¿Qué son las torres de refrigeración de tiro natural?
Las torres de refrigeración de tiro natural (también conocidas como torres de refrigeración por convección natural) emplean el principio de flujo convectivo para lograr la circulación del aire. Estas torres suelen ser muy altas para asegurar un flujo de aire adecuado, además de ser costosas de construir, y se utilizan exclusivamente en aplicaciones que requieren una gran capacidad de refrigeración constante durante muchos años; una planta de energía térmica es un ejemplo de tales aplicaciones.
Torres de Refrigeración de Tiro Natural
¿Cómo funciona una Torre de Refrigeración de Tiro Natural?
El siguiente video es un extracto de nuestro Curso de Video en Línea de Introducción a las Torres de Refrigeración.
El agua de refrigeración fría se bombea desde el depósito de la torre de refrigeración hacia la planta de energía. El agua se calienta durante el proceso, aumentando su temperatura. El agua de refrigeración caliente se bombea de regreso a la torre de refrigeración para ser enfriada.
Sistema de Agua de Torre de Refrigeración de Tiro Natural
El agua caliente entrante se distribuye a través de boquillas de pulverización dentro de la torre. Estas boquillas rocían el agua caliente de manera uniforme sobre el relleno. El agua desciende a través del relleno mientras el aire asciende.
Componentes de la Torre de Refrigeración de Tiro Natural
A medida que el agua desciende a través del relleno, parte de ella se evapora, lo que enfría el agua restante (enfriamiento por evaporación).
Sección Transversal de la Torre de Refrigeración de Tiro Natural
A medida que el aire viaja a través del relleno, su temperatura aumenta y asciende hacia la parte superior de la torre de refrigeración debido al efecto chimenea (el aire caliente es menos denso que el aire frío y, por lo tanto, se eleva). El aire que sale de la parte superior de la torre atrae más aire en la base de la torre, creando un flujo de aire natural desde la base hasta la parte superior de la torre; este es el efecto chimenea y es continuo siempre que el agua de refrigeración se circule constantemente.
Flujo de Aire y Agua
Flujo Contracorriente y Cruzado
Las torres de refrigeración de tiro natural pueden ser de diseño contracorriente o de flujo cruzado. Las torres de flujo cruzado tienen una base mucho más ancha que las de contracorriente.
Torre de Refrigeración de Tiro Natural de Contracorriente
Torre de Refrigeración de Tiro Natural de Flujo Cruzado
Ventajas y Desventajas
Ventajas
- Bajos costos de mantenimiento.
- Bajos costos operativos.
- Bajas pérdidas del sistema (típicamente menos del 1% del flujo total).
- Bajo nivel de ruido ya que no se utilizan ventiladores.
- Gran capacidad de enfriamiento.
Desventajas
- Gran inversión de capital inicial.
- A veces es difícil obtener permiso de planificación debido a la gran estructura y el efecto estético sobre el área local.
Invernada
Las torres de refrigeración de tiro natural pueden operar en entornos bajo cero, lo que puede llevar a que el agua del depósito se congele. Se emplean varios métodos para evitar que esto ocurra.
- Drenar la torre de agua de refrigeración. Una forma simple y efectiva de eliminar la posibilidad de daño debido a la congelación del agua, pero deja la planta de energía inoperable.
- Circulación del agua de refrigeración para mantener una temperatura por encima de cero en el depósito de la torre de refrigeración. Este método es utilizado por la mayoría de las plantas ya que es económico y relativamente fácil de implementar.
- Dosificar el agua de la torre de refrigeración con anticongelante. Esto evitaría que el agua se congele, pero no es una solución financieramente viable debido al gran volumen de agua en el sistema.
- Calentar el depósito de la torre de refrigeración. Esta opción no suele ser económicamente viable.
¿Por qué las torres de refrigeración de tiro natural tienen una forma tan extraña?
Las torres de refrigeración de tiro natural tienen una forma muy particular por varias razones. La primera es que la forma reduce la cantidad de material de construcción requerido al construir una torre tan grande. La segunda es que la forma hiperboloide de la torre acelera el flujo de aire a través de la torre, lo que aumenta su capacidad de enfriamiento. Las torres de refrigeración de tiro natural a veces se denominan torres hiperbólicas, aunque el término correcto es hiperboloide.
¿Qué es el efecto chimenea?
Cuando el aire se calienta, se vuelve menos denso. Debido a que el aire caliente es menos denso que el aire frío, se elevará por encima del aire frío debido a la diferencia de densidad. Este proceso de separación del aire caliente y frío basado en densidades se conoce como efecto chimenea o efecto de tiro.
Por ejemplo, un globo aerostático vuela en el aire debido al aire caliente que contiene dentro del globo. El aire caliente es menos denso que el aire ambiente circundante, por lo que el aire caliente se eleva, llevando el globo hacia arriba con él.
Globo Aerostático
Componentes del Modelo 3D
Este modelo 3D muestra todos los componentes principales asociados con una torre de refrigeración hiperboloide de tiro inducido típica, estos incluyen:
- Relleno (Intercambiador de Calor)
- Boquillas de Pulverización
- Tuberías
- Depósito
- Eliminador de Deriva
- Ventilador
- Estructura de la Torre (Torre Hiperboloide)
Este es un modelo 3D de una Torre de Refrigeración de Tiro Natural.
Anotaciones del Modelo 3D
Componentes de la Torre de Refrigeración de Tiro Natural
Las torres de refrigeración de tiro natural (torres de refrigeración por convección natural) utilizan el principio de flujo convectivo para proporcionar circulación de aire. Son altas para inducir un flujo de aire adecuado. También son costosas de construir y solo se utilizan para aplicaciones donde se requiere una gran necesidad de refrigeración constante durante muchos años; una planta de energía térmica es una de esas aplicaciones.
Depósito de Recolección
El depósito de recolección es un receptáculo debajo de la torre de refrigeración para recolectar el agua enfriada por la torre de refrigeración; generalmente está construido de concreto. El agua de refrigeración 'fría' se bombea desde el depósito de la torre de refrigeración al proceso, por ejemplo, planta de energía.
Sistema de Distribución
La parte de una torre de refrigeración que distribuye agua sobre el área de relleno generalmente consiste en entradas con bridas, válvulas de control de flujo, ramas de pulverización, orificios de medición, boquillas de pulverización y otros componentes relacionados. El propósito del sistema de distribución es asegurar que el agua se distribuya uniformemente a todas las boquillas de pulverización.
Sump
El sump (bahía de succión de la bomba) es una porción deprimida del depósito de recolección desde la cual se extrae el agua 'fría' hacia la bomba centrífuga(s), luego se descarga al proceso, por ejemplo, planta de energía. El sump generalmente contiene filtros, dispositivos antivórtice y una conexión de drenaje o limpieza.
Relleno
El relleno es esencialmente un intercambiador de calor que maximiza el área de contacto entre el agua de refrigeración y el aire. El aire pasa hacia arriba a través del relleno mientras el agua cae hacia abajo debido a la gravedad. A medida que el aire pasa sobre el agua, parte del agua se evapora y el agua restante se enfría (enfriamiento por evaporación). Las torres de refrigeración utilizan dos diseños principales de relleno, los diseños de 'película' y 'salpicadura'. El relleno de película es más eficiente, pero más costoso y más propenso a ensuciarse.
Eliminadores de Deriva
La 'deriva' es el nombre dado a las moléculas de agua que se pierden del sistema de agua de refrigeración debido a la evaporación. A menudo se puede ver una gran pluma de humedad blanca elevándose desde las torres de refrigeración de tiro natural, esto es 'deriva', y representa una pérdida financiera (el agua perdida debe ser reemplazada). Los eliminadores de deriva reducen las pérdidas de agua y, en consecuencia, reducen los costos operativos.
Los eliminadores de deriva consisten en láminas paralelas dispuestas en el lado de descarga de aire de la torre para eliminar las gotas de agua arrastradas del flujo de aire saliente. La forma del eliminador de deriva requiere que las gotas de agua arrastradas cambien de dirección varias veces (camino de flujo tortuoso) antes de ser descargadas de la torre. El aire tiene poco problema para cambiar de dirección y pasar a través del eliminador de deriva, pero las gotas de agua chocan contra el eliminador de deriva, se condensan y luego gotean de nuevo sobre el relleno y regresan al depósito de la torre de refrigeración.
Torre Hiperboloide
Hay dos razones principales por las que las torres de refrigeración de tiro natural tienen una forma tan única. La primera razón es que la forma reduce la cantidad de material de construcción requerido al construir una torre tan grande. La segunda razón es que la forma hiperboloide de la torre acelera el flujo de aire a través de la torre, lo que aumenta la capacidad de enfriamiento de la torre. El aire 'frío' entra en la base de la torre, es atraído hacia arriba a través del relleno, se calienta y luego sale por la parte superior de la torre. Es la diferencia de temperatura del aire -y, en consecuencia, la densidad del aire- lo que provoca el flujo de aire convectivo a través de la torre (el aire más caliente es menos denso y se eleva a través de la torre, lo que lleva al aire más frío del ambiente a ser atraído a través de la base de la torre). El proceso de aire caliente (menos denso) elevándose por encima del aire más frío (más denso) se refiere como el 'efecto chimenea' o 'efecto de tiro'.
Boquillas de Pulverización
El propósito de las boquillas de pulverización es esparcir agua uniformemente a través del relleno y así maximizar el área de contacto entre el agua y el aire. Se desea un área de contacto grande porque proporciona una capacidad de transferencia de calor mucho mayor. Todos los intercambiadores de calor dependen de un área de contacto grande entre los medios que fluyen, ya que esto asegura un alto contacto térmico entre ellos.
Salida de Agua de Refrigeración
El agua de refrigeración se extrae del depósito y se envía a los condensadores del turbina de vapor a través de esta conexión.
Entrada de Agua de Refrigeración
El agua de refrigeración devuelta de los condensadores entra a través de esta conexión.
Aire Calentado
A medida que el aire pasa a través del relleno, su temperatura aumenta y se eleva a través de la torre.
Entrada de Aire
El aire ambiente es atraído hacia la torre a través de la base de la torre.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-draft-cooling-tower