Las torres de enfriamiento se utilizan para disipar el calor del aire acondicionado o de los sistemas de procesos industriales. Muchos de los sistemas de aire acondicionado actualmente en uso solo funcionan durante la temporada de enfriamiento de verano, pero existen numerosos sistemas de proceso y aire acondicionado que requieren enfriamiento durante todo el año. En algunos casos, se requiere que todo el sistema de enfriamiento funcione durante el invierno. Se requiere que la torre de enfriamiento proporcione al sistema el mismo agua a 85 °F (30 °C) o más fría que en el verano, pero lo hace a temperaturas ambiente más bajas. Sin embargo, hay algunas aplicaciones diseñadas para usar la torre de enfriamiento para “enfriamiento gratis”. El enfriamiento gratuito es cuando el agua enfriada se enfría con el agua de la torre de enfriamiento mediante el uso de intercambiadores de calor sin el uso de compresores de refrigerante. El enfriamiento gratuito se puede lograr cuando las condiciones ambientales permiten que la torre de enfriamiento produzca “agua helada” para el sistema.
Cuando la torre de enfriamiento proporciona "agua fría" al sistema, hay períodos de tiempo en los que debe operar en condiciones de congelamiento. Durante estos períodos, cuando la torre está sujeta a condiciones ambientales muy frías, existe un mayor potencial para producir hielo en la torre de enfriamiento o en cualquier otra parte del sistema. Si se elige un diseño de torre de enfriamiento inapropiado, o si la unidad no se opera o no se acondiciona adecuadamente para el invierno, se pueden formar cantidades excesivas de hielo en la unidad, lo que resulta en una disminución de la capacidad, dificultades operativas y posibles daños a la torre.
El rendimiento de la torre de enfriamiento en aplicaciones de enfriamiento gratuito depende tanto del sistema como del diseño de la torre de enfriamiento. Las secuencias de control aplicadas al sistema de enfriamiento deben considerar gestión tanto del lado del aire como del agua de la torre de enfriamiento. Es esencial que se apliquen las secuencias de control adecuadas durante el enfriamiento gratuito para garantizar el funcionamiento adecuado de la torre de enfriamiento en condiciones ambientales bajas.
Cuando se especifica un requisito de enfriamiento gratuito para un proyecto que utiliza torres de enfriamiento, se deben tomar ciertas consideraciones desde el comienzo del diseño del proyecto.
Primero, se debe tener especial cuidado al colocar las torres de enfriamiento para evitar la recirculación debido a la mala ubicación de la torre y los vientos dominantes. Si hay un fuerte viento predominante, se debe considerar agregar “muros de viento” a una torre de tiro inducido.
Segundo, la torre de enfriamiento debe estar equipada con opciones básicas como calentadores de depósito, control eléctrico del nivel de agua e interruptores de vibración para evitar problemas operativos debido a la congelación del depósito si no es posible un sumidero remoto.
Por último, el control de capacidad también se debe considerar cuidadosamente, especialmente si la carga de enfriamiento de invierno es significativamente menor que la carga de verano. Se debe utilizar el cierre de celdas individuales de una torre de enfriamiento de celdas múltiples o el empleo de un cabezal de flujo bajo en una sola celda. Se debe mantener una temperatura mínima del agua de salida de 45 °F en todo momento.
En una torre de enfriamiento de contraflujo, el relleno está completamente cerrado y protegido de los elementos externos, como el viento, que pueden congelar el paquete de relleno en condiciones ambientales bajas. Además, el paquete de llenado se sostiene desde abajo para evitar que se hunda en caso de que se congele debido a un desequilibrio del sistema. Los ventiladores, los motores de los ventiladores y los sistemas de transmisión de las torres de enfriamiento de contraflujo de Evapco también están diseñados para funcionar de manera segura en reversa a hasta un 50 % de la velocidad normal del ventilador. Sin embargo, hay varios elementos a considerar cuando se opera una torre de enfriamiento de contraflujo en un modo de enfriamiento gratuito.
Este boletín de ingeniería examinará la consideraciones de diseño de torres de enfriamiento para unidades de tiro forzado e inducido, y procedimientos de mantenimiento adecuados para garantizar el funcionamiento exitoso de la torre de enfriamiento durante el enfriamiento gratuito.
Operación normal
Un examen del enfriamiento gratuito debe comenzar con una revisión del funcionamiento normal de la torre de enfriamiento durante la temporada de enfriamiento de verano. El esquema que se muestra en la Figura 1 detalla el funcionamiento del sistema de refrigeración durante las condiciones típicas de verano. El enfriador está operativo y enfriando el agua enfriada del sistema. En un sistema tradicional, el agua fría regresa del espacio acondicionado a 55 °F donde ha absorbido el calor del espacio acondicionado. Luego se enfría en la carcasa del evaporador del enfriador antes de enviarse de regreso al espacio acondicionado a 45 °F. Para estas condiciones, el enfriador y la torre de enfriamiento funcionan mientras el intercambiador de calor que se muestra está aislado del sistema y no está incluido. en el funcionamiento del sistema.
Simultáneamente, la torre de enfriamiento absorbe la carga del edificio más el calor de compresión. La torre de enfriamiento luego transfiere esta carga de calor a la atmósfera. En un sistema de aire acondicionado típico, el agua sale de la carcasa del condensador del enfriador y entra a la torre de enfriamiento a 95 °F. Luego, el agua caliente se enfría a 85 °F y luego se envía de regreso a la carcasa del condensador del enfriador para continuar con el proceso. proceso de transferencia de calor.
Operación de enfriamiento gratuito
Durante el enfriamiento gratuito, el enfriador no está funcionando. La torre de refrigeración absorbe la carga térmica del edificio y la expulsa a la atmósfera. Durante la operación de enfriamiento gratuito, la torre de enfriamiento no necesita eliminar el calor de la compresión ya que el enfriador no está funcionando. El enfriador está aislado y el agua de la torre de enfriamiento y el espacio acondicionado se derivan al intercambiador de calor. Las condiciones ambientales bajas permiten que la torre de enfriamiento proporcione temperaturas de "agua helada" de hasta 45 °F al lado primario del intercambiador de calor, donde absorbe la carga de calor del edificio antes de regresar a la torre de enfriamiento. Se puede lograr un enfoque de 2° F en el intercambiador de calor donde el agua a 47° F en el lado secundario proporciona enfriamiento al edificio. Dado que las cargas de enfriamiento y el requisito de eliminar la humedad del edificio se reducen en el invierno, las temperaturas del agua enfriada de "enfriamiento gratuito" pueden ser más altas que las del funcionamiento en verano.
Las temperaturas que se muestran en el esquema son típicas pero dependen de las cargas del sistema, las condiciones de diseño de invierno y las temperaturas deseadas del edificio. El ingeniero de diseño es responsable de definir los parámetros del sistema que le permitirán seleccionar una torre de enfriamiento adecuada para la operación de enfriamiento gratuito.
Free Cooling: consideraciones de diseño del sistema
Al considerar una aplicación de enfriamiento gratuito, es importante planificar adecuadamente el diseño del sistema de torre de enfriamiento. Los siguientes elementos deben ser considerados durante la fase de diseño de un proyecto:
- Selección de torres de enfriamiento
- Disposición de la unidad
- Tubería de la torre de enfriamiento
- Accesorios para torres de enfriamiento
- Transición de enfriamiento gratuito a enfriamiento mecánico
Selección de torres de enfriamiento
El primer elemento a considerar al diseñar un sistema de torre de enfriamiento es la condición de diseño principal: condiciones de verano o condiciones de invierno (refrigeración gratuita). Esta condición de diseño impulsará la selección de unidades. Si la condición de invierno está impulsando la selección de la unidad, se requerirá una unidad más grande que la que normalmente se seleccionaría para la operación solo en verano. Esto ocurre porque es más difícil que la torre de enfriamiento rechace el calor en condiciones de funcionamiento a baja temperatura ambiente.
Además, aunque una unidad de una sola celda puede cumplir con las condiciones de diseño de verano e invierno, una unidad de varias celdas puede ser una mejor selección para el funcionamiento en invierno. Dado que la tasa de flujo de agua para el funcionamiento en invierno puede ser menor que la tasa de flujo de verano, se puede concentrar en menos celdas, lo que permite que la tasa de flujo por celda se mantenga alta, reduciendo así el potencial de formación de hielo dentro de la torre. Las unidades de celdas múltiples también brindan capacidad de respaldo si una celda en funcionamiento requiere descongelación o falla.
Disposición de la unidad
Se debe prestar especial atención a la ubicación y el diseño adecuados de la(s) torre(s) de enfriamiento en cada proyecto. Se debe proporcionar un flujo de aire adecuado y sin obstrucciones tanto para la entrada como para la descarga de la unidad. Es imperativo para torres de refrigeración utilizadas para free-cooling que el diseño del equipo minimiza el potencial de recirculación.
Durante el funcionamiento en verano, la recirculación puede reducir drásticamente la capacidad de la torre de refrigeración; sin embargo, durante el funcionamiento en invierno puede provocar la congelación del condensado en las rejillas de entrada, los ventiladores, los ejes de los ventiladores y las rejillas de los ventiladores. La acumulación de hielo en estas áreas puede afectar negativamente el flujo de aire a la unidad o, en casos más graves, provocar la falla de estos componentes. Las empresas de fabricación y consultoría recomiendan encarecidamente el uso de un interruptor de vibración en las unidades que se utilizarán para el funcionamiento en invierno.
Consulte la Figura 3 para conocer las instalaciones correctas e incorrectas de las unidades de tiro forzado e inducido. El rendimiento de la torre de enfriamiento puede verse afectado por los vientos dominantes. Los vientos fuertes pueden crear condiciones de formación de hielo en las persianas de entrada y las pantallas de los ventiladores, lo que afecta negativamente el flujo de aire hacia la torre.
Además, los vientos predominantes en diseños de unidades deficientes pueden causar un flujo de aire hacia abajo del aire de descarga cargado de humedad, que puede condensarse en las superficies de las unidades y congelarse rápidamente. Este fenómeno promueve la formación de hielo en las rejillas de entrada de las unidades de tiro inducido y en los ventiladores de las unidades de tiro forzado.
Tubería de la torre de enfriamiento
Al diseñar un sistema de torre de enfriamiento para aplicaciones de enfriamiento gratuito, se deben considerar varios detalles de tuberías para garantizar el funcionamiento adecuado de la unidad en invierno. Es necesario incorporar un desvío de la torre de enfriamiento en el diseño del sistema para permitir que el agua "desvíe" el sistema de distribución de agua de la torre como un medio de control de capacidad durante condiciones de baja carga. Hay varias formas de diseñar la tubería del sistema para acomodar la derivación de la torre de enfriamiento.
Se recomienda instalar la derivación de la torre de enfriamiento en el sistema de tuberías de agua del condensador. Una derivación instalada de esta manera requerirá una sección de tubería entre el suministro de agua del condensador y el retorno que conduce hacia y desde la torre de enfriamiento.
El desvío del agua de la torre de enfriamiento directamente al depósito de agua fría es otro método de desvío de la torre de enfriamiento. En cualquier método de derivación (en la tubería del sistema o en el sumidero de la torre), es una buena práctica instalar la válvula de derivación por debajo del nivel del depósito de agua fría para asegurar una buena presión de descarga en la válvula.
Independientemente del tipo de arreglo de derivación que se use, se recomienda que solo DERIVACIÓN DE FLUJO COMPLETO usarse durante la operación de enfriamiento gratuito. Esto significa que el caudal total de la torre debe enviarse al sistema de distribución de agua o desviarse.
AUNQUE PUEDE SER ACEPTABLE UTILIZAR UN BYPASS PARCIAL DURANTE EL VERANO, ¡NUNCA UTILICE UN BYPASS PARCIAL DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO DURANTE EL FUNCIONAMIENTO DE ENFRIAMIENTO GRATUITO!
El flujo reducido sobre la torre puede resultar en un flujo de agua irregular sobre el medio de transferencia de calor (relleno), lo que puede provocar incrustaciones durante el funcionamiento en verano y la formación de hielo durante el funcionamiento en invierno.
Protección contra congelamiento
Otra consideración importante durante el diseño del sistema de enfriamiento gratuito es garantizar que las tuberías y los accesorios necesarios tengan trazado de calor y estén aislados. Toda el agua dentro de la torre de enfriamiento drena (por gravedad) al depósito de agua fría; no se requieren provisiones adicionales dentro de la torre de enfriamiento. Sin embargo, todas las tuberías externas que no drenan (líneas de agua de reposición, ecualizadores y tuberías ascendentes) se deben rastrear contra el calor y aislar para garantizar que no se congelen. Los accesorios de tubería del sistema (agua de reposición y válvulas de control, bombas de circulación de agua y paquetes de control de nivel de agua) también requieren trazado de calor y aislamiento. Si alguno de estos elementos no está termotrazado y aislado, la consiguiente formación de hielo en estos componentes puede provocar una falla que provoque el apagado de la(s) torre(s) de enfriamiento.
