Torre de refrigeración

Una torre de enfriamiento es un dispositivo que disipa el calor residual a la atmósfera mediante el enfriamiento de una corriente de refrigerante , generalmente agua, a una temperatura más baja. ^{[ 1 ]} Las torres de enfriamiento pueden utilizar la evaporación del agua para eliminar el calor y enfriar el fluido de trabajo hasta cerca de la temperatura de bulbo húmedo del aire o, en el caso de las torres de enfriamiento secas , depender únicamente del aire para enfriar el fluido de trabajo hasta cerca de la temperatura de bulbo seco del aire mediante radiadores . ^{[ 2 ]}

Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran la refrigeración del agua de circulación utilizada en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y otras plantas químicas , centrales térmicas , centrales nucleares y sistemas de climatización para la refrigeración de edificios. La clasificación se basa en el tipo de entrada de aire a la torre: los principales tipos de torres de refrigeración son las de tiro natural y las de tiro inducido .

Las torres de refrigeración varían en tamaño, desde pequeñas unidades en azoteas hasta estructuras hiperboloides muy grandes que pueden alcanzar los 200 metros (660 pies) de altura y 100 metros (330 pies) de diámetro, o estructuras rectangulares que pueden superar los 40 metros (130 pies) de altura y los 80 metros (260 pies) de longitud. Las torres de refrigeración hiperboloides suelen asociarse con centrales nucleares , ^{[ 3 ]} aunque también se utilizan en muchas centrales térmicas de carbón y, en cierta medida, en algunas grandes plantas químicas y otras plantas industriales. La turbina de vapor es la que requiere la torre de refrigeración para condensar y recircular el agua. Si bien estas grandes torres son muy conocidas, la gran mayoría de las torres de refrigeración son mucho más pequeñas, incluyendo muchas unidades instaladas sobre o cerca de edificios para disipar el calor del aire acondicionado . El público en general también suele creer que las torres de refrigeración emiten humo o gases nocivos, cuando en realidad las emisiones de estas torres no contribuyen en su mayoría a la huella de carbono , ya que consisten únicamente en vapor de agua . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Las torres de refrigeración se originaron en el siglo XIX con el desarrollo de condensadores para su uso con la máquina de vapor . ^{[ 6 ]} Los condensadores utilizan agua relativamente fría, mediante diversos medios, para condensar el vapor que sale de los cilindros o turbinas. Esto reduce la contrapresión , lo que a su vez reduce el consumo de vapor y, por lo tanto, el consumo de combustible, al tiempo que aumenta la potencia y recicla el agua de la caldera. ^{[ 7 ]} Sin embargo, los condensadores requieren un suministro abundante de agua de refrigeración, sin el cual resultan poco prácticos. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Si bien el uso de agua no es un problema para los motores marinos , constituye una limitación significativa para muchos sistemas terrestres.

A principios del siglo XX, se utilizaban varios métodos de reciclaje de agua de refrigeración por evaporación en zonas sin un suministro de agua establecido, así como en zonas urbanas donde las redes de agua municipales podían no ser suficientes, fiables en momentos de alta demanda o simplemente inadecuadas para satisfacer las necesidades de refrigeración. ^{[ 6 ] [ 9 ]} En zonas con terreno disponible, los sistemas adoptaban la forma de estanques de refrigeración ; en zonas con terreno limitado, como en las ciudades, adoptaban la forma de torres de refrigeración. ^{[ 8 ] [ 10 ]}

Las primeras torres de refrigeración se ubicaban en las azoteas de los edificios o como estructuras independientes, alimentadas con aire mediante ventiladores o aprovechando el flujo de aire natural. ^{[ 8 ] [ 10 ]} Un libro de texto de ingeniería estadounidense de 1911 describía un diseño como “una estructura circular o rectangular de chapa ligera; en efecto, una chimenea muy acortada verticalmente (de 6 a 12 metros de altura) y muy ampliada lateralmente. En la parte superior hay un conjunto de canales de distribución, a los que se debe bombear el agua del condensador; desde estos, gotea sobre ‘esteras’ hechas de listones de madera o mallas de alambre tejido, que llenan el espacio dentro de la torre”. ^{[ 10 ]}

Una torre de refrigeración hiperboloide fue patentada por los ingenieros holandeses Frederik van Iterson y Gerard Kuypers en los Países Bajos el 16 de agosto de 1916. ^{[ 11 ]} La primera torre de refrigeración hiperboloide de hormigón armado fue construida por la mina estatal holandesa (DSM) Emma en 1917 en Heerlen (Koeltoren II). ^{[ 12 ]} Las primeras en el Reino Unido se construyeron en 1924 en la central eléctrica Lister Drive en Liverpool , Inglaterra. ^{[ 13 ]} En ambos lugares se construyeron para enfriar el agua utilizada en una central eléctrica de carbón.

Según un informe del Gas Technology Institute (GTI) , el ciclo Maisotsenko (ciclo M) de enfriamiento evaporativo por punto de rocío indirecto es un método teóricamente sólido para reducir la temperatura de un fluido de trabajo hasta su punto de rocío, que es inferior a la temperatura de bulbo húmedo del fluido ambiente. El ciclo M aprovecha la energía psicrométrica (o energía potencial) disponible a partir del calor latente de la evaporación del agua en el aire. Si bien su aplicación actual es el ciclo M HMX para aire acondicionado, mediante un diseño de ingeniería este ciclo podría utilizarse como dispositivo de recuperación de calor y humedad para dispositivos de combustión, torres de enfriamiento, condensadores y otros procesos que involucren corrientes de gas húmedo.

Se estima que el consumo de agua de refrigeración por parte de las plantas de procesamiento y energía terrestres reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las centrales térmicas entre 2040 y 2069. ^{[ 14 ]}

En 2021, investigadores presentaron un método para la recuperación de vapor. El vapor se carga mediante un haz de iones y luego se captura en una malla metálica de carga opuesta. La pureza del agua superó los estándares de potabilidad de la EPA . ^{[ 15 ]}

Una torre de refrigeración HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) se utiliza para eliminar el calor no deseado de un enfriador . Los enfriadores de líquido suelen ser más eficientes energéticamente que los enfriadores de aire debido a la disipación de calor al agua de la torre a temperaturas cercanas a la temperatura de bulbo húmedo . Los enfriadores de aire deben disipar el calor a una temperatura de bulbo seco más alta , por lo que tienen una menor efectividad promedio del ciclo de Carnot inverso . En climas cálidos, los grandes edificios de oficinas, hospitales y escuelas suelen utilizar torres de refrigeración en sus sistemas de aire acondicionado. Generalmente, las torres de refrigeración industriales son mucho más grandes que las torres HVAC. El uso de una torre de refrigeración en HVAC implica combinarla con un enfriador de líquido o un condensador de líquido. Una tonelada de aire acondicionado se define como la eliminación de 12 000 unidades térmicas británicas por hora (3,5 kW). La tonelada equivalente en el lado de la torre de enfriamiento rechaza aproximadamente 15 000 unidades térmicas británicas por hora (4,4 kW) debido al calor residual adicional equivalente a la energía necesaria para accionar el compresor del enfriador. Esta tonelada equivalente se define como el rechazo de calor al enfriar 3 galones estadounidenses por minuto (11 litros por minuto) o 1500 libras por hora (680 kg/h) de agua en 10 °F (5,6 °C), lo que equivale a 15 000 unidades térmicas británicas por hora (4,4 kW), suponiendo un coeficiente de rendimiento (COP) del enfriador de 4,0. ^{[ 16 ]} Este COP es equivalente a una relación de eficiencia energética (EER) de 14.

Las torres de refrigeración también se utilizan en sistemas HVAC con múltiples bombas de calor de fuente de agua que comparten un circuito de agua común . En este tipo de sistema, el agua que circula dentro del circuito extrae el calor del condensador de las bombas de calor cuando estas funcionan en modo de refrigeración. Posteriormente, la torre de refrigeración externa se utiliza para extraer el calor del circuito de agua y disiparlo a la atmósfera . Por el contrario, cuando las bombas de calor funcionan en modo de calefacción, los condensadores extraen el calor del agua del circuito y lo disipan en el espacio que se va a calentar. Cuando el circuito de agua se utiliza principalmente para suministrar calor al edificio, la torre de refrigeración normalmente se apaga (y puede vaciarse o prepararse para el invierno para evitar daños por congelación), y el calor se suministra por otros medios, generalmente desde calderas independientes .

Las torres de enfriamiento industriales se pueden utilizar para eliminar el calor de varias fuentes, como maquinaria o material de proceso calentado. El uso principal de las grandes torres de enfriamiento industriales es eliminar el calor absorbido en los sistemas de agua de enfriamiento circulante utilizados en centrales eléctricas , refinerías de petróleo , plantas petroquímicas , plantas de procesamiento de gas natural , plantas de procesamiento de alimentos, plantas de semiconductores y para otras instalaciones industriales, como en condensadores de columnas de destilación, para enfriar líquido en cristalización, etc. ^{[ 17 ]} La tasa de circulación de agua de enfriamiento en una central eléctrica típica de carbón de 700 MW _th con una torre de enfriamiento asciende a unos 71 600 metros cúbicos por hora (315 000 galones estadounidenses por minuto) ^{[ 18 ]} y el agua circulante requiere una tasa de reposición de agua de suministro de quizás el 5 por ciento (es decir, 3600 metros cúbicos por hora, equivalente a un metro cúbico cada segundo).

Si esa misma planta no tuviera torre de enfriamiento y utilizara agua de enfriamiento de paso único , requeriría aproximadamente 100 000 metros cúbicos por hora ^{[ 19 ]} Una gran toma de agua de enfriamiento generalmente mata millones de peces y larvas anualmente, ya que los organismos son impactados en las rejillas de toma . ^{[ 20 ]} Una gran cantidad de agua tendría que ser devuelta continuamente al océano, lago o río del cual se obtuvo y reabastecida continuamente a la planta. Además, descargar grandes cantidades de agua caliente puede elevar la temperatura del río o lago receptor a un nivel inaceptable para el ecosistema local. Las temperaturas elevadas del agua pueden matar peces y otros organismos acuáticos (ver contaminación térmica ), o también pueden causar un aumento de organismos indeseables como especies invasoras de mejillones cebra o algas .

Una torre de refrigeración sirve para disipar el calor en la atmósfera, de modo que la difusión del viento y el aire lo distribuyen sobre una superficie mucho mayor que la que el agua caliente puede distribuir en un cuerpo de agua. El agua de refrigeración evaporativa no se puede utilizar para fines posteriores (salvo para la lluvia), mientras que el agua de refrigeración superficial sí se puede reutilizar. Algunas centrales eléctricas de carbón y nucleares ubicadas en zonas costeras utilizan agua de mar de un solo paso. Pero incluso en esos casos, la salida de agua de descarga en alta mar requiere un diseño muy cuidadoso para evitar problemas ambientales.

Las refinerías de petróleo también pueden tener sistemas de torres de refrigeración muy grandes. Una refinería grande típica que procesa 40.000 toneladas métricas de petróleo crudo por día (300.000 barriles (48.000 m³ ⁾ por día) hace circular unos 80.000 metros cúbicos de agua por hora a través de su sistema de torres de refrigeración.

La torre de refrigeración más alta del mundo es la torre de refrigeración de 210 metros (690 pies) de la central eléctrica Pingshan II en Huaibei , provincia de Anhui, China. ^{[ 21 ]}

Este tipo de torres de refrigeración se entregan preensambladas en fábrica y, al ser máquinas compactas, se pueden transportar fácilmente en camiones. La capacidad de las torres compactas es limitada, por lo que suelen ser las preferidas por instalaciones con bajos requisitos de disipación de calor, como plantas procesadoras de alimentos, fábricas textiles, algunas plantas de procesamiento químico o edificios como hospitales, hoteles, centros comerciales, fábricas de automóviles, etc. Existen seis tipos de torres de refrigeración compactas: secas, húmedas cerradas, húmedas abiertas y tres sistemas híbridos. ^{[ 22 ]}

Debido a su uso frecuente en zonas residenciales o cerca de ellas, el control del nivel de ruido es una cuestión relativamente más importante para las torres de refrigeración compactas.

Las instalaciones como centrales eléctricas, plantas siderúrgicas, refinerías de petróleo o plantas petroquímicas suelen instalar torres de refrigeración de montaje in situ debido a su mayor capacidad de disipación de calor. Estas torres suelen ser mucho más grandes que las torres de refrigeración prefabricadas.

Una torre de refrigeración típica construida in situ consta de una estructura de plástico reforzado con fibra (PRF) extruido , revestimiento de PRFV , una unidad mecánica para la entrada de aire y un eliminador de gotas.

Con respecto al mecanismo de transferencia de calor empleado, los principales tipos son:

• Las torres de refrigeración húmedas, también conocidas como torres de refrigeración de circuito abierto o torres de refrigeración evaporativa , funcionan según el principio de refrigeración por evaporación . El refrigerante (generalmente agua) es el fluido que se evapora y queda expuesto a la intemperie.
• Las torres de refrigeración de circuito cerrado (también llamadas enfriadoras de fluido ) hacen circular el refrigerante de trabajo a través de un gran intercambiador de calor , generalmente un radiador , sobre el cual se rocía agua limpia y se aplica una corriente de aire generada por un ventilador. El rendimiento de transferencia de calor resultante es similar al de una torre de refrigeración húmeda, con la ventaja de proteger el fluido de trabajo de la exposición ambiental y la contaminación.
• Las torres de enfriamiento adiabáticas rocían agua sobre el aire de entrada o sobre una almohadilla de cartón para enfriarlo antes de que pase por un intercambiador de calor enfriado por aire. Estas torres utilizan menos agua que otras torres de enfriamiento, pero no enfrían el fluido tan cerca de la temperatura de bulbo húmedo. La mayoría de las torres de enfriamiento adiabáticas son también torres de enfriamiento híbridas.
• Las torres de refrigeración secas (o enfriadores secos ) son torres de refrigeración de circuito cerrado que funcionan mediante transferencia de calor a través de un intercambiador de calor que separa el refrigerante del aire ambiente, como en un radiador, utilizando la convección. No utilizan evaporación y son intercambiadores de calor refrigerados por aire.
• Las torres de refrigeración híbridas o de ciclo húmedo-seco son torres de refrigeración de circuito cerrado que pueden alternar entre operación húmeda o adiabática y seca. Esto ayuda a equilibrar el ahorro de agua y energía en diversas condiciones climáticas. Algunas torres de refrigeración híbridas pueden alternar entre los modos seco, húmedo y adiabático. Se han observado eficiencias térmicas de hasta el 92 % en torres de refrigeración híbridas. ^{[ 23 ]}

En una torre de enfriamiento húmeda (o de circuito abierto), el agua caliente se puede enfriar a una temperatura inferior a la temperatura de bulbo seco del aire ambiente, si el aire es relativamente seco (véase punto de rocío y psicrometría ). A medida que el aire ambiente pasa por un flujo de agua, una pequeña porción de esta se evapora, y la energía necesaria para evaporar esa porción se toma de la masa restante de agua, reduciendo así su temperatura. Aproximadamente 2300 kilojulios por kilogramo (970 BTU/lb) de energía térmica se absorben para el agua evaporada. La evaporación produce condiciones de aire saturado, lo que reduce la temperatura del agua procesada por la torre a un valor cercano a la temperatura de bulbo húmedo , que es inferior a la temperatura de bulbo seco ambiente , diferencia que está determinada por la humedad inicial del aire ambiente.

Para lograr un mejor rendimiento (mayor refrigeración), se utiliza un material de relleno que aumenta la superficie y el tiempo de contacto entre el aire y el agua. El relleno por salpicadura consiste en un material colocado para interrumpir el flujo de agua, provocando salpicaduras. El relleno de película se compone de láminas delgadas de material (generalmente PVC ) sobre las que fluye el agua. Ambos métodos aumentan la superficie y el tiempo de contacto entre el fluido (agua) y el gas (aire), mejorando así la transferencia de calor.

En lo que respecta a la extracción de aire a través de la torre, existen tres tipos de torres de refrigeración:

• Tiro natural  : Utiliza la flotabilidad mediante una chimenea alta. El aire cálido y húmedo asciende naturalmente debido a la diferencia de densidad con respecto al aire exterior seco y más frío. El aire cálido y húmedo es menos denso que el aire seco a la misma presión. Esta flotabilidad del aire húmedo produce una corriente de aire ascendente a través de la torre.
  

  

  Interior de la torre de refrigeración de tiro natural en una central eléctrica de gas en Gebze, Turquía.
• Tiro mecánico  : utiliza motores de ventilador accionados por energía para forzar o aspirar el aire a través de la torre.
  • Tiro inducido  : una torre de tiro mecánico con un ventilador en la salida (en la parte superior) que impulsa el aire hacia arriba a través de la torre. El ventilador induce la salida de aire caliente y húmedo. Esto produce velocidades de aire bajas a la entrada y altas a la salida, lo que reduce la posibilidad de recirculación, es decir, que el aire descargado regrese a la entrada de aire. Esta configuración de ventilador y aletas también se conoce como tiro directo .
  • Tiro forzado  : una torre de tiro mecánico con un ventilador tipo soplador en la entrada. El ventilador fuerza el aire hacia la torre, creando altas velocidades de entrada y bajas velocidades de salida. La baja velocidad de salida es mucho más susceptible a la recirculación. Con el ventilador en la entrada de aire, es más susceptible a complicaciones debido a condiciones de congelación. Otra desventaja es que un diseño de tiro forzado generalmente requiere más potencia del motor que un diseño de tiro inducido equivalente. El beneficio del diseño de tiro forzado es su capacidad para trabajar con alta presión estática . Estas configuraciones se pueden instalar en espacios más confinados e incluso en algunos entornos interiores. Esta geometría de ventilador/aletas también se conoce como soplado directo .
• Tiro natural asistido por ventilador  : un tipo híbrido que se asemeja a un sistema de tiro natural, aunque el flujo de aire está asistido por un ventilador.

On 16 August 1916,^[24]Frederik van Iterson took out the UK patent (108,863) for Improved Construction of Cooling Towers of Reinforced Concrete.^[25] The patent was filed on 9 August 1917, and published on 11 April 1918. In 1918, DSM built the first hyperboloid natural-draft cooling tower at the Staatsmijn Emma, to his design.

Hyperboloid (sometimes incorrectly known as hyperbolic) cooling towers have become the design standard for all natural-draft cooling towers because of their structural strength and minimum usage of material.^{[26][27][28][29]} The hyperboloid shape also aids in accelerating the upward convective air flow, improving cooling efficiency.^[30][31] These designs are popularly associated with nuclear power plants. However, this association is misleading, as the same kind of cooling towers are often used at large coal-fired power plants and some geothermal plants as well. The steam turbine is what necessitates the cooling tower. Conversely, not all nuclear power plants have cooling towers, and some instead cool their working fluid with lake, river or ocean water.

Crossflow is a design in which the airflow is directed perpendicular to the water flow (see diagram at left). Airflow enters one or more vertical faces of the cooling tower to meet the fill material. Water flows (perpendicular to the air) through the fill by gravity. The air continues through the fill and thus past the water flow into an open plenum volume. Lastly, a fan forces the air out into the atmosphere.

A distribution or hot water basin consisting of a deep pan with holes or nozzles in its bottom is located near the top of a crossflow tower. Gravity distributes the water through the nozzles uniformly across the fill material. Cross Flow V/s Counter Flow

Ventajas del diseño de flujo cruzado:

• La distribución de agua por gravedad permite utilizar bombas más pequeñas y facilita el mantenimiento durante su uso.
• La pulverización sin presión simplifica el flujo variable.
• Por lo general, el costo inicial y a largo plazo es menor, principalmente debido a los requisitos de la bomba.

Desventajas del diseño de flujo cruzado:

• Son más propensos a congelarse que los diseños de flujo a contracorriente.
• El caudal variable resulta inútil en determinadas condiciones.
• Son más propensos a la acumulación de suciedad en el relleno que los diseños de contracorriente, especialmente en zonas polvorientas o arenosas.

En un diseño de contracorriente, el flujo de aire es directamente opuesto al flujo de agua (véase el diagrama de la izquierda). El aire entra primero en un espacio abierto debajo del material de relleno y luego asciende verticalmente. El agua se pulveriza mediante boquillas presurizadas cerca de la parte superior de la torre y fluye hacia abajo a través del material de relleno, en dirección opuesta al flujo de aire.

Ventajas del diseño de flujo a contracorriente:

• La distribución del agua pulverizada hace que la torre sea más resistente a las heladas.
• La fragmentación del agua en el rocío hace que la transferencia de calor sea más eficiente.

Desventajas del diseño de flujo a contracorriente:

• Por lo general, el costo inicial y a largo plazo es más elevado, principalmente debido a los requisitos de la bomba.
• Resulta difícil utilizar un caudal de agua variable, ya que las características de la pulverización pueden verse afectadas negativamente.
• Generalmente más ruidoso, debido a la mayor altura de la caída de agua desde el fondo del terraplén hasta la cuenca de agua fría.

Aspectos comunes de ambos diseños:

• La interacción entre el aire y el flujo de agua permite una igualación parcial de la temperatura y la evaporación del agua.
• El aire, ahora saturado de vapor de agua, se descarga por la parte superior de la torre de refrigeración.
• Se utiliza un "depósito de recogida" o "depósito de agua fría" para recoger y contener el agua enfriada después de su interacción con el flujo de aire.

Tanto los diseños de flujo cruzado como los de flujo a contracorriente pueden utilizarse en torres de refrigeración de tiro natural y de tiro mecánico.

Cuantitativamente, el balance de materia alrededor de un sistema de torre de enfriamiento evaporativa húmeda está regido por las variables operacionales de caudal volumétrico de reposición , pérdidas por evaporación y ventilación, tasa de extracción y ciclos de concentración. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

En el diagrama adjunto, el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua de refrigeración que circula por los enfriadores y condensadores de proceso en una instalación industrial. El agua fría absorbe el calor de las corrientes de proceso calientes que necesitan enfriarse o condensarse, y el calor absorbido calienta el agua circulante (C). El agua caliente regresa a la parte superior de la torre de refrigeración y gotea hacia abajo sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, entra en contacto con el aire ambiente que asciende a través de la torre, ya sea por tiro natural o por tiro forzado mediante grandes ventiladores en la torre. Este contacto provoca que una pequeña cantidad de agua se pierda por arrastre (W) y que parte del agua (E) se evapore . El calor necesario para evaporar el agua proviene del agua misma, lo que la enfría hasta la temperatura original del agua del depósito, y entonces el agua está lista para recircular. El agua evaporada deja sus sales disueltas en el grueso del agua que no se ha evaporado, aumentando así la concentración de sal en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sal en el agua sea demasiado alta, se extrae o se descarga una parte del agua (D) para su eliminación. Se suministra agua dulce (M) al depósito de la torre para compensar la pérdida de agua evaporada, la pérdida de agua por efecto del viento y el agua extraída.

Utilizando estas unidades dimensionales de caudal y concentración:

Entonces, el balance hídrico alrededor de todo el sistema es: ^{[ 33 ]}

M = E + D + W

Dado que el agua evaporada (E) no tiene sales, el balance de cloruro alrededor del sistema es: ^{[ 33 ]}

MX _M = DX _C + WX _C = X _C ( D + W )

${\displaystyle MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}=X_{C}(D+W)}$

y, por lo tanto: ^{[ 33 ]}

${\displaystyle {X_{C} \over X_{M}}={\text{Ciclos de concentración}}={M \over (D+W)}={M \over (ME)}=1+{E \over (D+W)}}$

A partir de un balance térmico simplificado alrededor de la torre de refrigeración:

${\displaystyle E={C\Delta Tc_{p} \over H_{V}}}$

Windage (or drift) losses (W) is the amount of total tower water flow that is entrained in the flow of air to the atmosphere. From large-scale industrial cooling towers, in the absence of manufacturer's data, it may be assumed to be:

W = 0.3 to 1.0 percent of C for a natural draft cooling tower without windage drift eliminators

W = 0.1 to 0.3 percent of C for an induced draft cooling tower without windage drift eliminators

W = about 0.005 percent of C (or less) if the cooling tower has windage drift eliminators

W = about 0.0005 percent of C (or less) if the cooling tower has windage drift eliminators and uses sea water as make-up water.

Cycle of concentration represents the accumulation of dissolved minerals in the recirculating cooling water. Discharge of draw-off (or blowdown) is used principally to control the buildup of these minerals.

The chemistry of the make-up water, including the amount of dissolved minerals, can vary widely. Make-up waters low in dissolved minerals such as those from surface water supplies (lakes, rivers etc.) tend to be aggressive to metals (corrosive). Make-up waters from ground water supplies (such as wells) are usually higher in minerals, and tend to be scaling (deposit minerals). Increasing the amount of minerals present in the water by cycling can make water less aggressive to piping; however, excessive levels of minerals can cause scaling problems.

As the cycles of concentration increase, the water may not be able to hold the minerals in solution. When the solubility of these minerals have been exceeded they can precipitate out as mineral solids and cause fouling and heat exchange problems in the cooling tower or the heat exchangers. The temperatures of the recirculating water, piping and heat exchange surfaces determine if and where minerals will precipitate from the recirculating water. Often a professional water treatment consultant will evaluate the make-up water and the operating conditions of the cooling tower and recommend an appropriate range for the cycles of concentration. The use of water treatment chemicals, pretreatment such as water softening, pH adjustment, and other techniques can affect the acceptable range of cycles of concentration.

En la mayoría de las torres de refrigeración, los ciclos de concentración suelen oscilar entre 3 y 7. En Estados Unidos, muchos sistemas de abastecimiento de agua utilizan agua de pozo, la cual presenta niveles significativos de sólidos disueltos. Por otro lado, uno de los mayores abastecimientos de agua, el de la ciudad de Nueva York , proviene de agua de lluvia superficial con un contenido mineral muy bajo; por lo tanto, en esa ciudad, las torres de refrigeración suelen tener permitido alcanzar 7 o más ciclos de concentración.

Dado que un mayor número de ciclos de concentración implica una menor cantidad de agua de reposición, los esfuerzos de conservación del agua podrían centrarse en aumentar los ciclos de concentración. ^{[ 34 ]} El agua reciclada altamente tratada podría ser un medio eficaz para reducir el consumo de agua potable de las torres de refrigeración en regiones donde el agua potable escasea. ^{[ 35 ]}

Limpie la suciedad y los residuos visibles del depósito de agua fría y de las superficies que presenten biopelícula visible (es decir, limo).

Los niveles de desinfectante y otros productos químicos en las torres de refrigeración y los jacuzzis deben mantenerse de forma continua y controlarse periódicamente. ^{[ 36 ]}

Se deben realizar controles periódicos de la calidad del agua (en concreto, de los niveles de bacterias aerobias) utilizando placas de cultivo, ya que la presencia de otros organismos puede favorecer la proliferación de la legionela al producir los nutrientes orgánicos que necesita para desarrollarse.

Además de tratar el agua de refrigeración circulante en los grandes sistemas de torres de refrigeración industriales para minimizar la incrustación y la obstrucción , el agua debe filtrarse para eliminar partículas y también dosificarse con biocidas y alguicidas para prevenir crecimientos que puedan interferir con el flujo continuo del agua. ^{[ 32 ]} En ciertas condiciones, una biopelícula de microorganismos como bacterias, hongos y algas puede crecer muy rápidamente en el agua de refrigeración y puede reducir la eficiencia de transferencia de calor de la torre de refrigeración. La biopelícula puede reducirse o prevenirse utilizando clorito de sodio u otros productos químicos a base de cloro . Una práctica industrial normal es utilizar dos biocidas, como los tipos oxidantes y no oxidantes, para complementar sus fortalezas y debilidades, y para asegurar un espectro de ataque más amplio. En la mayoría de los casos, se utiliza un biocida oxidante de bajo nivel de forma continua, alternando luego con una dosis de choque periódica de biocidas no oxidantes.

Los alguicidas, como su nombre indica, están diseñados para eliminar las algas y otros microorganismos vegetales relacionados presentes en el agua. Los biocidas pueden reducir la materia orgánica restante, mejorando el sistema, manteniendo el agua limpia y garantizando un uso eficiente del agua. Una de las opciones más comunes de biocidas en torres de refrigeración es el bromo. ^{[ 37 ]}

Scaling is among the issues that cause the most damage and strain to a water tower's systems. When an unwanted material or contaminant in the water builds up in a certain area, it can create deposits that grow over time. This can cause issues ranging from the narrowing of pipes to total blockages and equipment failures.^[37]

Cooling towers may lose water due to drift, bleed-off, and evaporation loss. This lost water is replenished with make-up water, which additionally makes machinery and equipment run safely and stably.

Another very important reason for using biocides in cooling towers is to prevent the growth of Legionella, including species that cause legionellosis or Legionnaires' disease, most notably L. pneumophila^[38] or Mycobacterium avium.^[39] The various Legionella species are the cause of Legionnaires' disease in humans and transmission is via exposure to aerosols—the inhalation of mist droplets containing the bacteria. Common sources of Legionella include cooling towers used in open recirculating evaporative cooling water systems, domestic hot water systems, fountains, and similar disseminators that tap into a public water supply. Natural sources include freshwater ponds and creeks.^[40][41]

French researchers found that Legionella bacteria travelled up to 6 kilometres (3.7 mi) through the air from a large contaminated cooling tower at a petrochemical plant in Pas-de-Calais, France. That outbreak killed 21 of the 86 people who had a laboratory-confirmed infection.^[42]

Drift (or windage) is the term for water droplets of the process flow allowed to escape in the cooling tower discharge. Drift eliminators are used in order to hold drift rates typically to 0.001–0.005% of the circulating flow rate. A typical drift eliminator provides multiple directional changes of airflow to prevent the escape of water droplets. A well-designed and well-fitted drift eliminator can greatly reduce water loss and potential for Legionella or water treatment chemical exposure. Also, about every six months, inspect the conditions of the drift eliminators making sure there are no gaps to allow the free flow of dirt.^[43]

Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE. UU. no recomiendan que los centros de atención médica realicen pruebas periódicas para detectar la bacteria Legionella pneumophila . El monitoreo microbiológico programado para Legionella sigue siendo controvertido, ya que su presencia no necesariamente indica un potencial de transmisión de la enfermedad. Los CDC recomiendan medidas de desinfección rigurosas para la limpieza y el mantenimiento de dispositivos que se sabe que transmiten Legionella , pero no recomiendan análisis microbiológicos periódicos para detectar la bacteria. Sin embargo, podría considerarse el monitoreo programado del agua potable dentro de un hospital en ciertos entornos donde las personas son altamente susceptibles a enfermar y morir por la infección por Legionella (por ejemplo, unidades de trasplante de células madre hematopoyéticas o unidades de trasplante de órganos sólidos). Además, después de un brote de legionelosis, las autoridades sanitarias coinciden en que el monitoreo es necesario para identificar la fuente y evaluar la eficacia de los biocidas u otras medidas de prevención. ^{[ 44 ]}

Los estudios han encontrado Legionella en el 40% al 60% de las torres de refrigeración. ^{[ 45 ]}

• Deriva o arrastre  : Gotas de agua que salen de la torre de refrigeración con el aire de escape. Estas gotas tienen la misma concentración de impurezas que el agua que entra en la torre. La tasa de arrastre se reduce generalmente mediante el uso de dispositivos tipo deflector, llamados eliminadores de arrastre, por los que debe pasar el aire tras salir de las zonas de llenado y pulverización de la torre. El arrastre también puede reducirse utilizando temperaturas de entrada más elevadas en la torre de refrigeración.

• Expulsión de agua  : Gotas de agua expulsadas de la torre de refrigeración por el viento, generalmente por las entradas de aire. En ausencia de viento, también puede haber pérdidas de agua por salpicaduras o nebulización. Para limitar estas pérdidas, se utilizan dispositivos como pantallas cortavientos, rejillas, deflectores de salpicaduras y desviadores de agua.

• Pluma  : Corriente de aire de escape saturado que sale de la torre de refrigeración. La pluma se hace visible cuando el vapor de agua que contiene se condensa al entrar en contacto con el aire ambiente más frío, como el vaho que se forma al respirar en un día frío. En determinadas condiciones, la pluma de una torre de refrigeración puede provocar vaho o formación de hielo en sus alrededores. Cabe destacar que el agua evaporada durante el proceso de refrigeración es agua pura, a diferencia del pequeño porcentaje de gotas de agua que salen por las entradas de aire.

• Desgasificación o purga  : Porción del flujo de agua circulante que se extrae (generalmente se descarga a un desagüe) para mantener la cantidad de sólidos disueltos totales (SDT) y otras impurezas en un nivel aceptablemente bajo. Una mayor concentración de SDT en la solución puede deberse a una mayor eficiencia de la torre de enfriamiento. Sin embargo, cuanto mayor sea la concentración de SDT, mayor será el riesgo de incrustaciones, crecimiento biológico y corrosión. La cantidad de purga se regula principalmente midiendo la conductividad eléctrica del agua circulante. El crecimiento biológico, las incrustaciones y la corrosión se pueden prevenir con productos químicos (biocidas, ácido sulfúrico, inhibidores de corrosión, respectivamente). Por otro lado, la única forma práctica de disminuir la conductividad eléctrica es aumentando la cantidad de descarga de purga y, por consiguiente, aumentando la cantidad de agua de reposición limpia.

• El purgado cero para torres de enfriamiento , también llamado purgado cero para torres de enfriamiento , es un proceso para reducir significativamente la necesidad de purgar el agua con sólidos residuales del sistema al permitir que el agua retenga más sólidos en solución. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

• Reposición  : El agua que debe agregarse al sistema de agua circulante para compensar las pérdidas de agua tales como evaporación, pérdida por arrastre, purga, purga, etc.

• Ruido  : Energía sonora emitida por una torre de refrigeración y audible (registrada) a una distancia y dirección determinadas. El sonido se genera por el impacto del agua al caer, el movimiento del aire producido por los ventiladores, el movimiento de las aspas de los ventiladores dentro de la estructura, la vibración de la estructura y los motores, las cajas de engranajes o las correas de transmisión.

• Método de aproximación  : El método de aproximación es la diferencia de temperatura entre la temperatura del agua enfriada y la temperatura de bulbo húmedo (THB) del aire de entrada. Dado que las torres de enfriamiento se basan en los principios del enfriamiento evaporativo, la eficiencia máxima de la torre de enfriamiento depende de la temperatura de bulbo húmedo del aire. La temperatura de bulbo húmedo es un tipo de medición de temperatura que refleja las propiedades físicas de un sistema con una mezcla de un gas y un vapor, generalmente aire y vapor de agua.

• Rango  : El rango es la diferencia de temperatura entre la entrada de agua caliente y la salida de agua fría.

• Relleno  : Dentro de la torre, se añaden rellenos para aumentar la superficie de contacto y el tiempo de contacto entre el aire y el agua, lo que permite una mejor transferencia de calor. La eficiencia de la torre depende de la selección y la cantidad de relleno. Existen dos tipos de rellenos que se pueden utilizar:
  • Relleno tipo película (provoca que el agua se extienda formando una fina película)
  • Relleno tipo salpicadura (rompe el chorro de agua que cae e interrumpe su avance vertical)

• Filtración de flujo completo  : La filtración de flujo completo elimina continuamente las partículas del flujo total del sistema. Por ejemplo, en un sistema de 100 toneladas, el caudal sería de aproximadamente 300 gal/min. Se seleccionaría un filtro para gestionar todo el caudal de 300 gal/min. En este caso, el filtro suele instalarse después de la torre de refrigeración, en la salida de la bomba. Si bien este es el método de filtración ideal, para sistemas de mayor caudal puede resultar prohibitivo en términos de costo.

• Filtración de flujo lateral  : La filtración de flujo lateral, aunque popular y eficaz, no proporciona una protección completa. Con la filtración de flujo lateral, una parte del agua se filtra continuamente. Este método funciona según el principio de que la eliminación continua de partículas mantendrá el sistema limpio. Los fabricantes suelen empaquetar los filtros de flujo lateral en una plataforma, completa con una bomba y controles. Para sistemas de alto caudal, este método es rentable. Dimensionar correctamente un sistema de filtración de flujo lateral es fundamental para obtener un rendimiento de filtración satisfactorio, pero existe cierto debate sobre cómo dimensionarlo correctamente. Muchos ingenieros dimensionan el sistema para filtrar continuamente el agua del depósito de la torre de refrigeración a una tasa equivalente al 10 % del caudal de circulación total. Por ejemplo, si el caudal total de un sistema es de 1200 gal/min (un sistema de 400 toneladas), se especifica un sistema de flujo lateral de 120 gal/min.

• Ciclo de concentración  : multiplicador máximo permitido para la cantidad de sustancias diversas en el agua circulante en comparación con la cantidad de esas sustancias en el agua de reposición.

• Madera tratada  : un material estructural para torres de refrigeración que se dejó de usar en gran medida a principios de la década de 2000. Aún se utiliza ocasionalmente debido a su bajo costo inicial, a pesar de su corta vida útil. La vida útil de la madera tratada varía mucho, dependiendo de las condiciones de operación de la torre, como la frecuencia de las paradas, el tratamiento del agua de circulación, etc. En condiciones de trabajo adecuadas, la vida útil estimada de los elementos estructurales de madera tratada es de aproximadamente 10 años.

• Lixiviación  : Pérdida de productos químicos conservantes de la madera debido a la acción de lavado del agua que fluye a través de una torre de refrigeración con estructura de madera.

• El plástico reforzado con fibra (PRF) pultruido  , un material estructural común para torres de refrigeración pequeñas, se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión. El PRF pultruido se produce mediante tecnología de pultrusión y se ha convertido en el material estructural más común para este tipo de torres. Ofrece menores costos y requiere menos mantenimiento en comparación con el hormigón armado, que aún se utiliza en grandes estructuras.

En determinadas condiciones ambientales, se pueden observar columnas de vapor de agua que se elevan desde la descarga de una torre de refrigeración y que pueden confundirse con el humo de un incendio. Si el aire exterior está saturado o cerca de él, y la torre añade más agua al aire, se puede descargar aire saturado con gotas de agua líquida, lo que se percibe como niebla. Este fenómeno suele ocurrir en días frescos y húmedos, pero es poco frecuente en muchos climas. La niebla y las nubes asociadas a las torres de refrigeración pueden describirse como homogeneizadas, al igual que otras nubes de origen artificial, como las estelas de condensación y las estelas de los barcos . ^{[ 49 ]}

Este fenómeno se puede prevenir disminuyendo la humedad relativa del aire de descarga saturado. Para ello, en las torres híbridas, el aire de descarga saturado se mezcla con aire caliente de baja humedad relativa. Parte del aire ingresa a la torre por encima del nivel del eliminador de arrastre, pasando por intercambiadores de calor. La humedad relativa del aire seco disminuye aún más instantáneamente al calentarse al ingresar a la torre. La mezcla descargada tiene una humedad relativa relativamente menor y la niebla es invisible.

En una serie de modelos y experimentos se consideraron cuestiones relacionadas con la meteorología aplicada a las torres de refrigeración, incluyendo la evaluación del impacto de estas en la intensificación de las nubes. Uno de los resultados del grupo de Haman indicó influencias dinámicas significativas de las estelas de condensación en la atmósfera circundante, manifestadas en perturbaciones de temperatura y humedad. El mecanismo de estas influencias parecía estar asociado con el flujo de aire sobre la estela como obstáculo o con ondas verticales generadas por la misma, a menudo a una altitud considerable por encima de ella. ^{[ 50 ]}

Cuando se instalan torres de refrigeración húmedas con agua de mar como combustible en diversas industrias ubicadas en zonas costeras o cercanas a ellas, las finas gotas que emiten contienen casi un 6 % de cloruro de sodio, el cual se deposita en las zonas terrestres aledañas. Esta deposición de sales de sodio en terrenos agrícolas y vegetativos cercanos puede convertirlos en suelos salinos sódicos o alcalinos sódicos , según la naturaleza del suelo, e incrementar la sodicidad de las aguas subterráneas y superficiales. El problema de la deposición de sales provenientes de dichas torres de refrigeración se agrava cuando no se imponen o implementan normas de control de la contaminación para minimizar las emisiones de las torres de refrigeración húmedas que utilizan agua de mar como combustible. ^{[ 51 ]}

Las partículas respirables en suspensión , de menos de 10 micrómetros (μm) de tamaño, pueden estar presentes en la deriva de las torres de refrigeración. Las partículas más grandes, de más de 10 μm, generalmente se filtran en la nariz y la garganta a través de los cilios y el moco, pero las partículas más pequeñas de 10 μm, denominadas PM10 _, pueden depositarse en los bronquios y los pulmones y causar problemas de salud. De manera similar, las partículas más pequeñas de 2,5 μm (PM2,5 ₎ tienden a penetrar en las regiones de intercambio gaseoso de los pulmones, y las partículas muy pequeñas (menos de 100 nanómetros) pueden atravesar los pulmones y afectar a otros órganos. Si bien las emisiones totales de partículas de las torres de refrigeración húmedas con agua dulce son mucho menores, contienen más PM10 _y PM2,5 _que las emisiones totales de las torres de refrigeración húmedas con agua de mar. Esto se debe al menor contenido de sal en la deriva de agua dulce (por debajo de 2000 ppm) en comparación con el contenido de sal de la deriva de agua de mar (60 000 ppm). ^{[ 51 ]}

En algunas centrales eléctricas modernas equipadas con sistemas de purificación de gases de combustión , como la central eléctrica de Großkrotzenburg y la central eléctrica de Rostock , la torre de refrigeración también se utiliza como chimenea de gases de combustión (chimenea industrial), lo que permite ahorrar el coste de una estructura de chimenea independiente. En las centrales que no disponen de sistemas de purificación de gases de combustión, pueden producirse problemas de corrosión debido a las reacciones de los gases de combustión sin tratar con el agua, que dan lugar a la formación de ácidos .

En ocasiones, las torres de refrigeración de tiro natural se construyen con acero estructural en lugar de hormigón armado (HCR) cuando el tiempo de construcción de la torre de refrigeración de tiro natural supera el tiempo de construcción del resto de la planta, o cuando el suelo local no tiene la resistencia suficiente para soportar el peso de las torres de refrigeración de HCR, o cuando los precios del cemento son más altos en el lugar, lo que lleva a optar por torres de refrigeración de tiro natural más económicas fabricadas con acero estructural.

Algunas torres de refrigeración (como los sistemas de aire acondicionado de edificios más pequeños) se apagan estacionalmente, se vacían y se preparan para el invierno para evitar daños por congelación.

Durante el invierno, otras instalaciones mantienen en funcionamiento torres de refrigeración con agua a 4 °C (39 °F) a la salida. En climas fríos, se suelen emplear calentadores de depósito, vaciado de la torre y otros métodos de protección contra la congelación. Las torres de refrigeración operativas con averías pueden congelarse durante las heladas intensas. Normalmente, la congelación comienza en las esquinas de la torre, donde la carga térmica es reducida o inexistente. Las heladas severas pueden generar un volumen creciente de hielo, lo que aumenta las cargas estructurales y puede provocar daños o el colapso de la estructura.

Para evitar la congelación, se utilizan los siguientes procedimientos:

• No se recomienda el uso de sistemas de derivación con modulación de agua durante condiciones de congelación. En tales situaciones, la flexibilidad de control de motores de velocidad variable, motores de dos velocidades y/o motores de dos velocidades para torres multicelulares debe considerarse un requisito.
• No opere la torre sin supervisión. Es posible que se hayan instalado sensores y alarmas remotas para monitorear el estado de la torre.
• No opere la torre sin carga térmica. Se pueden usar calentadores de depósito para mantener el agua en la bandeja de la torre a una temperatura superior al punto de congelación. La resistencia calefactora ("cinta calefactora") es un elemento calefactor resistivo que se instala a lo largo de las tuberías de agua para evitar la congelación en climas fríos.
• Mantener el caudal de agua de diseño sobre el relleno de la torre.
• Manipule o reduzca el flujo de aire para mantener la temperatura del agua por encima del punto de congelación.

Las torres de refrigeración construidas total o parcialmente con materiales combustibles pueden propiciar la propagación interna del fuego. Estos incendios pueden alcanzar gran intensidad debido a la elevada relación superficie-volumen de las torres, y pueden intensificarse aún más por convección natural o tiro inducido por ventiladores. Los daños resultantes pueden ser tan graves que requieran la sustitución de toda la estructura de la celda o torre. Por este motivo, algunos códigos y normas ^{[ 52 ]} recomiendan que las torres de refrigeración combustibles cuenten con un sistema automático de rociadores contra incendios. Los incendios pueden propagarse internamente dentro de la estructura de la torre cuando la celda no está en funcionamiento (por ejemplo, durante el mantenimiento o la construcción), e incluso mientras la torre está en funcionamiento, especialmente en las de tiro inducido, debido a la existencia de zonas relativamente secas en su interior. ^{[ 53 ]}

Al ser estructuras muy grandes, las torres de refrigeración son susceptibles a los daños causados ​​por el viento, y en el pasado se han producido varios fallos espectaculares. En la central eléctrica de Ferrybridge , el 1 de noviembre de 1965, se produjo un fallo estructural importante cuando tres de las torres de refrigeración colapsaron debido a las vibraciones provocadas por vientos de 137 km/h (85 mph). ^{[ 54 ]} Aunque las estructuras se habían construido para soportar velocidades de viento más altas, la forma de las torres de refrigeración hizo que los vientos del oeste se canalizaran hacia ellas, creando un vórtice . Tres de las ocho torres de refrigeración originales quedaron destruidas y las cinco restantes sufrieron graves daños. Posteriormente, las torres se reconstruyeron y las ocho se reforzaron para tolerar condiciones climáticas adversas. Se modificaron los códigos de construcción para incluir un mejor soporte estructural y se introdujeron pruebas en túneles de viento para comprobar la estructura y la configuración de las torres.

• ¿Qué es una torre de refrigeración? Archivado el 7 de mayo de 2010 en Wayback Machine – Cooling Technology Institute
• "Torres de refrigeración" – incluye diagramas – Turista nuclear virtual
• Guía para torres de refrigeración húmedas en relación con las partículas contaminantes, Environment Canada.
• Impresionantes fotografías de torres de refrigeración abandonadas en Europa, por Reginald Van de Velde, Lonely Planet, 15 de febrero de 2017 (véase también un extracto de una entrevista radiofónica , World Update , BBC, 21 de noviembre de 2016).