torres de enfriamiento - mantenimiento

Torres de Enfriamiento

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Repblica Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Educacin Superior

Instituto Universitario de Tecnologa de Puerto Cabello

(IUTPC)

Ingeniera en Mantenimiento

Torres de Enfriamiento Introduccin al Mantenimiento

Estudiante:

Rosa E. Martnez

Auriluz Quiones

Erika Vsquez

Ninfa Rincon

Yennimar Molero

Brianggeli Parra

Reizon Seijas

Docente:

Lic. Luis Herrera

Carlos Piero

Reni Machado

Arianny Lugo

Puerto Cabello, Noviembre de 2013.


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Introduccin.

El proceso de enfriamiento de agua es quiz uno de los ms antiguos que se conoce, ya

desde la antigedad se empleaban jarrones de barro para mantener el agua fresca y las

superficies de los estanques para enfriar grandes cantidades de agua.

En la medida en que la industria ha ido creciendo y las necesidades de enfriar y/o calentar

flujos de agua han aumentado, se han ido desarrollando dispositivos cada vez ms

eficientes y menos costosos energticamente. En la actualidad las torres de enfriamiento

tienen mucho uso en la mayora de las refineras de petrleo del mundo, as como otros

sistemas industriales que requieran de dicho proceso.

En el presente trabajo, tratamos de comprender ms a fondo su estructura interna,

funcionamiento, tipos de torres de enfriamiento, as como investigar los diferentes

procesos de mantenimiento que se le realizan a dichas torres para garantizar un

funcionamiento ptimo y libre de contratiempos para el resto del proceso industrial.


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Torres de Enfriamiento.

Las torres de enfriamiento (Cooling Tower) o tambin denominadas torres de

refrigeracin, tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporizacin parcial

de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de

aire seco y fro que circula por el mismo aparato.

Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de

costo inicial bajo y de costo de operacin tambin reducido.

Con frecuencia la armazn y el empaque interno son de madera. Es comn la

impregnacin de la manera, bajo presin con fungicidas. Generalmente el entablado de

los costados de la torre es de pino, polister reforzado con vidrio, o cemento de asbesto.

Pueden empacarse con empaques plsticos. El empaque de plstico puede ser

polipropileno, moldeado en forma de enrejado o alguna otra forma.

El espacio vaco es muy grande, generalmente mayor del 90% con el fin de que la cada de

presin del gas sea lo ms baja posible.

Como consecuencia la superficie de la interfase no slo incluye la superficie de las

pelculas lquidas que humedecen el empaque, sino tambin la superficie de las gotas que

caen como lluvia desde cada fila.

Tipos de torres de enfriamiento.

Las torres de enfriamiento se clasifican segn la forma de suministro de aire en:

1. Torres de circulacin natural

o Atmosfricas

o Tiro natural

2. Torres de tiro mecnico

o Tiro inducido

o Tiro Forzado

3. Otros tipos:

o Torres de flujo cruzado


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Torres de circulacin natural

1. Torres Atmosfricas: movimiento del aire depende del viento y del efecto

aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeas instalaciones. Depende

de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

2. Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia

de densidades, entre el aire ms fro del exterior y hmedo del interior de la torre.

Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado.

Debido al inmenso tamao de estas torres (500 pie alto y 400 pie de dimetro), se

utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm. Son

ampliamente utilizadas en las centrales trmicas.

Torres de Tiro mecnico

El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o

compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a travs de unos orificios. El

aire usado para enfriar el agua caliente es extrado de la torre, en cualquiera de las dos

formas siguientes:

1. Tiro Inducido: El aire se succiona a travs de la torre mediante un ventilador

situado en la parte superior de la torre. Son las ms utilizadas.


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2. Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se

descarga por la parte superior. Estas torres estn sujetas particularmente a la

recirculacin del aire caliente y hmedo que es descargado, dentro de la toma del

ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la

efectividad de la torre.

El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y

adems permite una distribucin interna ms uniforme del aire.

Torres de flujo cruzado:

El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a travs del agua que cae.

Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope.

Las torres de flujo cruzado requieren ms aire y tienen un costo de operacin ms bajo

que las torres a contracorriente.

Componente de las Torres de Enfriamiento.

Las torres de enfriamiento se componen de 7 elementos bsicos que se describen a

continuacin.


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1. Sistema de distribucin del agua:

Hace referencia a la manera como se

vierte el agua sobre la torre. Existen dos

tipos de sistemas, uno que opera por

gravedad y otro por presin. El primero

se compone de un recipiente y unos

agujeros que distribuyen el agua; tiene

bajos costos de operacin debido a la

poca potencia de bombeo que requiere y

es de fcil mantenimiento. Sin embargo

no se usa en torres que operen a

contraflujo debido a las dificultades que

presentan en la distribucin uniforme del

agua. El segundo se compone de

sistemas de pulverizacin con toberas

orientadas hacia abajo que pueden ser

en forma de espina de pescado o rotativas. Brindan mayor rendimiento al sistema pero su

mantenimiento es ms frecuente, y los consumos energticos son mayores.


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2. Relleno.

Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad es brindar mayor

tiempo y rea de contacto del aire con el agua. El relleno debe provocar poca resistencia

al paso de aire y mantener una distribucin uniforme del agua durante todo su recorrido.

Pueden diferenciarse dos tipos de relleno: de goteo y de pelcula o laminares.

En los rellenos de goteo las gotas de agua caen sobre una serie de pisos superpuestos que

van haciendo la gota cada vez ms pequea. Puede presentar arrastre de gotas, por lo que

se recomienda el uso de eliminadores de gota. Los rellenos laminares proporcionan mayor

capacidad de enfriamiento, son ms eficientes y no producen tanto goteo al exterior del

equipo, sin embargo requiere un mantenimiento ms frecuente

3. Eliminadores de gotas.

Los eliminadores bsicamente retienen las gotas de agua arrastradas por el aire que salen

de la torre. Son paneles ubicados en la parte superior que redireccionan el flujo y separan

las gotas del aire, hacindolas caer de nuevo sobre el relleno, tienen dos efectos positivos;

el primero es reducir la reposicin del agua y el segundo evitar la formacin de ambientes

saturados que puedan afectar las torres adyacentes.


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4. Chimeneas.

Se emplean en torres de tiro inducido para mejorar el comportamiento del ventilador y

evitar efectos de recirculacin de aire.

5. Ventiladores.

En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores: Axiales para torres de

tiro forzado e inducido y centrfugos para torres de tiro forzado. Los ventiladores axiales

son apropiados para mover grandes volmenes de aire y tienen mayores aplicaciones en

equipos industriales grandes. Los ventiladores centrfugos son adecuados para impulsar

caudales relativamente pequeos con mayores cadas de presin.

6. Bombas.

Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre. Consumen una fraccin

importante de la potencia requerida en todo el sistema. Cuando se trata de instalaciones

grandes debe haber una bomba en reposo que pueda entrar en operacin para efectos de

mantenimiento o reparacin de las otras.

7. Control.

En la mayora de los sistemas de torres de enfriamiento basta con un control de nivel en la

piscina de agua que controla la entrada de la reposicin.

Funcionamiento de una Torre de Enfriamiento.

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes

volmenes porque, son el medio ms econmico para hacerlo, si se compara con otros

equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a

travs de una pared.

En el interior de las torres se monta un empaque o relleno con el propsito de aumentar

la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfra. En las torres se

colocan deflectores o eliminadores de gotas o niebla que atrapan las gotas de agua que

fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la

posible prdida de agua.

El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para

distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al


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caer a travs de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a

contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo hmedo inferior a la

temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el agua se enfra por transferencia de

masa (evaporacin ) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al aire, lo

anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura

del agua descienda; la temperatura lmite de enfriamiento del agua es la temperatura de

bulbo hmedo del aire a la entrada de la torre.

Influencias externas sobre el funcionamiento de las torres de refrigeracin.

Dependiendo del grado de recirculacin la temperatura del agua fra puede incrementarse

hasta en 5 grados o ms. A lo mejor esto tambin ocasiona que el sistema opere por

encima de los parmetros de diseo. Todas las torres ofrecen un potencial riesgo de

recirculacin, la extensin de esta depende de las velocidades de entrada y salida del aire.

Altas velocidades de entrada incrementan el potencial para la recirculacin, mientras que

elevadas velocidades de salida disminuyen el riesgo de recirculacin.

Restriccin del flujo de Aire:

A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de

bulbo hmedo particular la temperatura del agua fra producida por una torre de

enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una

disminucin en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementar.

Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se preocupan en disear

correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que estos son los que mueven el

aire contra la presin esttica encontrada dentro de la torre.

La presin esttica es una medida de la resistencia del sistema para un determinado flujo

de aire, esto resulta de las restricciones en el sistema (lo cual incrementa la velocidad del

aire) y de los cambios en la direccin del flujo de aire.

Viento:

Dependiendo de su velocidad y direccin, tiende a incrementar el potencial de la torre de

enfriamiento a la recirculacin. No solamente la curvatura creada por el aire de salida en

la direccin del flujo del viento, tambin se crea una zona de baja presin en la cual puede


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formarse una porcin de niebla, si la admisin de aire a la torre esta en esa direccin,

entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla.

El grado al cual puede afectar la direccin del viento aumenta dependiendo de la relacin

de la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la velocidad del viento (Va).

Interferencia:

Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden Interferir con

el desempeo trmico de la misma. Estas interferencias pueden ser causadas por otras

instalaciones de la planta u otros equipos. Muchas veces consisten de contribucin

trmica del efluente de otra torre de enfriamiento cercana.

Otras:

- Las temperaturas de bulbo hmedo de diseo recomendadas han sido publicadas

para diferentes reas geogrficas en varias publicaciones, una de ellas es

Engineering Weather Data Muchas veces es recomendable tomar estos datos y

compararlos con los obtenidos por mediciones locales en el rea de inters. La

diferencia entre estas lecturas justificar una correccin para la temperatura de bulbo

hmedo de diseo.

Cuando no se puedan efectuar tales mediciones es recomendable incrementar la

temperatura de bulbo hmedo en 1 F.

- A menos que la ubicacin de la torre est limitada, esta debe ubicarse de manera tal

que la descarga de la torre no est ubicada del mismo lado que la admisin de aire a

la misma. Esto garantiza que no ocurra recirculacin debida a las corrientes de viento.

- Cuando sea inevitable la recirculacin la temperatura de bulbo hmedo de diseo

determinada en la recomendacin inicial debe incrementarse an ms 1 F para una

torre de tiro inducido y 2 F para una torre de tiro forzado.

Mantenimiento de las torres de enfriamiento.

Durante la puesta en marcha de una torre de enfriamiento deben tenerse en cuenta los

siguientes aspectos:

Efectuar una inspeccin visual sobre ventiladores, motores y reductores de

velocidad, debe hacer correcta lubricacin y la correa del ventilador debe estar

tensada.


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Debe controlarse el sentido de

giro y las vibraciones del

ventilador, ajustar el ngulo de

los labes si es necesario.

Inspeccionar los rellenos,

comprobar el buen estado, la

correcta colocacin y la posible

formacin de algas que obstruya

el paso del aire.

La vlvula que controla la

reposicin debe estar en buen

estado y en la medida de lo

posible sin corrosin que impida

su funcionamiento.

Durante la operacin pueden aparecer algunos problemas comunes que se describen a

continuacin:

Una distribucin irregular del agua: Puede deberse a obstrucciones en los

pulverizadores, rellenos deteriorados o caudal de agua excesivo.

Temperatura elevada a la salida de la torre: Puede deberse a un excesivo flujo de

agua, rellenos mal colocados o en mal estado o aire insuficiente. Se recomienda

comparar las condiciones de operacin con las condiciones de diseo y comprobar

el estado de los rellenos.

Agua de reposicin excesiva: Puede deberse eliminadores de gotas mas ubicados o

rotos, excesivo flujo de agua o demasiada inclinacin de las palas del ventilador.

En cuanto al mantenimiento peridico que debe efectuarse sobre una torre cabe anotar lo

siguiente:

Cada 6 meses se recomienda una inspeccin de los rellenos, evaluar su posicin y

realizar limpieza manual para retirar algas, hongos y dems incrustaciones.


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Puede realizarse una limpieza anual de las balsas.

Evaluar el rendimiento de las bombas y de los ventiladores peridicamente, se

recomienda contar con las curvas caractersticas de dichos elementos y realizar

mediciones elctricas que permitan conocer la eficiencia de la operacin.

Deben realizarse evaluaciones de la calidad del agua de recirculacin para evitar

niveles de acidez y alcalinidad inadecuados que generen problemas de

incrustaciones en los rellenos, corrosin en las tuberas y erosin sobre los

materiales. En la figura a se presenta una tabla con los niveles de slidos

recomendados en el agua de recirculacin.

Control de capas

Son un recubrimiento denso de material predominante inorgnico, formado por la

precipitacin qumica inducida de constituyentes soluble en el agua, que se vuelven

insolubles por aumento de la temperatura, lo cual causa un exceso en el producto de

solubilidad de algn constituyente del sistema. Las incrustaciones interfieren con la

transferencia de calor y disminuyen el flujo de agua de enfriamiento.

Las incrustaciones ms comunes estn formadas por:

Carbonato de calcio

Fosfato de calcio

Sales de magnesio

Slice

Los factores que determinan si un agua es formadora de incrustaciones son:

Temperatura

Basicidad o acidez (pH)

Cantidad presente de materiales formadores de incrustaciones.

Influencia de otros materiales disueltos, los cules pueden o no ser

formadores de incrustaciones.

Cuando alguno de esos factores cambia, la tendencia incrustante tambin cambia. La

mayora de sales llegan a ser ms solubles cuando se incrementa la temperatura. Sin

embargo, algunas sales como el carbonato de calcio se hacen menos solubles cuando se


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incrementa la temperatura. Por eso, el carbonato de calcio causa depsitos a altas

temperaturas.

Un cambio en el pH afecta grandemente la formacin de incrustaciones. Por ejemplo,

cuando el pH se incrementa el carbonato de calcio (el ms comn de los constituyentes de

incrustaciones en los sistemas de enfriamiento) decrece en solubilidad y se deposita.

Algunos materiales tales como la slice (Si02) son menos solubles a pHs bajos.

Control de la formacin de incrustaciones

Las formas bsicas de controlar las incrustaciones, son:

Limitar la concentracin de minerales formadores de incrustaciones, por control

de los ciclos de concentracin o por remocin de los minerales antes que estos

entren al sistema. Los ciclos de concentracin es la relacin entre el contenido de

un in en el agua de purga y su contenido en el agua de reposicin.

Interferir a los iones potencialmente incrustadores. Se adiciona un cido para

mantener disueltos los minerales formadores de incrustaciones, tales como el

carbonato de calcio y prevenir el crecimiento de cristales. La adicin de cido

sulfrico transforma los bicarbonatos en sulfatos, previniendo la precipitacin

como carbonato de calcio.

Hacer cambios mecnicos en el sistema para reducir la probabilidad de formacin

de incrustaciones. El incremento del flujo de agua en intercambiadores con

grandes reas superficiales es un ejemplo de esto.

Tratamiento con productos qumicos diseados para prevenir las incrustaciones.

Tratamientos con inhibidores qumicos de incrustaciones

Los tratamientos con inhibidores qumicos de incrustaciones ms usados, son:

Los acondicionadores de incrustaciones: modifican la estructura del cristal de las

incrustaciones, creando un lodo pesado y transportable en vez de un cristal duro,

que puede continuar creciendo. Entre los acondicionadores de incrustaciones

tenemos: Ligninas, taninos, compuestos polimricos.

Los inhibidores qumicos de tratamiento umbral: previenen la formacin de

incrustaciones, manteniendo en solucin los minerales formadores de

incrustaciones y no permitiendo que se formen depsitos. Entre los inhibidores


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qumicos de tratamiento umbral tenemos: Fosfatos orgnicos, polifosfatos,

compuestos polimricos.

Al igual que en la corrosin, el control del programa qumico y del sistema de agua de

enfriamiento permite asegurar que la formacin de incrustaciones no llegue a ser un

problemas

Control de Microorganismos.

En las torres se dan las condiciones ideales para que en el agua se genere el crecimiento

microbiolgico porque se mantienen temperaturas adecuadas, con PH balanceados, la

pileta es un lugar con agua casi estancada y al sol por lo cual se pueden desarrollar algas,

hongos bacterias y moho.

Un pobre control microbiolgico trae problemas de corrosin, incrustacin y daos a la

salud de las personas cercanas al sistema. La formacin de algas genera una capa que

consume oxgeno, cuando crece se vuelve gruesa y las capas inferiores no reciben

oxgeno, estas se adaptan pasando a ser bateras anaerbicas que consumen el carbono

presente en las superficies de acero y produciendo desechos cidos; cuando se remueve

esta suciedad se puede apreciar un desgaste o corrosin. Las algas tambin pueden

formar obstrucciones en el sistema restringiendo el flujo de agua y afectando las

temperaturas y el rendimiento. El tratamiento qumico debe de incluir alguisidas que se

alternan con el tiempo para evitar la tolerancia de los organismos.

Las bacterias que se han encontrado son las pseudomonas y la legionella que son virus

que generan neumona y otras enfermedades respiratorias y puede afectar a las personas

si se inhalan.

Control:

Existe una amplia variedad de productos qumicos usados para controlar el crecimiento de

bacterias en el agua, se pueden clasificar en bactericidas y bacteriostatos, esto

dependiendo de si matan o retardan el crecimiento de las bacterias. Pueden ser

inorgnicos, como el cloro, cromatos o compuestos de mercurio y plata; o inorgnicos

como las aminas, clorofenoles, derivados cuaternarios del amoniaco, etc.

Algunos bactericidas tienen una funcin dual en el sistema, las aminas cuaternarias

funcionan tanto como biocidas y como inhibidores flmicos de corrosin. La adicin


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insuficiente de estos qumicos puede dejar expuesto a la corrosin a todos los elementos

metlicos de la torre de enfriamiento.

Los bactericidas no pueden matar las bacterias al menos de que entren en contacto

directo con ellas, esto significa, que las bacterias que crezcan debajo de depsitos, no

sern destruidas al menos que sean removidas, por lo tanto la operacin de limpieza es

fundamental antes de iniciar la aplicacin de biocidas. Esto incluye limpieza de lneas,

retolavado de pozos y equipos, remocin de fondo te tanques, etc.

El proceso ms sencillo y recomendado consiste en utilizar biocidas con propiedades

detergentes, la aplicacin debe comenzarse en dosis bajas e incrementar a medida que el

sistema se limpia hasta llegar a la dosis de mantenimiento. Esto se hace para evitar el

taponamiento de los sistemas de flujo (tuberas) a causa del desprendimiento de grandes

capas de material orgnico.


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Conclusin

Las torres de enfriamiento son equipos de transferencia de calor y masa entre el aire

atmosfrico y el agua caliente procedente de los procesos industriales (Ver figura). En

stos, el contacto entre el aire y el agua es directo, para lo cual se utilizan rellenos que

mejoran el tiempo de residencia del fluido dentro de la torre y se logra una mayor rea de

contacto entre ambos fluidos.

El agua entra por la parte superior y se distribuye uniformemente en el interior de la torre

mediante el uso de pulverizadores. El contacto directo del aire atmosfrico con el agua

provoca la evaporacin de una fraccin de agua, la cual requiere calor de cambio de fase

que es tomado del agua circundante, logrando su enfriamiento.

El uso de estos sistemas de enfriamiento se justifica cuando es necesario disipar grandes

cantidades de calor a bajo costo y cuando las temperaturas que se requieren de

enfriamiento no son muy lejanas de la temperatura ambiental.

La frecuencia del mantenimiento y la limpieza para asegurar la mxima efectividad

trmica y seguridad del sistema depender de su ubicacin, de la contaminacin

atmosfrica y del tipo de proceso de enfriamiento.

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