Comprender los conceptos básicos de la transferencia de calor de la torre de enfriamiento

Las preocupaciones ambientales con respecto a la protección de las criaturas acuáticas tanto en la entrada como en la salida de los sistemas de un solo paso han eliminado esencialmente el enfriamiento de un solo paso para las plantas modernas. Pero este desarrollo llega en un momento en que muchas de las nuevas centrales eléctricas de ciclo combinado, y otras instalaciones, están siendo atendidas por personas nuevas en la industria. La comprensión fundamental es fundamental.

El enfriamiento de un solo paso fue una característica de diseño común para las grandes plantas de energía en el siglo pasado, ya que el proceso podía suministrar de manera efectiva los altos volúmenes de agua necesarios para la condensación del vapor de escape de la turbina y el enfriamiento del intercambiador de calor auxiliar. Sin embargo, las preocupaciones ambientales con respecto a la protección de las criaturas acuáticas tanto en la entrada como en la salida de los sistemas de un solo paso han eliminado esencialmente el enfriamiento de un solo paso para las plantas modernas.

Ahora, las torres de enfriamiento, o alguna variación de las mismas, como los enfriadores de aire de superficie húmeda (WSAC®) o incluso los condensadores enfriados por aire, son la norma. Pero este desarrollo llega en un momento en que muchas de las nuevas centrales eléctricas de ciclo combinado, y otras instalaciones, están siendo atendidas por personas nuevas en la industria. La comprensión fundamental es fundamental para el funcionamiento adecuado del agua de refrigeración y otros sistemas.

Conceptos básicos de la torre de enfriamiento

A los efectos de esta discusión, nos centraremos en la torre de enfriamiento industrial más común, como se ilustra a continuación.

Figura 1. Esquema de una celda de una torre de enfriamiento de contraflujo de tiro inducido. Fuente: Post, R. y B. Buecker, "Fundamentos del agua de refrigeración de centrales eléctricas"; Seminario previo a la conferencia para el 37º Taller Anual de Química de Servicios Eléctricos, del 6 al 8 de junio de 2017, Champaign, Illinois. Para obtener información sobre futuros EUCW, visite el sitio web, www.conferences.illinois.edu/eucw

Como ilustra la figura, el efluente tibio de los intercambiadores de calor de la planta ingresa a la torre y se rocía sobre el relleno de la torre de enfriamiento. El aire ingresa a la parte inferior de la torre y entra en contacto con el agua a contracorriente para ayudar a maximizar la transferencia de calor. El agua enfriada se acumula en un sumidero para regresar a los intercambiadores de calor, mientras que el aire caliente sale a la atmósfera.

Un componente clave en las torres de enfriamiento es el material de relleno, que además ayuda a maximizar el contacto aire/agua. A continuación se muestran dos tipos, el relleno por salpicadura moderno y el relleno con película de mayor eficiencia.

Figura 2. Relleno de salpicaduras de plástico moderno. Foto cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Figura 3. Relleno de película de canal cruzado de alta eficiencia. Foto cortesía de Brentwood Industries y Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Hay varias opciones intermedias disponibles, donde la selección depende de la calidad del agua de enfriamiento proyectada y el potencial de ensuciamiento en los medios, que el autor abordará en un artículo futuro para Power Engineering.

La siguiente sección examina los fundamentos de la transferencia de calor en una torre de enfriamiento.

Algunos cálculos básicos de transferencia de calor

La Figura 4 ilustra las condiciones reales que se pueden ver en una torre de enfriamiento operando en un día templado de primavera.

Figura 4. Ejemplo de un conjunto de condiciones del mundo real para una torre de enfriamiento. Fuente: Potter, MC y CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers; McGraw-Hill, Nueva York, NY, 1993.

Observe que la humedad relativa (HR) del aire de entrada es del 50 %, mientras que la HR del escape de la torre es casi del 100 %. Estos datos ayudan a ilustrar que el método principal de transferencia de calor en una torre de enfriamiento es a través de la evaporación de lo que suele ser una pequeña fracción (2 a 3 por ciento) del agua recirculante. Si bien las matemáticas del diseño del flujo de la torre de enfriamiento pueden ser un tanto complejas, se han desarrollado varias ecuaciones simples para aproximar directamente los flujos de evaporación, purga y compensación a una torre de enfriamiento.

La fórmula estándar para la evaporación es,

E = (f * R * DDT)/1000, donde la Ec. 1

E = Evaporación en gpm

R = Tasa de recirculación en gpm

DT = Diferencia de temperatura (rango) entre el agua circulante tibia y enfriada (oF)

¦ = Un factor de corrección que ayuda a tener en cuenta la transferencia de calor sensible, donde ¦ suele oscilar entre 0,65 y 0,90, y que aumenta en verano y disminuye en invierno

El factor de 1000 es una buena aproximación del calor latente de vaporización (Btu/lb) del agua en condiciones ambientales. A partir de un trabajo previo realizado por el autor, ¦ para el ejemplo de la Figura 2 se calcula en 0,78. Entonces, la tasa de evaporación para este ejemplo, con un flujo de recirculación de 150 000 gpm y un rango de 27 °F, es de 3 159 gpm.

Un concepto muy importante para comprender la transferencia de calor de la torre de enfriamiento es el de la temperatura de "bulbo húmedo", que es la temperatura más baja que se puede lograr mediante el enfriamiento por evaporación. A menos que la humedad relativa sea del 100 por ciento, la temperatura de bulbo húmedo siempre estará por debajo de la temperatura ambiente o de "bulbo seco". Por lo tanto, las torres de enfriamiento prácticamente siempre pueden enfriar el agua en circulación a una temperatura más baja que los ACC. En el ejemplo de la Figura 2, la temperatura de bulbo húmedo en el aire de entrada de 68oF y 50 por ciento de HR está cerca de 57oF, por lo que el enfoque de bulbo húmedo para ese ejemplo es 77o — 57o = 20o F. Con torres de enfriamiento modernas y bien diseñadas , temperaturas de aproximación más bajas son muy posibles.

Ciclos de Concentración e Impactos en la Calidad del Agua

La evaporación hace que los sólidos disueltos y suspendidos en el agua de enfriamiento aumenten en concentración. Este factor de concentración se denomina (lógicamente) los ciclos de concentración (C o COC). El C, o quizás más exactamente, el C permisible, varía de una torre a otra dependiendo de varios factores que incluyen la química del agua de reposición (MU), la efectividad de los programas de tratamiento químico y las posibles restricciones en las cantidades de reposición o descarga. La ecuación algebraica para el cálculo de los ciclos de concentración es:

C = MU/BD Eq. 2

La comparación de las concentraciones de un ion común como el cloruro o el magnesio en el agua de reposición y recirculación determinará los ciclos de concentración, pero lo común en el campo para calcular C es la medición en línea de la purga (BD) y la reposición (MU) específicas. conductividades Las medidas permiten un ajuste de purga instantáneo para mantener el valor de C deseado. En todos los casos, los ciclos de concentración tienen un punto de corte, donde mayores aumentos pueden generar problemas de incrustaciones o corrosión en el sistema de enfriamiento, incluso con un buen tratamiento químico.

La relación entre la purga y la evaporación se describe mediante la siguiente ecuación:

BD = E/(C — 1) Ec. 3

Además de la purga, algo de agua también escapa del proceso en forma de finas gotas de humedad en el escape del ventilador de la torre de enfriamiento. Esta pérdida de agua se conoce como deriva (D). Los eliminadores de neblina modernos pueden reducir la deriva al 0,0005 % de la tasa de recirculación, y Brentwood Industries presentó un diseño que alcanza una tasa de deriva del 0,00025 %. Las fugas en el sistema de refrigeración se denominan pérdidas (L). La siguiente ecuación muestra la relación entre el maquillaje y la evaporación, purga, deriva y cualquier otra pérdida.

MU = E + BD + D + L Ec. 4

Con una torre bien diseñada y operada, los dos últimos términos son insignificantes, por lo que los requisitos de agua de la torre son básicamente funciones de evaporación y purga. Volviendo a la ecuación 3, la siguiente figura ilustra la relación entre la tasa de purga y los ciclos de concentración para la torre ilustrada en la Figura 2.

Figura 5. Purga vs ciclos de concentración.

Como es claramente evidente, la curva es asintótica, y la reducción en la purga en ciclos más altos cae drásticamente con el aumento de C. El autor ha visto más de un conjunto de especificaciones donde los ingenieros de diseño han seleccionado ciclos altos de concentración, aparentemente sin tener en cuenta a los mínimos beneficios en ahorro de agua que de ello se derivan. Lo que sí ocurre es un gran aumento de los desafíos relacionados con la química del tratamiento del agua debido a la alta concentración de impurezas que inducen incrustaciones y corrosión.

Sobre el autor: Brad Buecker es publicista técnico sénior de ChemTreat. Tiene 35 años de experiencia en la industria de la energía o está afiliado a ella, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de la calidad del aire y puestos de ingeniería de resultados en City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y Kansas City Power & La estación de La Cygne, Kansas de Light Company. También pasó dos años como supervisor interino de agua/aguas residuales en una planta química. Más recientemente, fue especialista técnico en Kiewit Engineering Group Inc. Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, balances de energía y materiales y química inorgánica avanzada. Es miembro de la Sociedad Estadounidense de Química, el Instituto Estadounidense de Ingenieros Químicos, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Asociación de Tecnología del Hierro y el Acero, el Instituto de Tecnología de Refrigeración (a través de membresía corporativa), la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión, la planificación del Taller de Química de Servicios Eléctricos el Comité de Química Ambiental y de Plantas de Energía patrocinado por EPRI, y el comité de planificación de Power-Gen International. Buecker es autor de muchos artículos y tres libros sobre plantas de energía y temas de química del agua/vapor. Puede comunicarse con él en [email protected].