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, es necesario que todo el sistema de refrigeración funcione durante el invierno. Se requiere que la torre de enfriamiento proporcione la misma agua a 85° F (30° C) o más fría al sistema que en el verano, pero lo hace a temperaturas ambiente más bajas. Sin embargo, existen algunas aplicaciones diseñadas para utilizar la torre de enfriamiento para “enfriamiento gratis”. El enfriamiento gratuito se produce cuando el agua enfriada se enfría mediante 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 helada" al sistema, hay períodos de tiempo en los que debe funcionar en condiciones bajo cero. Durante estos períodos, cuando la torre está sujeta a condiciones ambientales muy frías, existe un mayor potencial de producir hielo en la torre de enfriamiento o en cualquier otro lugar del sistema. Si se elige un diseño de torre de enfriamiento inadecuado, o si la unidad no se opera o no se prepara para el invierno adecuadamente, 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 durante condiciones ambientales bajas.
Cuando se especifica un requisito de enfriamiento gratuito para un proyecto que utiliza torres de enfriamiento, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones desde el principio del diseño del proyecto.
Primero, se debe tener especial cuidado al diseñar las torres de enfriamiento para evitar la recirculación debido a la mala ubicación de las torres y los vientos predominantes. Si hay un fuerte viento predominante, se debe considerar agregar “paredes de viento” a una torre de tiro inducido.
Segundo, la torre de enfriamiento debe estar equipada con opciones básicas como calentadores de cuenca, control eléctrico del nivel de agua e interruptores de vibración para evitar problemas operativos debido al congelamiento de la cuenca si no es posible un sumidero remoto.
Por último, el control de la capacidad también debe considerarse cuidadosamente, especialmente si la carga de refrigeración en invierno es significativamente menor que la carga en verano. Se debe utilizar el cierre de celdas individuales de una torre de enfriamiento de múltiples celdas o el empleo de un cabezal de bajo flujo 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 elementos externos, como el viento, que pueden causar la congelación del paquete de relleno en condiciones ambientales bajas. Además, el paquete de llenado está sostenido desde abajo para evitar que se hunda en caso de que se produzca congelación debido a un desequilibrio del sistema. Los ventiladores, los motores de los ventiladores y los sistemas de accionamiento de las torres de enfriamiento de contraflujo Evapco también están diseñados para funcionar de manera segura en reversa hasta un 50% de la velocidad normal del ventilador. Sin embargo, hay varios elementos a considerar al operar una torre de enfriamiento de contraflujo en modo de enfriamiento gratuito.
Este boletín de ingeniería examinará la Consideraciones de diseño de torres de enfriamiento tanto para unidades de tiro forzado como 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 enfriamiento durante las condiciones típicas de verano. El enfriador está operativo y enfría el sistema con agua enfriada. En un sistema tradicional, el agua enfriada 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 enviarlo de regreso al espacio acondicionado a 45 °F. Para estas condiciones, el enfriador y la torre de enfriamiento están funcionando mientras el intercambiador de calor que se muestra está aislado del sistema y no está incluido. en el funcionamiento del sistema.
Al mismo tiempo, la torre de enfriamiento absorbe la carga del edificio más el calor de compresión. Luego, la torre de enfriamiento 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 el proceso. proceso de transferencia de calor.
Operación de enfriamiento gratuito
Durante el enfriamiento gratuito, la enfriadora no funciona. La torre de enfriamiento absorbe la carga de calor del edificio y la rechaza a la atmósfera. Durante la operación de enfriamiento gratuito, la torre de enfriamiento no necesita eliminar el calor de compresión ya que el enfriador no está funcionando. El enfriador está aislado y el agua de la torre de enfriamiento y del espacio acondicionado se deriva al intercambiador de calor. Las condiciones ambientales bajas permiten que la torre de enfriamiento proporcione temperaturas de “agua enfriada” tan bajas como 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 acercamiento de 2° F en el intercambiador de calor donde 47° F de agua en el lado secundario proporciona enfriamiento al edificio. Dado que las cargas de refrigeración y el requisito de eliminar la humedad del edificio se reducen en 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 invernal 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. Durante la fase de diseño de un proyecto se deben considerar los siguientes elementos:
- Selección de torre de enfriamiento
- Diseño de la unidad
- Tuberías de torres de enfriamiento
- Accesorios para torres de enfriamiento
- Transición del enfriamiento gratuito al enfriamiento mecánico
Selección de torre de enfriamiento
El primer elemento a considerar al diseñar un sistema de torre de enfriamiento es la condición principal de diseño: condiciones de verano o condiciones de invierno (enfriamiento gratuito). Esta condición de diseño impulsará la selección de la unidad. Si las condiciones invernales son las que determinan la selección de la unidad, se necesitará una unidad más grande que la que normalmente se seleccionaría para el funcionamiento únicamente en verano. Esto ocurre porque es más difícil para la torre de enfriamiento rechazar el calor en condiciones operativas ambientales bajas.
Además, aunque una unidad de una sola celda puede cumplir con las condiciones de diseño de verano e invierno, una unidad de celdas múltiples puede ser una mejor selección para la operación en invierno. Dado que el caudal de agua para el funcionamiento en invierno puede ser menor que el caudal de verano, se puede concentrar en menos celdas, lo que permite que el caudal por celda permanezca alto, 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.
Diseño de la unidad
Se debe prestar especial atención a la ubicación y el diseño adecuados de las torres 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 enfriamiento utilizadas para enfriamiento gratuito que La disposición del equipo minimiza el potencial de recirculación..
Durante el funcionamiento en verano, la recirculación puede reducir drásticamente la capacidad de la torre de enfriamiento; sin embargo, durante el funcionamiento en invierno puede provocar la congelación del condensado en las rejillas de entrada, los ventiladores, los ejes y las rejillas del ventilador. La acumulación de hielo en estas áreas puede afectar negativamente el flujo de aire a la unidad o, en casos más graves, provocar fallas en estos componentes. Las empresas de fabricación y consultoría recomiendan encarecidamente el uso de un interruptor de vibración en las unidades que se utilizarán para funcionamiento en invierno.
Consulte la Figura 3 para ver las instalaciones correctas e incorrectas de unidades de tiro forzado e inducido. El rendimiento de la torre de enfriamiento puede verse afectado por los vientos predominantes. Los vientos fuertes pueden crear condiciones de formación de hielo en las rejillas de entrada y en las rejillas del ventilador, lo que afecta negativamente el flujo de aire hacia la torre.
Además, los vientos predominantes en diseños de unidades deficientes pueden provocar un flujo de aire descendente del aire de descarga cargado de humedad, que puede condensarse en las superficies de la unidad 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.
Tuberías de torres de enfriamiento
Al diseñar un sistema de torre de enfriamiento para aplicaciones de enfriamiento gratuito, se deben considerar varios detalles de las tuberías para garantizar el funcionamiento adecuado de la unidad en invierno. Es necesario incorporar una derivación de la torre de enfriamiento en el diseño del sistema para permitir que el agua “evite” el sistema de distribución de agua de la torre como medio de control de capacidad durante condiciones de carga baja. Hay varias formas de diseñar las tuberías del sistema para acomodar el bypass de la torre de enfriamiento.
Se recomienda instalar el bypass de la torre de enfriamiento en el sistema de tuberías de agua del condensador. Un bypass instalado 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.
Desviar el agua de la torre de enfriamiento directamente al depósito de agua fría es otro método de derivación de la torre de enfriamiento. En cualquiera de los métodos de derivación (en las tuberías 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 cabeza en la válvula.
Independientemente del tipo de disposición de derivación que se utilice, se recomienda que sólo un DESVIACIÓN DE FLUJO COMPLETO utilizarse durante la operación de enfriamiento gratuito. Esto significa que el caudal total a la torre debe enviarse al sistema de distribución de agua o desviarse.
AUNQUE PUEDE SER ACEPTABLE UTILIZAR UNA DESVÍO PARCIAL DURANTE EL VERANO, ¡NUNCA USE UNA DESVÍO PARCIAL DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO DURANTE LA OPERACIÓN DE ENFRIAMIENTO LIBRE!
Un flujo reducido sobre la torre puede resultar en un flujo de agua desigual sobre los medios de transferencia de calor (relleno), lo que puede causar incrustaciones durante el funcionamiento en verano y formación de hielo durante el funcionamiento en invierno.
Protección contra congelación
Otra consideración importante durante el diseño del sistema de enfriamiento gratuito es garantizar que las tuberías y los accesorios necesarios tengan un trazado térmico y aislamiento. Toda el agua dentro de la torre de enfriamiento se 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 drenarán (líneas de agua de reposición, ecualizadores y tuberías ascendentes) deben tener un trazado térmico y aislamiento para garantizar que no se congelen. Los accesorios de tuberías del sistema (válvulas de control y agua de reposición, bombas de circulación de agua y paquetes de control de nivel de agua) también requieren aislamiento y trazado calefactor. Si alguno de estos elementos no tiene trazado térmico ni aislamiento, la consiguiente formación de hielo en estos componentes puede provocar una falla que provoque el apagado de las torres de enfriamiento.
