/(m h)], [lb/(ft h)]

Ld Porcentaje de las prdidas por arrastre

Qb Flujo volumtrico de las purgas [m /h], [USgpm]

Qd Flujo volumtrico de las prdidas por arrastre [m3/h], [USgpm]

Qe Flujo volumtrico de las prdidas por evaporacin [m /h], [USgpm]

Qm Flujo volumtrico del agua de reposicin [m /h], [USgpm]

Qn Calor retirado en las equipos de intercambio decalor que usan agua de enfriamiento [kJ/h], [BTU/h]

QT Capacidad de enfriamiento de la torre (calorretirado)

[J/h], [BTU/h]

Qw Flujo volumtrico del agua para enfriamiento [m /h], [USgpm]

n Nmero de los ciclos de concentracin (sin dimensin)

T1 Temperatura de entrada del agua de enfriamientoa la torre (agua caliente)

[C], [F]

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LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Definicin Unidad

T2 Temperatura de salida del agua de enfriamientodesde la torre (agua fra)

[C], [F]

TWB Temperatura de bulbo hmedo del aire que entra ala torre de enfriamiento

[C], [F]

V Volumen activo de enfriamiento [m /m ], [ft /ft ]

Ww Flujo msico del agua de enfriamiento [kg/h], [lb/h]TA Diferencia de la temperatura de aproximacin [C], [F]

TR Rango de temperatura [C], [F]

w Densidad del agua de enfriamiento a latemperatura de entrada

[kg/m ], [lb/ft ]

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1. INTRODUCCIN

La Disciplina de Procesos en un Proyecto elabora las especificaciones de lastorres de enfriamiento, definiendo el calor removido, las condiciones deoperacin, incluyendo el flujo y las propiedades fsico-qumicas del agua.

2. OBJETIVOS

Los objetivos principales de este INEDON son:

La informacin bsica sobre las torres de enfriamiento y sus componentesprincipales.

El conocimiento de las diferentes propiedades del aire y del agua queafectan el desempeo de las torres.

El clculo de los flujos de agua asociados a la torre.

La informacin sobre el control de la calidad del agua.

El uso del formato para la especificacin de las torres.

3. EXCEPCIONES

Las torres de enfriamiento forman parte de los sistemas de agua deenfriamiento en una instalacin, pero dichos sistemas son solo mencionadosbrevemente en este INEDON y se muestra un ejemplo bsico para considerarel uso de las torres en ese sistema.

El tratamiento del agua para su uso en las torres de enfriamiento est excluidodel contenido. Sin embargo, la Seccin 14 contiene informacin bsica sobre lacalidad del agua.

4. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA

I. Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre losindicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen dealgn criterio, el Lder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobacindel Cliente para usar los criterios mostrados aqu.

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II. El usuario de este INEDON tiene la obligacin de utilizar la revisin msactualizada de la normativa (normas, cdigos, estndares,especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional utilizada en elProyecto. As como, solicitar al Cliente o ente gubernamentalcorrespondiente, la normativa local usada en el pas donde se construyela instalacin.

5. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA

Procedimientos relacionados con este INEDON:

Ingeniera (HM010)

903-HM010-A90-TEC-003 Equivalencia de Trminos entre Centros deEjecucin

903-P3000-A20-ADM-917 Procedimiento para la Identificacin, Registro yAplicacin de Lecciones Aprendidas

Gestin de la Calidad (HM060)

903-HM060-G09-ADM-901 Elaboracin y Actualizacin de INEDONES

Procesos (HM120)

903-P3100-P09-ADM-901 Bases de Diseo

903-P3100-P09-ADM-906 Diseo y Especificacin de Equipos

6. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA

Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON:

Procesos (HM120)

903-HM120-P09-GUD-013 Bases y Criterios de Diseo

903-HM120-P09-GUD-015 Gua para la Elaboracin de los Balances deProcesos

903-HM120-P09-GUD-025 Gua para la Elaboracin de los Diagramas deTuberas e Instrumentacin

903-HM120-P09-GUD-030 Gua para la Especificacin de las Bombas
http://ineweb/inedon/HM010/903-HM010-A90-TEC-003.pdfhttp://ineweb/inedon/HM010/903-P3000-A20-ADM-917.pdfhttp://ineweb/inedon/HM060/903-HM060-G09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-906.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-013.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-015.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-015.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-013.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-906.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/inedon/HM060/903-HM060-G09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/inedon/HM010/903-P3000-A20-ADM-917.pdfhttp://ineweb/inedon/HM010/903-HM010-A90-TEC-003.pdf

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903-HM120-P09-GUD-052 Gua para la Elaboracin de la Memoria deClculo

903-HM120-P09-GUD-054 Gua para la Seleccin de los Materiales deConstruccin

903-HM120-P09-TEC-072 Listas de Verificacin de Procesos

Los Procedimientos y las Instrucciones de Trabajo pueden estarrelacionados de manera directa: el INEDON es citado en estedocumento, o indirecta: el INEDON contiene informacin adicional parael usuario pero no es citado en este documento.

7. ACRNIMOS Y SIGLAS

AGMA American Gear Manufacturers Association

BME Balance de Masa y Energa(Material and Heat Balance)

CTI Cooling Technology Institute

DBP Diagrama Bsico de Procesos

DTI Diagrama de Tuberas (Caeras) e Instrumentacin (PID:Piping and Instrumentation Diagram)

HdD Hoja de Datos

HI Hydraulic Institute

INEDON inelectraDocumento Normalizado

SDT Slidos Disueltos Totales: Total Dissolved Solids (TDS)

snm Sobre el nivel del mar

USC United State Customary (Units): (Unidades de Medicin)Habituales en los EUA

8. MEMORIA DE CLCULO

La memoria de clculo para la especificacin de las torres de enfriamiento esrealizada segn el INEDON Gua para la Elaboracin de la Memoria deClculo, N 903-HM120-P09-GUD-052.
http://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-052.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-054.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-TEC-072.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/Manual%20del%20Ingeniero/Inedones/903-P3100-P09-GUD-052.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-052.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-052.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/Manual%20del%20Ingeniero/Inedones/903-P3100-P09-GUD-052.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-TEC-072.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-054.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-052.pdf

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9. DEFINICIONES GENERALES

Agua de Circulacin (Circulation Water)

Agua que circula a travs del sistema de enfriamiento, es decir, el agua deenfriamiento. Vase la Seccin 13.1.

Agua de Reposicin (Make-up Water)

Agua aadida para reponer las prdidas del agua de circulacin. Vase laSeccin 13.2.

Agua de Retorno (Supply Water)

(1) Agua que sale de un sistema de enfriamiento de flujo directo.

(2) Agua caliente que retorna a la torre desde un sistema de enfriamiento concirculacin.

Agua de Suministro (Supply Water)

(1) Agua que entra a un sistema de enfriamiento de flujo directo.

(2) Agua fra que sale de la torre y entra en un sistema de enfriamiento concirculacin.

Agua Fresca (Fresh Water)

En este INEDON, es agua dulce; pero el trmino es tambin usado para elagua de reposicin. Vase la Seccin 14.1.

Aire Seco (Dry Air)

(1) Aire sin contenido de vapor de agua, se trata de un caso ideal que no sepresenta en la atmsfera.

(2) Aire que entra a la torre de enfriamiento, el cual tiene un contenido devapor de agua menor que el aire que sale.

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Aire Saturado (Saturated Air)

Aire con un contenido mximo de vapor de agua a la presin atmosfrica y unatemperatura definida; si se aumenta su temperatura, no se incrementa elcontenido de vapor de agua; si se produce un enfriamiento, el vapor de aguacondensa.

Alcalinidad, Basicidad (Alkal inity)

Capacidad acidoneutralizante de una sustancia qumica en solucin acuosa, esexpresada en equivalentes de base por litro (mEq/L, miliequivalente por litro) oen su equivalente de carbonato de calcio (CaCO3) como partes por milln(ppm), generalmente en base msica: ppm en peso, en ingls se usacomnmente la unidad wppm.

Aproximacin (Approach)

Diferencia de temperatura entre el agua fra que sale de la torre de enfriamientoy la temperatura de bulbo hmedo del aire que entra a la torre. Vase laSeccin 12.3.

Balance de Materia (Masa) y Energa (Calor) (Mass and Energy Balance)Documento donde se indican las caractersticas y propiedades principales delas corrientes del proceso, con sus condiciones de operacin normales.Consulte el INEDON Gua para la Elaboracin de los Balances de Procesos,N 903-HM120-P09-GUD-015.

Bases de Diseo (Basis of Design)

Documento elaborado conjuntamente entre el Cliente e inelectra. Eldocumento establece la informacin bsica del lugar del Proyecto, premisas y

criterios de diseo especiales o particulares, requerimientos de operacin,constructibilidad y mantenimiento, normativa para el Proyecto, y toda lainformacin adicional en la cual se fundamenta la ejecucin del Proyecto.

Dependiendo del alcance del Proyecto y del documento, los usuarios puedenser solo Procesos, varias o todas las Disciplinas. Consulte los INEDON Basesde Diseo, N 903-P3100-P09-ADM-901, y Bases y Criterios de Diseo, N903-HM120-P09-GUD-013.
http://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-015.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-013.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-013.pdfhttp://ineweb/inedon/HM120/903-P3100-P09-ADM-901.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-015.pdf

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Calor (Duty)

El calor (o transferencia de calor) es la transferencia de energa entre un medioy otro debida a una diferencia de temperaturas. Los procesos de transferenciade calor se describen a continuacin y se muestran en la Figura 1.

Conduccin: cuando la diferencia de temperatura existe en un medioestacionario.

Conveccin: si existe un gradiente de temperatura entre una superficiefija y un fluido en movimiento.

Radiacin: intercambio de calor entre dos superficies a distintastemperaturas, sin que estn en contacto. La transferencia se lleva acabo mediante ondas electromagnticas.

Figura 1. Procesos de transferencia de calor.

Celda (Cell)

Subdivisin ms pequea de una torre, delimitada por paredes exteriores y/oparticiones, y puede operar de manera independiente.

Chimenea (Virola) del Ventilador (Fan Stack)

Estructura donde se encuentra el ventilador (Figura 2), tiene forma de venturipara disminuir la prdida de presin del aire.

Calor

Conduccin

T1 T2

T1>T2

Conveccin

Ts>T

Ts

Calor

T

Radiacin

T2

T1

Materialconductor

Fluido enmovimiento

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Ciclos de Concentracin (Concentration Cycles)

Ciclos de purga (remocin o desecho) de agua para disminuir la concentracinde sales y otras sustancias solubles originada por la evaporacin de agua ydisminuir los efectos de la corrosin. Ejemplo del concepto, si se hierven trestazas de agua hasta obtener una taza, esta ltima contiene una concentracintres veces mayor de sales (considerando que solo el agua fue evaporada) y sedice que tiene tres ciclos de concentracin.

Condiciones Reales (Actual Condit ions)

Presin y temperatura del fluido a las condiciones de operacin (@ Py T). Eltrmino aplica a variables volumtricas como el flujo y la densidad. Ladesignacin A es de uso comn en la industria. Ejemplos: ACF (Aft3), piecbico actual; Am3, metro cbico actual.

Condiciones Estndar y Normales (Standard & Normal Condit ions)

Presin y temperatura base para la especificacin del volumen de gas y lquido,los valores tpicos son:

CondicinPresin absoluta Temperatura

[bar] [psi] [C] [F]

Estndar 1 atmsferaestndar

1,01325 14,695915,56 60,00

Normal 0,00 32,00

Las designaciones S para estndar y N para normal son de uso comn en laindustria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cbico estndar; Nm3, metro cbico normal.

Las condiciones estndar o normales estn definidas en las Bases deDiseo del Proyecto.

CTI, Cooling Technology Institute

Instituto que aboga y promueve el uso responsable de los sistemasevaporativos de transferencia de calor. Dentro de sus objetivos estn elaseguramiento mnimo de los niveles de calidad y desempeo de las torres deenfriamiento. Muchos vendedores tienen una certificacin del CTI como pruebade su estndar de calidad.

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Cubierta de Ventiladores (Fan Deck)

Superficie que cierra el tope (techo) de la torre de enfriamiento de tiro inducidoy donde se soporta la chimenea (virola) y el motor del ventilador (Figura 2)

Figura 2. Elementos principales de una torre de enfriamiento, adaptado de [6].

Arrastre, Derivacin (Drift)

Agua perdida en la torre de enfriamiento en forma de niebla o de pequeasgotas arrastradas por el aire circulante, sin incluir las prdidas por evaporacin.

Diagrama de Tuberas (Caeras) e Instrumentacin, DiagramasMecnicos de Flujo (Piping and Instrumentation Diagram)

Diagramas que describen la secuencia del proceso, su automatizacin ycontrol, indicando todos los equipos, las lneas, la instrumentacin, las lgicasde control y accesorios que los conforman. Consulte el INEDON Gua para laElaboracin de los Diagramas de Tuberas e Instrumentacin, N 903-HM120-P09-GUD-025.

Salida del aire

Salidade agua

Entradade agua

Entradadel aire

Entradadel aire

Chimenea (virola)del ventilador

Cubierta del ventiladorMotor del ventilador

Aspa (pala) delventilador

Eje de transmisin

Eliminador de arrastre

Relleno

Piscina (pileta) de agua fra

Distribuidores yrociadores de agua

Estructura
http://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdf

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Diagrama Psicromtrico (Psychrometric Diagram)

Diagrama que relaciona mltiples parmetros de la mezcla aire-agua (Figura 3):temperaturas de bulbo hmedo y seco, humedad relativa, relacin de humedad,entalpa de saturacin y volumen especfico. Los datos del diagrama son unafuncin de la presin atmosfrica.

Figura 3. Diagrama psicromtrico simplificado.

Dispersante (Dispersant )

Sustancia de superficie activa que es aadida a una suspensin (generalmenteun coloide) para mejorar la separacin de las partculas y prevenir sudeposicin.

Dureza (Hardness)

Concentracin de los compuestos minerales que hay en el agua,principalmente las sales de calcio y magnesio. Como heurstica, se consideraque el agua es dura cuando contiene ms de 120 mg CaCO 3/L.

Relacindehumedad

[masadeagua/masadeaireseco]

Temperatura de bulbo seco

0 %

0

0

0

0

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Factor de Servicio AGMA (AGMA Service Factor)

Factor de servicio usado para los reductores que impulsan los ventiladores.

Humedad Absoluta (Absolute Humidi ty)

Cantidad de vapor de agua por unidad de volumen de aire para una presin ytemperatura definidas, generalmente se expresa en unidad de masa entreunidad de volumen (por ejemplo, kg/m3, lb/ft3).

Humedad Relativa (Relative Humidi ty)

Relacin entre la presin parcial del vapor de agua en el aire y la presin desaturacin del agua a una temperatura definida; generalmente se expresa enporcentaje.

Penacho (Plume)

Efluente formado por aire y vapor de agua (usualmente visible) que sale de latorre de enfriamiento.

Prdida, Agua de (Water Losses)

Flujo de agua perdido en el sistema de enfriamiento por evaporacin, arrastre ylas purgas. Vase la Seccin 13.2.

Persianas, Registradores (Louvers)

Aspas o arreglos de paso instalados en la entrada del aire (dentro de la torre deenfriamiento) para controlar la salpicadura del agua y/o promover un flujouniforme de aire a travs del relleno.

Psicrometra (Psychrometry)

Rama de la ciencia que trata las propiedades de las mezclas gas-vapor deagua. La de mezcla aire y vapor de agua (aire hmedo) es el sistema mscomn.

Purga, Agua de (Purge Water)

Flujo de agua extrado del agua de circulacin. Vase la Seccin 13.2.

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Reductor (Reducer)

Elemento que impulsa el ventilador, estn ubicados dentro de la chimenea(virola).

Sistema de Agua de Enfriamiento (Cooling Water System)

Sistema de distribucin de agua para el enfriamiento de otros fluidos en unproceso. Dependiendo de los requerimientos, puede o no existir una torre de

agua de enfriamiento en el sistema. Existen tres configuraciones bsicas(Figura 4):

A) Sistema de recirculacin abierta (open recirculating system): el agua esdistribuida a travs de los equipos de intercambio de calor, en dondeaumenta su temperatura, luego es enfriada para ser distribuida de nuevo.El sistema es denominado como abierto cuando existe una torre deenfriamiento en la cual se pierde parte del agua por evaporacin.

B) Sistema de recirculacin cerrada (closed recirculating system): el recorridodel agua es similar al sistema anterior, pero el agua es enfriada en un

equipo de enfriamiento cerrado, por ejemplo, un intercambiador de calordel tipo chiller.

C) Sistema de flujo directo (once-through system): el agua caliente que salede los equipos de intercambio de calor es desechada, es decir, noreutilizada para enfriamiento.

El uso de un sistema especfico es una decisin econmica de inversin y deoperacin, que considera la disponibilidad del agua para enfriamiento y lacantidad de calor retirado de los equipos de intercambio de calor, estodetermina el tamao del sistema de enfriamiento. El Cuadro 1 muestra las

principales ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento descritosanteriormente.

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Figura 4. Sistemas de agua de enfriamiento, adaptado de [2].

Sistema de recirculacin abierta

Torre de enfriamiento

Equipos deintercambio de calor

Sistema de recirculacin cerrada

Equipo paraenfriamiento


Sistema de circulacin de flujo directo

Suministro Descarga


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Cuadro 1. Ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento.

Sistema Ventajas Desventajas

Recirculacinabierta

Menor rango deaproximacin entre latemperatura del medio fro ydel caliente.

Corrosin. Ensuciamiento. Incrustaciones. Se requiere tratamiento

del agua.

Recirculacin

cerrada

El agua permanece mslimpia.

Corrosin

Ensuciamiento.

De flujo directo

El suministro es fro. No se requiere torre de

enfriamiento. No se requiere tratamiento

de agua.

Corrosin. Ensuciamiento. Incrustaciones.

Temperatura de Bulbo Hmedo (Wet Bulb Temperature)

Temperatura del aire medida con un termmetro a la sombra con el bulboenvuelto en una mecha de algodn hmedo bajo una corriente de aire.

Temperatura de Bulbo Seco (Dry Bulb Temperature)

Temperatura del aire medida con un termmetro expuesto libremente al aire,pero protegido de la radiacin solar y de la humedad.

Tiro (Draft)

En los intercambiadores de calor con aire y las torres de enfriamiento (draft):direccin del aire a travs de los ventiladores, puede ser de tiro inducido oforzado.

Vendedor (Vendor)

Compaa o persona que vende y garantiza el correcto funcionamiento de latorre de enfriamiento. Un vendedor puede ser un fabricante o alguien quesuministra los tems de varios fabricantes.

Ventilador (Fan)

Equipo rotativo con aspas (palas) que genera el movimiento del aire a travs delas torres (Figura 2).

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10. FLUJOGRAMA BSICO DE ESPECIFICACIN

La Figura 5 muestra el flujograma bsico de cualquier especificacin realizadapor la Disciplina de Procesos para los equipos (e instrumentos). La adaptacinpara este INEDON es la siguiente:

Conocimiento del alcance del Proyecto:

Saber qu se requiere de la Disciplina de Procesos en un Proyecto est

establecido en el alcance. La informacin necesaria puede estar en lostrminos de referencia de la Propuesta original para el Proyecto, en laminuta o acta de la reunin de arranque (kickoff meeting), en los cambiosde alcance, etc.

El alcance vara con el Cliente, la etapa del Proyecto (Ing. Conceptual,Bsica, de Detalle, Proyecto IPC, etc.), si la instalacin es nueva o serealiza una adecuacin para una instalacin existente.

El conocimiento del alcance del Proyecto es un requerimiento para elpersonal de la Disciplina de Procesos, el cual incluye al Lder de la

Disciplina, los Ingenieros y Especialistas de Procesos.

Obtencin de la documentacin necesaria:

Bases de Diseo del Proyecto: el documento se puedecomplementar con informacin de este INEDON y especfica delProyecto.

Normativa usada para el Proyecto: las normas, los cdigos,estndares, las especificaciones, leyes, etc. varan en los Proyectosy se requiere obtener la versin ms actualizada. Es posible que el

documento Bases de Diseo solo nombre la normativa; pero esfuncin de la Disciplina de Procesos, la obtencin de la informacindetallada.

BME: ayuda a conocer las caractersticas de los fluidos del proceso.

DBP: complementa al documento anterior.

DTI: el documento representativo de la Disciplina de Procesos, es elque tambin muestra ms informacin sobre los equipos

1a

1b

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relacionados con la torre de enfriamiento. Debido a que el diseo dela torre de enfriamiento es subcontratado a un vendedor, Procesoselabora un DTI donde se muestra el lmite del vendedor y se hacereferencia al DTI elaborado por el vendedor. Consulte el INEDONGua para la Elaboracin de los Diagramas de Tuberas eInstrumentacin, N 903-HM120-P09-GUD-025.

Hoja de Datos o Especificacin del Equipo: contiene informacindetallada sobre del equipo (dimensiones, condiciones de diseo,etc.). Segn la etapa y alcance del Proyecto, se pueden obtener delvendedor, de la Disciplina de Ingeniera Mecnica o de Procesos.

Memoria de Clculo del Sistema de Agua de Enfriamiento: en estedocumento se muestra los requerimientos bsicos para la torre.

Hojas de Datos del Vendedor (en la emisin como construido oconforme a obra): esta informacin es indispensable para laevaluacin de las instalaciones existentes. Las hojas de datos delvendedor son la fuente ms confiable para conocer la especificacinde la torre.

En el caso de la evaluacin de una instalacin existente, cualquierdocumento o informacin relevante para el anlisis es solicitada alCliente, comenzado en la Propuesta tcnica y durante la ejecucindel Proyecto. En algunos Proyectos, es alcance de inelectra ellevantamiento (relevamiento) de la informacin existente.

La falta de informacin origina que la Disciplina de Procesos tengaque realizar consideraciones y suposiciones, estas son incluidas enla Memoria de Clculo. Adicionalmente, se aadenrecomendaciones para obtener informacin ms confiable ydisminuir la incertidumbre.

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios:

El documento de Bases de Diseo del Proyecto contiene de maneraresumida la informacin para el dimensionamiento o la especificacin delos equipos e instrumentos; pero en algunas ocasiones, la Disciplina deProcesos establece premisas en base a la informacin de otros Productospropios o de las otras Disciplinas.

2
http://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-025.pdf

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Figura 5. Flujograma bsico para las especificaciones de Procesos.

Especificacin del equipo:

En el caso de las torres de enfriamiento, la Disciplina de Procesossuministra los datos requeridos para el dimensionamiento del equipo; elcual es realizado por el vendedor.

Elaboracin de la Memoria de Clculo:

Los clculos realizados para determinar el requerimiento de calor, flujo de

agua de enfriamiento y agua de reposicin son soportados por la Memoriade Clculo, vase la Seccin 8.

Elaboracin de la HdD o Suministro de datos a otra Disciplina:

La elaboracin de la HdD consiste en especificar la informacin requeridapor otras Disciplinas y luego por el vendedor para el diseo de la torre deenfriamiento. Vase la Seccin 15.2.

Conocimiento del alcancedel Proyecto

Conocimiento de las bases,premisas y los criterios

1a

2

Obtencin de ladocumentacin necesaria

1b

Especificacin del equipo3a

Elaboracin de la Hoja de Datos oSuministro de datos a otra Disciplina

4a Actualizacin deotros Productos

4b

Elaboracin de laMemoria de Clculo

3b

3a

3b

4a

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Actualizacin de otros Productos:

Los otros Productos son actualizados con los resultados, por ejemplo elsumario de servicios industriales con el clculo del agua de reposicin.

11. TORRES DE ENFRIAMIENTO

Las torres de enfriamiento son estructuras para enfriar el agua y otros medios

hasta una temperatura cercana a la ambiental. El enfriamiento es una remocindel calor que gana el agua en los equipos de intercambio de calor. La Figura 6muestra la transferencia de calor en una gota de agua. El desempeo de unatorre de enfriamiento es predicho con la caracterstica de la torre requerida paralas condiciones definidas del aire y del agua.

Figura 6. Transferencia de calor en una gota de agua.

La teora bsica del funcionamiento de las torres de enfriamiento es que elcalor es transferido desde las gotas de agua hacia el aire circundante pormedio de la transferencia de calor sensible y latente. La teora ms aceptada esla desarrollada por Merkel [5] y est basada en la diferencia de entalpa comofuerza motriz para la transferencia de calor:

Pelcula

Movimiento del calor

Temperaturadel aire

Temperaturadel agua

Movimiento del aguaMovimiento del aire

Temp. del agua > Temp. del aireEntalpa del agua > Entalpa del aire

4b

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=

1

2

T

T

P

hh

dTC

L

KaV

' Ec. 1

La seccin izquierda de la Ec. 1 es enteramente en trminos de laspropiedades del aire y del agua e independiente de las dimensiones de la torrede enfriamiento.

La Figura 7 muestra las relaciones entre el agua y el aire y el potencial motrizque existe en una torre de flujo contracorriente, donde el aire fluye paralelo,

pero en direccin contraria al flujo de agua. El entendimiento del diagrama esimportante para conocer el funcionamiento de una torre de enfriamiento:

La lneaABes la de operacin del agua y est fijada entre la temperaturade entrada del agua (caliente) y de salida (fra).

La lnea de operacin del aire comienza en el punto C, verticalmentedebajo del punto B. El punto Ctiene una entalpa que corresponde con latemperatura de entrada de bulbo seco del aire.

La lneaBCrepresenta la fuerza motriz inicial (hs ha).

Cuando se enfra el agua en 1 C (1 F), la entalpa por kilogramo (libra)de aire es incrementada en 1 J (1 BTU) multiplicada por la relacin de loskilogramos (libras) de agua entre los kilogramos (libras) de aire.

El factor de enfriamiento o relacin agua-aire L/G es la pendiente de lalnea de operacin.

El aire que sale de la torre es representado por el puntoD.

El rango de enfriamiento es una proyeccin de la lnea CDen el eje de latemperatura.

La aproximacin de la torre de enfriamiento es mostrada en la figura comola diferencia entre la temperatura de salida del fra del agua y latemperatura de bulbo seco del aire.

La integral de la Ec. 1 es representada por el rea ABCD. El valor esconocido como la caracterstica de la torre y vara con el valor de larelacinL/G.

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o Por ejemplo, si se incrementa la temperatura de entrada de bulbohmedo (movimiento hacia la derecha), se mueve el punto de origenC hacia arriba y la lnea CD se desplaza hacia la derecha paramantener un valor constante deKaV/L.

o Sin embargo, un cambio de la relacinL/Gcambia la pendiente de lalnea CDy la torre vuelve al equilibrio con un nuevo valor deKaV/L.

Las torres de enfriamiento son diseadas y construidas en varios tipos, con unavariedad de tamaos para cada tipo; pero no todos los tipos son adecuados para

todas las aplicaciones; el Cuadro 2 muestra un resumen de los diferentes tipos.Las secciones siguientes describen los tipos de torres de enfriamientoevaporativas.

Figura 7. Balance de calor en una torre de enfriamiento, adaptado de [5].

h (a la temperatura del agua caliente)

h (del aire de salida)

h (a la temp. del

agua fra)

h (del aire

de entrada)

B

CL/G

hh

Aproximacin Rango

Lnea deoperacindel agua

D

Lnea deoperacindel aire

Temp. delaguacaliente

Temp. desalida de bulbohmedo

Temp. deentrada debulbo hmedo

Temp. delagua fra

Curva de saturacin

reaABCD=KaV/L

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Cuadro 2. Resumen de los tipos de torres de enfriamiento, adaptado de [4].

FlujoTiro

Mecnico Natural Hibrido

Evaporativa

(hmeda)

Flujo cruzado ---

Inducido

Flujo encontracorriente

Forzado Inducido

Seca

---

Forzado Inducido

--- ---

Flujo cruzado --- --- ---

Flujo encontracorriente

--- --- ---

Hibrida --- ---

Inducido

--- ---

Leyenda:

Relleno hmedo Seccin seca Ventilador Distribuidor de agua

Aire fro de entrada Aire caliente de salida

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11.1. Tiro Mecnico

Las torres con tiro mecnico usan uno o ms ventiladores para generar el flujode aire. Su desempeo trmico es afectado por menos variablespsicromtricas que para las torre de tiro natural. La presencia de ventiladorespermite una regulacin del flujo de aire para compensar los cambiosatmosfricos y los flujos de agua caliente.

11.1.1. Tiro Inducido

Las torres de tiro mecnico inducido tienen los ventiladores en la salida deaire caliente para halar el aire dentro de la torre (Figura 8). Suscaractersticas principales son:

La velocidad de salida del aire es de 3 a 4 veces mayor que en la entrada,con velocidad de entrada de aproximadamente 2,22 m/s (7,3 ft/s). Por talmotivo, no existe o es mnima la tendencia para una zona de presinreducida en la entrada de aire y creada por el ventilador.

El rango de uso va desde una capacidad de 3 m3/h a 16 000 m3/h (de15 USgpm a 700 000 USgpm).

Figura 8. Torre de tiro mecnico inducido con flujo en contracorriente,adaptado de [6].

Salida del aire

Salidade agua

Entradade agua

Entradadel aire

Entradadel aire

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11.1.2. Tiro Forzado

Las torres de tiro mecnico forzado tienen ventiladores en la corriente de airefro (atmosfrico) para forzar la entrada de aire hacia la torre (Figura 9). Suscaractersticas principales son:

Estn caracterizadas por velocidades altas de entrada de aire.

Son extremadamente susceptibles a la recirculacin del aire (Seccin12.10) y por tal motivo, se considera que tienen menos estabilidad que lastorres de tiro inducido.

El ventilador ubicado en la entrada del aire tiene el riesgo de ser sometidoa la formacin de hielo en reas de baja temperatura.

Generalmente, son equipadas con sopladores centrfugos, los cualesrequieren una potencia considerablemente mayor que los ventiladorescon hlices; pero tienen la ventaja que pueden operar contra una prdidade presin alta en la parte interna de la torre. Por tal motivo pueden serinstaladas en reas interiores (si el espacio lo permite), o con un recintopara minimizar el riesgo de recirculacin.

Figura 9. Torre de tiro mecnico forzado, adaptado de [6].

Salida del aireRociadoresde agua

Entradade aire

Salidade agua

Soplador

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11.2. Tiro Natural

Las torres de tiro natural, tambin llamadas atmosfricas, no utilizan undispositivo mecnico (ventilador) para crear un flujo de aire a travs de latorre.

11.2.1. Con Rociadores

Existen torres de tamao pequeo, como la mostrada en la Figura 10, en lascuales el flujo de aire se origina por induccin natural (aspiracin) y con un

sistema de rociadores de agua. Son torres relativamente econmicas; peroestn disponibles generalmente en tamaos pequeos y son altamenteafectadas por condiciones adversas de viento. Su uso no es recomendado enprocesos donde el suministro del agua de enfriamiento es crtico y tampocopara una temperatura de agua fra suministrada con mucha exactitud.

Figura 10. Torre de tiro natural con rociadores, adaptado de [6].

11.2.2. Hiperblicas

Las torres de tiro natural hiperblicas, reciben su nombre de la forma de laestructura (Figura 11 y Figura 12), son extremadamente predecibles en sudesempeo trmico. El flujo de aire es producido por la diferencia de densidadque existe entre aire calentado dentro de la estructura (menos denso) y el

Flujo de aire

Entradade agua

Salidade agua

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relativamente aire fro de la atmsfera (ms denso) fuera de la torre. Lascaractersticas principales son:

Gran capacidad, mayor de 56 800 m3/h (250 000 USgpm).

Ocasionalmente, la estructura puede tener una altura mayor de 152 m(500 ft), lo que puede originar un alto impacto visual.

Requiere un espacio grande (plot area).

Mayor costo que cualquier otro tipo de torre de enfriamiento.

Tiene un extenso uso en el rea de generacin de potencia elctrica,donde existen cargas de calor grandes y uniformes; y donde el periodode amortizacin es largo para recuperar el costo inicial.

El desempeo es ms efectivo en reas con una humedad relativa delaire alta. En sitios ridos y de mucha altura sobre el nivel del mar, lastorres de tiro mecnico son ms recomendadas.

Figura 11. Torre de tiro natural de forma hiperblica con contracorriente,adaptado de [6].

Salida del aire

Entradadel aire

Rociadoresde agua

Salida de agua

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Figura 12. Torre de tiro natural de forma hiperblica con flujo cruzado,adaptado de [6].

11.3. Tiro Hibrido

Existen torres que combinan el tiro mecnico con el natural, y dan la aparienciade torres hiperblicas con alturas bajas. Tambin son llamadas torres de tironatural asistidas con ventiladores. El objetivo es minimizar el consumo depotencia requerida para mover el aire, pero con el costo mnimo para laestructura hiperblica. El diseo apropiado permite que los ventiladores sean

requeridos solamente durante cambios drsticos de las condicionesambientales y aumentos puntuales de la carga de agua caliente. Losventiladores originan una fuerza ascensional adicional para usar este tipo detorres en lugares donde no est permitida la descarga del penacho de vapor deagua en alturas bajas.

11.4. Sistemas de Flujo

Otra subdivisin de las torres de enfriamiento est en funcin del tipo de flujodel aire en relacin con el agua.

Salida del aire

Entradadel aire

Salida de agua

Entradade agua

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11.4.1. Flujo en Contracorriente

En las torres con flujo en contracorriente (counterflow), el aire se mueveverticalmente hacia arriba a travs del relleno, mientras que el agua cae endireccin opuesta (Figura 13).

Algunas torres con flujo en contracorriente de baja capacidad son relativamentealtas, esto se debe que las reas de insumo y descarga tienen que serextendidas, el uso de rociadores de alta presin y las altas prdidas de presin

del aire.

El recinto tpico de estas torres restringe la exposicin del agua con la luz solar,esto disminuye las prdidas por evaporacin y el crecimiento de algas.

Figura 13. Torre de flujo en contracorriente.

Entrada deagua caliente

Entrada deaire seco

Salida del aire caliente y hmedo

Salida deagua fra

Entrada deaire seco

Rociadores

Piscina de recoleccin

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11.4.2. Flujo Cruzado

Las torres de flujo cruzado tienen una configuracin de rellenos a travs de loscuales el aire fluye horizontalmente, mientras que el agua se mueve haciaabajo de manera vertical (Figura 14). El agua caliente es suministrada decavidades (cuencas) ubicadas arriba del relleno y es distribuida por gravedad atravs de orificios en el piso de las cuencas. Esto elimina el requerimiento derociadores y ubica el sistema de gravedad en un lugar de fcil mantenimiento.

Figura 14. Torre con flujo cruzado.

11.4.3. Otros Tipos de Flujo

Tambin existen las torres con flujo simple, en las cuales solo existe unaentrada de aire y de flujo doble con dos entradas de aire.

Salida del aire caliente y hmedo

Piscina de distribucin

Piscina de recoleccin

Entrada deaire seco

Entrada deaire seco

Salida deagua fra



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11.5. Mtodos de Transferencia de Calor

Todas las torres de enfriamiento descritas anteriormente son del tipoevaporativas, y las cuales producen el enfriamiento primario por medio de laevaporacin que se origina cuando el aire y el agua entran en contacto.

El otro tipo de torres son las denominadas secas, las cuales utilizansecciones de una superficie seca (por ejemplo, un serpentn), sin contactodirecto entre el aire y el agua. En este caso, el agua es enfriada por la

transferencia de calor sensible.

11.6. Internos

11.6.1. Relleno

El relleno es considerado el componente ms importante en una torre deenfriamiento, es el que suministra el rea de contacto entre el aire y el aguamientras ocasiona la menor resistencia posible al paso de aire. Algunosvendedores disean y producen rellenos especficamente para sus sistemas dedistribucin, ventiladores y sistemas de soporte; mientras que otros vendedores

ajustan el resto de los componentes a los rellenos disponibles comercialmente.

Tcnicamente el nombre es relleno evaporativo laminar, el cual es una especiede "panal de abeja". Estos paneles o rellenos, entregan una gran superficie deintercambio para la evaporacin. El agua caliente desciende por el laberinto omaraa interna de los rellenos mediante la accin de la gravedad, tomandodirecto contacto con el aire.

Actualmente, los rellenos mayormente utilizados en las torres de enfriamientoson de material PVC (cloruro de polivinilo) o PP (polipropileno) los cuales hanreemplazado a los rellenos de madera o metlicos. Incluso muchas torres que

no utilizan rellenos han sido modificadas para utilizarlos, de esta manera seaumenta la eficiencia en el intercambio de calor.

Los dos tipos bsicos de relleno son de salpiqueo (splash) y de pelcula(film). Ambos tipos pueden ser usados en torre con contraflujo y flujo cruzado, ytienen ventajas en varias condiciones de operacin.

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A) Relleno de salpiqueo (Figura 15):

Causa que el flujo de agua caiga como una cascada a travs deelevaciones sucesivas de barras de salpiqueo. Esta dispersin del aguapermite que la torre no sea tan susceptible a una pobre distribucin inicialdel agua.

Figura 15. Relleno de salpiqueo para flujo cruzado (SPX Cooling Technologies).

B) Relleno de pelcula (Figura 16):

Ha ganado prominencia por su capacidad para exponer una mayorcantidad de superficie de agua para un volumen definido de relleno.

Aproximadamente, la mitad del relleno usado en las torres de flujocruzado, y en casi todas las de flujo en contracorriente, es del tipopelcula. Generalmente es usado para ambientes limpios (por ejemplo airesin grandes cantidades de polvo), donde la posibilidad de formacin deobstrucciones en el relleno es menor.

Las torres de enfriamiento pueden o no tener relleno que suministra rea detransferencia de calor. Las torres sin relleno dependen solamente del sistemade rociadores para promover el contacto mximo entre el aire y el agua. Eningls se usa el trmino spray-filled. La ausencia de relleno es recomendado

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para procesos que permiten el uso de agua relativamente ms caliente que laobtenida en una torre con relleno y tambin cuando el agua contienecontaminantes o slidos que afectan el rea de transferencia del relleno.

Figura 16. Relleno de pelcula para flujo en contracorriente (SPX CoolingTechnologies).

11.6.2. Sistema de Distribucin

El agua requiere distribucin uniforme a travs del relleno para garantizar lasuperficie mxima de contacto y evitar los pasos preferenciales de agua atravs de los canales.

El sistema ms sencillo es una tubera con orificios para distribuir el agua.

Actualmente, se usan sistemas con rociadores para mejorar la distribucin(Figura 17).

11.6.3. Eliminadores de Arrastre

Los eliminadores de arrastre (eliminadores de niebla, de roco o separadoresde gota) son instalados por encima del relleno para detener las gotas que sonarrastradas con la corriente de aire y por ende disminuyen las prdidas de aguaen la torre. Generalmente se usan ondas de PVC (Figura 18), contra las quechocan las gotas y caen nuevamente sobre el relleno.

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Los eliminadores previenen la fuga de gotas hacia el medio ambiente quepodran ser una causa de contaminacin y de corrosin en los equiposcercanos a la torre.

Figura 17. Rociador (SPX Cooling Technologies).

Figura 18. Eliminador de niebla (SPX Cooling Technologies).

11.7. Piscina (Pileta) de Agua Fra y Fosa de Succin de las Bombas

Las torres de enfriamiento son provistas con una piscina o pileta (basin) paraalmacenar el agua fra, la cual es succionada por las bombas del sistema deagua enfriamiento.

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Entre los muchos factores que afectan el diseo de la piscina, se encuentra lacapacidad de almacenamiento y los niveles de lquido para permitir lasacciones necesarias durante condiciones de emergencia. A continuacin, lasrecomendaciones generales:

A) La capacidad mnima de almacenamiento depende si se considera laprdida del agua de reposicin:

a) Sin la prdida del agua de reposicin: 10 min.

b) Con la prdida del agua de reposicin: 90 min.

El nivel de confiabilidad del agua de reposicin determina el tiempo parala seleccin.

La capacidad es determinada entre el nivel de lquido bajo (LLL) y elnormal (NLL).

B) La Figura 19 muestra el esquema con los niveles de lquidorecomendados para la seccin de succin de las bombas. Los valores

reales pueden variar segn el tipo de bomba, dimetro de la lnea desuccin y rea de la torre de enfriamiento.

a) La distancia entre el NLL y el LLL depende de las dimensiones dela piscina y el tiempo de almacenamiento requerido.

b) La ubicacin del LLL puede ser el tope de la carcasa de la bomba,si est ubicada fuera de la bombas (por ejemplo, una bombacentrifuga horizontal) y existe suficiente informacin.

c) La distancia l6 es la sumergencia mnima requerida y puede ser

calculada segn se indica en el INEDON Gua para laEspecificacin de las Bombas, N 903-HM120-P09-GUD-030 osegn el HI 9.8 [3] para una bomba diferente a una centrfugahorizontal.

d) La distancia Cpuede ser calculada segn se indica en el INEDONGua para la Especificacin de las Bombas, N 903-HM120-P09-GUD-030 o segn el HI 9.8 [3] para una bomba diferente a unacentrfuga horizontal.
http://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdfhttp://ineweb/k3100proceso/IntranetProcesos2008/Manual/INEDON/903-HM120-P09-GUD-030.pdf

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Figura 19. Niveles de lquido recomendados en la seccin de succin de labombas.

C) Otras distancias como:

desde la lnea central de la succin de la bomba hasta la pared dela fosa,

desde la lnea central de la succin de la bomba hasta la pared quedivide la fosa de succin y la piscina.

Tambin existen requerimientos de separacin entre las bombas,especialmente cuando son de diferentes capacidades. Una bomba

de mayor capacidad puede formar un vrtice que afecta a otrabomba de menor capacidad.

Son calculadas segn lo indicado en el HI 9.8 [3], si es alcance deinelectra.

D) El rea de la piscina abarca generalmente el rea debajo de la torre deenfriamiento, esto es importante considerar para el clculo del volumende almacenamiento. La Figura 20 muestra un ejemplo.

300 mm (1 ft)

450 mm (1,5 ft)

HLL

NLL

C

LLL

l6

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Figura 20. Ejemplo del rea de una piscina.

11.8. Estructura

Los elementos que conforman la torre son sostenidos por una estructura, lacual puede ser construida con los siguientes materiales:

A) Madera:

Ha sido un material usado durante aos, debido a su relativamente bajocosto y facilidad para realizar la construccin de casi cualquier forma detorre, bien sea en sitio o prefabricada para luego ser ensamblada. Los

Celda 1

Celda 2

Celda 3

Paso de agua desde la piscina ala fosa de succin de las bombas

rea de la piscina debajode la torre de enfriamiento

Succin de

las bombas

Fosa de succinde las bombas

Vistasuperior

Vistalateral

Divisin para evitarla formacin devrtices cuandoexisten bombas dediferente capacidado con diferentestiempos deoperacin

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tipos de madera ms usados en los EUA y otros pases provienen delabeto de Douglas (douglas-fir) y de la secoya (redwood). Sin embargo,algunos Clientes pueden solicitar el uso de madera nacional, si statiene la calidad adecuada.

B) Concreto (hormign):

Es el segundo material con ms uso, si bien es ms costoso que lamadera, permite una vida larga de uso con un costo de mantenimientorelativamente bajo. El costo ms elevado del concreto puede ser

justificado por su reducido riesgo al fuego y mayor capacidad de soportarpeso (de los internos, ventiladores, etc.).

C) Plstico reforzado con fibra de vidrio (FRP):

Material de uso ms reciente, tiene la misma constructibilidad que lamadera y con un mantenimiento menor, tiene una alta resistencia a casicualquier condicin ambiental o qumica en el agua de circulacin, asque puede ser usada para agua de mar y agua de desecho. En algunosdiseos, la FRP es combinada con el concreto o el acero para aumentarla capacidad de soportar peso.

D) Acero:

Generalmente es galvanizado para aumentar su resistencia a lacorrosin o se usa un recubrimiento de acero inoxidable en casosespeciales. Es el material menos comn para las torres de enfriamiento.

La seleccin del material de la estructura considera los siguientes factores:

Resistencia del material a la corrosin originada por el agua decirculacin y del medio ambiente.

Costo de instalacin, el cual est influenciado por la disponibilidad delmaterial (por ejemplo el uso de madera nacional o importada), si la torreser construida en sitio o prefabricada.

Costos de mantenimiento, un bajo costo puede marcar la diferencia parala seleccin de un material especfico si se considera el largo plazo deoperacin que requiere la mayora de las instalaciones.

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Adicionalmente, algunos vendedores disponen de modelos de torres, loscuales solo pueden ser suministrados con un material especfico, en estecaso es importante revisar que dicho material sea aceptable segn lasespecificaciones del Proyecto.

11.9. Disminucin del Penacho

Dependiendo de las condiciones atmosfricas, el aire saturado saliendo de lastorres de enfriamiento hmedas presenta vistas no atractivas o inclusivecondiciones de visibilidad peligrosa si las torres estn localizadas cerca decarreteras o aeropuertos. La disminucin (o abatimiento) del penacho de vaporde agua puede ser lograda usando torres hibridas que consisten en torreshmedas sobre las cuales se aaden torres secas (intercambiadores de calor),esta ltima seccin seca el aire que proviene de la seccin hmeda.

Figura 21. Torre hibrida (hmeda-seca).

12. FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEO

El enfriamiento de agua en una torre evaporativa usa el aire extrado de laatmsfera, el cual tiene propiedades psicromtricas y la torre reaccionatrmicamente a cada una de esas propiedades. El aire que pasa a travs del

Aire caliente y hmedo

Salida de agua fra

Entrada deaire seco

Salida del aire caliente y seco

Entrada deaire seco


Seccin seca

Seccin hmeda

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relleno de la torre, incrementa la velocidad, se calienta, se expande, se saturacon humedad, se comprime y responde a todos los efectos trmicos yaerodinmicos. Finalmente, el aire caliente (usado) sale en la cercana de latorre y con un diseo apropiado; ste no recircula hacia el interior de la torre.

Mientras tanto, las gotas de agua producidas por el sistema de distribucin,estn compitiendo con el aire por el mismo espacio, y estn tratando decoalescer, lo que reduce el rea expuesta al aire.

De los muchos factores que afectan el desempeo de una torre de

enfriamiento, a continuacin se describen los ms importantes:

12.1. Temperatura de Bulbo Hmedo

La base primaria para el diseo trmico de una torre de enfriamiento es latemperatura de bulbo hmedo del aire que entra, porque representa la mnimatemperatura que podra alcanzar el agua fra que sale de la torre.Generalmente, las Bases de Diseo de un Proyecto disponen de la temperaturade bulbo hmedo del ambiente, mas no la que entra a la torre. En estos casos,los vendedores ajustan la temperatura hacia arriba, en algunos grados, paracompensar cualquier recirculacin potencial.

Mientras mayor es la temperatura de bulbo hmedo, mayor es la temperaturade agua de salida fra, para otras variables definidas.

La temperatura de bulbo hmedo vara con el paso del da y del ao, al igualque la temperatura del aire. El vendedor es provisto, como mnimo, con el valormximo esperado.

12.2. Temperatura de Bulbo Seco

La temperatura de bulbo seco es requerida para determinar un flujo absoluto de

evaporacin para cualquier tipo de torre. En el caso de las torres de tiro naturalcon o sin asistencia de ventiladores, el valor es fundamental porque estapropiedad afecta su desempeo trmico.

12.3. Diferencia de la Temperatura de Aproximacin

La temperatura de aproximacin tiene el efecto ms pronunciado en el tamaoy costo de las torres de enfriamiento. Por ejemplo, la reduccin de latemperatura de aproximacin de 5,5 C a 3 C (10 F a 5 F) puede incrementar

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el costo de una torre en 50 % y el costo de operacin de los ventiladores en65 %.

El valor recomendado para la especificacin de las torres nuevas es 6 C(10 F), es decir que la temperatura mnima del agua fra que sale de una torrees:

AWB TTT +=2 Ec. 2

Un valor menor de 3 C (5 F) no es usualmente garantizado por losvendedores porque sera un intercambio de calor casi ideal.

12.4. Rango de Enfriamiento

El rango de enfriamiento es la diferencia entre la temperatura de entrada delagua caliente y la temperatura de salida del agua fra:

21 TTTR = Ec. 3El valor mnimo recomendado para el rango de enfriamiento es 11 C (20 F).

Figura 22. Comparacin entre la aproximacin y el rango.

12.5. Torre de Enfriamiento en el Sistema

La Figura 23 muestra un ejemplo de las temperaturas del agua en una torreasociada al sistema de enfriamiento:

Temperatura

Temperatura de bulbohmedo del aire que entra

Temperatura del agua fra

Temperatura delagua caliente

Rango de enfriamiento

Aproximacin

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La temperatura de bulbo hmedo (TWB) esta especificada en las Bases deDiseo del Proyecto = 25 C (77 F).

Figura 23. Ejemplo de las temperaturas de agua.

La mnima temperatura de agua fra (T2) es calculada sumando ladiferencia de aproximacin (T

A) al valor de T

WB= 25 C + 6 C = 31 C

(77 F + 10 F = 87 F). Un valor ms bajo de TAes consultado con losvendedores de torres de enfriamiento.

El sistema de enfriamiento con torre evaporativa considera laslimitaciones termodinmicas de ese tipo de equipo, esto incluye la mnimatemperatura de agua fra que puede ser suministrada a los equipos deintercambio de calor.

La temperatura del agua caliente que retorna a la torre (T1) esdeterminada con los requerimientos de enfriamiento en los equipos de

intercambio de calor. El valor de 60 C (140 F) es un ejemplo numrico.Lo importante, con respecto a la especificacin de la torre, es que el rangode temperatura (TR) sea mayor que el mnimo recomendado de 11 C(20 F). Un valor menor de TRes consultado con los vendedores.

Si el sistema de enfriamiento con torre evaporativa no cumple con elrequerimiento de enfriamiento para los equipos de intercambio de calor,se requiere evaluar las opciones siguientes:

TWB= 25 C(77 F)

T2= 31 C(87 F)

T1= 60 C(140 F)

+ TA= 6 C(10 F)

T= 29 C (53 F) > TR

Equipos deintercambiode calor

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o El uso de una torre evaporativa y las condiciones ambientales quizno sea conveniente y se evala otro sistema, esta es la primeraopcin cuando se sabe si la temperatura de agua fra tiene que sermenor a lo que puede suministrar la torre.

o La temperatura de salida del agua de enfriamiento en los equipos deintercambio de calor puede ser aumentada si el rango detemperatura de la torre es menor que el valor recomendado o elsugerido por un vendedor; pero esto tambin requiere la evaluacindel lado del fluido caliente en los equipos de intercambio de calor y

en el proceso.

12.6. Presin Atmosfrica (Baromtrica) y Altura sobre el Nivel del Mar

La presin atmosfrica es determinada con la altura sobre el nivel del mar; enuna instalacin ubicada a 0 m snm, se puede considerar que la presinatmosfrica es igual al valor estndar (aprox. 1,013 bara [14,7 psia]), en lamedida que la altura sobre el nivel del mar aumenta, disminuye la presinatmosfrica, esto afecta ligeramente la temperatura de bulbo hmedo. ElCuadro 3 muestra el cambio de la temperatura de bulbo hmedo en funcin dela altura sobre el nivel del mar y de la presin atmosfrica.

Cuadro 3. Cambio de la temperatura de bulbo hmedo.

Altura sobre elnivel del mar

[m]

Presinatmosfrica[bara (psia)]

Temperatura deBulbo Hmedo

[C (F)]

0 1,013 (14,69) 27,08 (80,74)

50 1,007 (14,61) 27,08 (80,74)

100 1,001 (14,52) 27,08 (80,74)

150 0,9954 (14,44) 27,07 (80,73)200 0,9895 (14,35) 27,07 (80,73)

300 0,9778 (14,18) 27,05 (80,69)

500 0,9547 (13,85) 27,04 (80,67)

Nota:- Humedad relativa de 80 %.- Temperatura del aire = 30 C (86 F).

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12.7. Carga de Calor

La carga de calor que se retira en los equipos de procesos es compensada porla torre de enfriamiento (Seccin 13). Una carga de calor bien calculada permiteun diseo adecuado de la torre; si la carga es menor de lo esperado, la torrequedar subdimensionada; si es mayor, la torre quedar sobredimensionada yafectara el costo.

12.8. Flujo de Agua de Enfriamiento

El flujo de agua de enfriamiento a travs del proceso determina la carga decalor que es procesada en la torre (Seccin 13).

12.9. Interferencia

La proximidad de varias torres de enfriamiento puede elevar la temperatura debulbo hmedo que entra en una de ellas. La Figura 24 muestra como el airecaliente y ms hmedo que sale de una torre es enviado por el viento haciaotra torre. Algo similar puede ser originado por otro equipo que caliente el aire,por ejemplo un intercambiador de calor enfriado por aire.

La Figura 25 muestra los contornos del aumento de la temperatura de bulbohmedo en la direccin del viento, si se desea ubicar una nueva torre deenfriamiento en dicha direccin, se recomienda aumentar la temperatura debulbo hmedo para el diseo de la nueva torre. Si una informacin precisa noest disponible, es preferible ubicar la nueva torre donde no sea afectada por laexistente.

Figura 24. Interferencia entre torres de enfriamiento, adaptado de [6].

Viento

Aire caliente de salida

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Figura 25. Aumentos de la temperatura de bulbo hmedo en la direccin delviento para una torre de enfriamiento de varias celdas, adaptado de [6].

12.10. Recirculacin del Aire

La recirculacin en una torre de enfriamiento es el reingreso del aire caliente yhmedo, con una mayor temperatura de bulbo hmedo, hacia la misma torre(Figura 26).

El potencial de recirculacin depende principalmente de la velocidad y direccindel viento; la recirculacin aumenta con la velocidad del viento. Otros factoresque afectan la recirculacin son la forma de la torre, la orientacin del vientopredominante, la velocidad de salida del aire caliente, la altura y espaciamientodel ventilador y la forma y altura de la chimenea (virola).

12.11. Ubicacin de la Torre y Orientacin

Como se ha mencionado anteriormente, el desempeo de una torre deenfriamiento es afectado por la cercana de otras torres o equipos que calienten

91 m (300 ft)

96m(

315ft)

+4,4 C (+8 F)

+3,3 C (+6 F)

+2,2 C (+4 F)

+1,1 C (+2 F)

+0,6 C (+1 F)

+1,1 C (+2 F)

+1,7 C (+3 F)

Direccin delviento

Torres de enfriamiento

Contornos del aumento de latemperatura de bulbo hmedo

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o saturen el aire; pero adicionalmente, pueden existir equipos, estructuras oincluso las lneas que limiten el flujo de aire seco hacia la torre.

Se recomienda que el vendedor de la torre sea provisto con el plano de planta,para que ste evale la ubicacin propuesta para la torre de enfriamiento yemita sus posibles recomendaciones.

Figura 26. Recirculacin del aire caliente en una torre de enfriamiento,adaptado de [6].

13. REQUERIMIENTOS DE AGUA

Los principales requerimientos de agua de las torres de enfriamiento son:

El agua de circulacin.

El agua de reposicin.

Las ecuaciones siguientes muestran como estimar los flujos requeridos; encuanto al agua de reposicin, el flujo es corregido con la informacin delvendedor.

Viento

Aire calientede salida

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13.1. Agua de Circulacin

A) Capacidad de enfriamiento, QT:

La capacidad de enfriamiento es la cantidad de calor que se retira delagua caliente hasta alcanzar la temperatura fra de salida. La mnimacantidad de calor que es retirada en la torre corresponde a la suma delcalor retirado en los diferentes intercambiadores de calor que usan elagua de enfriamiento:

n

n

nT QQQQQ +++== ...211

Ec. 4

Los valores de Q1, Q2 hasta Qn son obtenidos de la simulacin delproceso, los Diagramas de Flujo de Proceso o las Hojas de Datos de losintercambiadores de calor.

El factor de sobre diseo para la capacidad de enfriamiento es establecidode la siguiente manera:

a) Un factor de sobre diseo de 1,2 (120 %) es usado cuando loscalores retirados en los equipos no consideran otro factor. El valor desobre diseo es usado para considerar prdidas de calor hacia elambiente, por ejemplo en el agua evaporada.

b) Si los calores retirados en los equipos ya consideran un factor desobre diseo, el valor obtenido de QTno requiere un factor adicional.

B) Flujo msico de agua de enfriamiento, Ww:

El flujo msico requerido de agua de enfriamiento es calculado con la

ecuacin siguiente:

( )21 TTCWQ wPwT = , Ec. 5

( )21 TTCQ

WwP

Tw

=

,

Ec. 6

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C) Flujo volumtrico de agua de enfriamiento que entra a la torre a latemperatura de entrada, Qw:

Unidades SI:

w

ww

WQ

= Ec. 7

Unidades USC:

w

ww

WQ

12470,= Ec. 8

13.2. Agua de Reposicin

El flujo de agua de reposicin es determinado con las prdidas siguientes:

Prdidas por evaporacin.

Prdidas por arrastre.

Purgas.

bdem QQQQ ++= Ec. 9Las prdidas por evaporacin se pueden estimar con el flujo de agua decirculacin y las temperaturas de entrada y salida del agua por medio de lasiguiente expresin [5]:

( )21 TTQfQ we =

Ec. 10Las prdidas por arrastre (Qd) dependen del sistema de eliminacin de niebla yson generalmente menores de 0,02 % en las torres con nuevos diseos de loseliminadores de arrastre. Otras referencias citan prdidas entre el 0,1 % y0,3 % [7].

wd

d QL

Q =100

Ec. 11

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Por ltimo, las purgas son necesarias para evitar la acumulacin de sales en latorre. El flujo purgado es funcin de las prdidas por evaporacin y de los ciclosde concentracin (n) definidos para la operacin de la torre [5]:

( )( )1

1

=

n

QnQQ deb Ec. 12

El nmero de ciclos de concentracin va en un rango usual de 3 ciclos a5 ciclos. Por debajo de 3 ciclos de concentracin se requieren purgasexcesivas y se considera la adicin de cido para evitar incrustaciones.

La Figura 27 muestra una comparacin del flujo de agua de purga y dereposicin en funcin de los ciclos de concentracin (para otras variablesdefinidas). En la medida que se aumenta n, los flujos se estabilizan; pero estosignifica que aumenta la concentracin de sales; mientras que valores menoresde 3, aumentan exponencialmente el requerimiento del flujo del agua dereposicin. En resumen, ninguno de los dos extremos es conveniente, por esose recomienda un rango entre 3 ciclos y 5 ciclos.

Figura 27. Comparacin de los flujos de agua de purga y de reposicin enfuncin de los ciclos de concentracin.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

10000

10200

10400

10600

10800

11000

11200

11400

11600

11800

12000

1 3 5 7 9

Flujod

eAguadeReposicin[m3/h]

Ciclos de Concentracin, n

FlujodeAguadePurga[m3/h]

Flujo de agua de reposicin

Flujo de agua de purga

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13.3. Ejemplo de Clculo

ElAnexo 1contiene el enlace para abrir una hoja de clculo con un ejemplopara las variables bsicas descritas en este seccin.

13.4. Reglas Heursticas

Las siguientes reglas generales de diseo aplican para la determinacin de lasdimensiones y parmetros de operacin de las torres de enfriamiento [7]:

El agua en contacto con el aire en condiciones adiabticas eventualmentese enfra hasta la temperatura de bulbo hmedo.

En unidades comerciales, se puede obtener 90 % de saturacin del aire.

El tamao relativo de la torre de enfriamiento es sensible a la diferenciaentre la temperatura de salida y la de bulbo hmedo:

Diferencia de la temperatura

de bulbo hmedo

[C] 2,78 8,33 13,39

[F] 5 15 25Volumen relativo [ - ] 2,4 1,0 0,55

El relleno de la torre es de una estructura altamente abierta paraminimizar la prdida por friccin, la cual tiene por prctica estndar unmximo de aprox. 0,5 kPa (0,07 psi; 2 in H2O).

La velocidad de circulacin de agua es de 2,44 m3/(hm2) a 9,78 m3/(hm2)(de 1 USgpm/ft2a 4 USgpm/ft2)).

La velocidad de circulacin del aire es:

- de 6347 kg/(hm2) a 8788 kg/(hm2) (1300 lb/(hft2) a 1800 lb/(hft2)), o- de 91,44 m/min a 121,92 m/min (de 300 ft/min a 400 ft/min).

Las torres de tiro natural asistidas por chimenea son de formashiperblicas porque poseen mayor resistencia para un espesor dado; unatorre de 76 m (250 ft) de altura posee paredes de concreto (hormign) deespesor de 130 mm a 150 mm (de 5 in a 6 in). La seccin transversalampliada en el tope ayuda a la dispersin del aire hmedo a la atmsfera.

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Las prdidas por evaporacin son 1 % de la circulacin por cada 56 C(100 F) de rango de enfriamiento. Las prdidas de arrastre de torres detiro mecnico son de 0,1 % a 0,3 %. Se requieren purgas de la circulacinde 2,5 % a 3,0 % para evitar la acumulacin excesiva de sales.

La velocidad en el distribuidor suele estar entre 2,1 m/s y 2,7 m/s (7 ft/s y9 ft/s) para evitar la deposicin de slidos suspendidos, si su contenido esalto.

14. CALIDAD DEL AGUA

La calidad del agua usada en las torres de enfriamiento es afectada por el airecircundante, teniendo como resultado los cambios en el desempeo trmico yde vida til del equipo. Las torres de enfriamiento son consideradas lavadorasde aire y el aire que deja la torre es ms limpio que el entrante, es decir queuna fraccin de las partculas y microbios presentes en el aire, son retenidospor el agua. ElAnexo 2muestra las impurezas que se pueden encontrar en elagua de enfriamiento, sus efectos y tratamiento bsico.

Las fuentes de agua de enfriamiento ms comunes son:

Agua industrial suministrada por terceros o la misma instalacin.

Agua fluvial (de ros).

Agua lacustre (de lagos).

Agua de mar.

Agua de pozo subterrneo.

Reutilizacin del agua proveniente (efluente) de la planta de tratamientode aguas residuales.

Dependiendo del grado de contaminantes, las fuentes pueden o no requerirtratamiento. El uso de algn tipo de fuente depende de la disponibilidad y de unestudio econmico.

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GUA PARA LA ESPECIFICACIN DE LAS TORRES DE ENFRIA

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