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INEDON PROCESOS

903-HM120-P09-GUD-076 Rev.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO peFECHA

JUL. 09

OBJETO

Emisión Original

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ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

AA

ES/ABA/ MJP

ABA/GP MJP/GP

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Índice Página 1.  INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 6  2.  OBJETIVOS ........................................................................................................... 6  3.  EXCEPCIONES ...................................................................................................... 6  4.  USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 6  5.  PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................................... 7  6.  INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA................................................ 7  7.  ACRÓNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 8  8.  MEMORIA DE CÁLCULO ....................................................................................... 8  9.  DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 9  10.  FLUJOGRAMA BÁSICO DE ESPECIFICACIÓN.................................................. 19  11.  TORRES DE ENFRIAMIENTO ............................................................................. 22  11.1.  Tiro Mecánico ....................................................................................................... 26  11.1.1.  Tiro Inducido ......................................................................................................... 26  11.1.2.  Tiro Forzado ......................................................................................................... 27  11.2.  Tiro Natural ........................................................................................................... 28  11.2.1.  Con Rociadores .................................................................................................... 28  11.2.2.  Hiperbólicas .......................................................................................................... 28  11.3.  Tiro Hibrido ........................................................................................................... 30  11.4.  Sistemas de Flujo ................................................................................................. 30  11.4.1.  Flujo en Contracorriente ....................................................................................... 31  11.4.2.  Flujo Cruzado ....................................................................................................... 32  11.4.3.  Otros Tipos de Flujo ............................................................................................. 32  11.5.  Métodos de Transferencia de Calor...................................................................... 33  11.6.  Internos ................................................................................................................. 33  11.6.1.  Relleno ................................................................................................................. 33  11.6.2.  Sistema de Distribución ........................................................................................ 35  11.6.3.  Eliminadores de Arrastre ...................................................................................... 35  11.7.  Piscina (Pileta) de Agua Fría y Fosa de Succión de las Bombas ......................... 36  11.8.  Estructura ............................................................................................................. 39  11.9.  Disminución del Penacho ..................................................................................... 41  12.  FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO................................................... 41  12.1.  Temperatura de Bulbo Húmedo............................................................................ 42  12.2.  Temperatura de Bulbo Seco ................................................................................. 42  12.3.  Diferencia de la Temperatura de Aproximación .................................................... 42  12.4.  Rango de Enfriamiento ......................................................................................... 43  903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO 12.5.  12.6.  12.7.  12.8.  12.9.  12.10.  12.11.  13.  13.1.  13.2.  13.3.  13.4.  14.  14.1.  14.2.  14.3.  15.  15.1.  15.2.  16.  17.  17.1.  17.2.  18. 

Torre de Enfriamiento en el Sistema .................................................................... 43  Presión Atmosférica (Barométrica) y Altura sobre el Nivel del Mar ...................... 45  Carga de Calor ..................................................................................................... 46  Flujo de Agua de Enfriamiento ............................................................................. 46  Interferencia .......................................................................................................... 46  Recirculación del Aire ........................................................................................... 47  Ubicación de la Torre y Orientación...................................................................... 47  REQUERIMIENTOS DE AGUA ............................................................................ 48  Agua de Circulación.............................................................................................. 49  Agua de Reposición.............................................................................................. 50  Ejemplo de Cálculo ............................................................................................... 52  Reglas Heurísticas................................................................................................ 52  CALIDAD DEL AGUA ........................................................................................... 53  Agua Fresca ......................................................................................................... 54  Agua de Mar ......................................................................................................... 55  Mantenimiento de la Calidad del Agua ................................................................. 55  HOJA DE DATOS ................................................................................................. 60  Formato de la Hoja de Datos ................................................................................ 60  Elaboración de la Hoja de Datos .......................................................................... 73  PRUEBA DE DESEMPEÑO ................................................................................. 73  EVALUACIÓN DE EQUIPOS EXISTENTES ........................................................ 73  Programa para Evaluación Termodinámica .......................................................... 73  Información Requerida ......................................................................................... 74  REFERENCIAS .................................................................................................... 75  ANEXO 1 – EJEMPLO DE CÁLCULO PARA LAS VARIABLES BÁSCIAS .......... 77  ANEXO 2 – IMPUREZAS EN EL AGUA DE ENFRIAMIENTO ............................. 78  ANEXO 3 – FORMATO DE LA HOJA DE DATOS PARA LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO .................................. 82 

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LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad

a

Área de contacto entre el volumen de la torre

[m /m ], [ft2/ft3]

CP

Calor específico del agua

[J/(kg·°C)], [BTU/(lb·°F)]

CP, w

Calor específico del agua a una temperatura [J/(kg·°C)], [BTU/(lb·°F)] promedio entre T1 y T2

f

Factor de conversión

0,00153 (métricas) 0,00085 (USC)

G

Flujo superficial de aire

[kg/(m2·h)], [lb/(ft2·h)]

h

Entalpía de la corriente del aire

[J/g], [BTU/lb]

h’

Entalpía del aire saturado a la temperatura del [J/g], [BTU/lb] agua

ha

Entalpía del aire a la temperatura de bulbo [J/g], [BTU/lb] húmedo, TWB

hs

Entalpía del aire a la temperatura del agua

[J/g], [BTU/lb]

K

Coeficiente de transferencia de masa

[kg/(h·m2)], [lb/(h·ft2)]

L

Flujo superficial de agua

[kg/(m2·h)], [lb/(ft2·h)]

Ld

Porcentaje de las pérdidas por arrastre

Qb

Flujo volumétrico de las purgas

[m3/h], [USgpm]

Qd

Flujo volumétrico de las pérdidas por arrastre

[m3/h], [USgpm]

Qe

Flujo volumétrico de las pérdidas por evaporación

[m3/h], [USgpm]

Qm

Flujo volumétrico del agua de reposición

[m3/h], [USgpm]

Qn

Calor retirado en las equipos de intercambio de [kJ/h], [BTU/h] calor que usan agua de enfriamiento

QT

Capacidad de enfriamiento de la torre (calor [J/h], [BTU/h] retirado)

Qw

Flujo volumétrico del agua para enfriamiento

[m3/h], [USgpm]

n

Número de los ciclos de concentración

(sin dimensión)

T1

Temperatura de entrada del agua de enfriamiento [°C], [°F] a la torre (agua caliente)

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad

T2

Temperatura de salida del agua de enfriamiento [°C], [°F] desde la torre (agua fría)

TWB

Temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a [°C], [°F] la torre de enfriamiento

V

Volumen activo de enfriamiento

[m3/m2], [ft3/ft2]

Ww

Flujo másico del agua de enfriamiento

[kg/h], [lb/h]

ΔTA

Diferencia de la temperatura de aproximación

[°C], [°F]

ΔTR

Rango de temperatura

[°C], [°F]

ρw

Densidad del agua de temperatura de entrada

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enfriamiento

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a

la [kg/m3], [lb/ft3]

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1.

INTRODUCCIÓN La Disciplina de Procesos en un Proyecto elabora las especificaciones de las torres de enfriamiento, definiendo el calor removido, las condiciones de operación, incluyendo el flujo y las propiedades físico-químicas del agua.

2.

OBJETIVOS Los objetivos principales de este INEDON son:

3.

•

La información básica sobre las torres de enfriamiento y sus componentes principales.

•

El conocimiento de las diferentes propiedades del aire y del agua que afectan el desempeño de las torres.

•

El cálculo de los flujos de agua asociados a la torre.

•

La información sobre el control de la calidad del agua.

•

El uso del formato para la especificación de las torres.

EXCEPCIONES Las torres de enfriamiento forman parte de los sistemas de agua de enfriamiento en una instalación, pero dichos sistemas son solo mencionados brevemente en este INEDON y se muestra un ejemplo básico para considerar el uso de las torres en ese sistema. El tratamiento del agua para su uso en las torres de enfriamiento está excluido del contenido. Sin embargo, la Sección 14 contiene información básica sobre la calidad del agua.

4.

USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA I.

Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí.

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II.

5.

El usuario de este INEDON tiene la obligación de utilizar la revisión más actualizada de la normativa (normas, códigos, estándares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional utilizada en el Proyecto. Así como, solicitar al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la instalación.

PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA Procedimientos relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003

Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución

903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas

Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901 Elaboración y Actualización de INEDONES Procesos (HM120)

6.

903-P3100-P09-ADM-901

Bases de Diseño

903-P3100-P09-ADM-906

Diseño y Especificación de Equipos

INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013

Bases y Criterios de Diseño

903-HM120-P09-GUD-015

Guía para la Elaboración de los Balances de Procesos

903-HM120-P09-GUD-025

Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación

903-HM120-P09-GUD-030

Guía para la Especificación de las Bombas

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO 903-HM120-P09-GUD-052

Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo

903-HM120-P09-GUD-054

Guía para la Selección de los Materiales de Construcción

903-HM120-P09-TEC-072

Listas de Verificación de Procesos

Los Procedimientos y las Instrucciones de Trabajo pueden estar relacionados de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene información adicional para el usuario pero no es citado en este documento. 7.

8.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS AGMA

American Gear Manufacturers Association

BME

Balance de Masa y Energía (Material and Heat Balance)

CTI

Cooling Technology Institute

DBP

Diagrama Básico de Procesos

DTI

Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación (PID: Piping and Instrumentation Diagram)

HdD

Hoja de Datos

HI

Hydraulic Institute

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inelectra Documento Normalizado

SDT

Sólidos Disueltos Totales: Total Dissolved Solids (TDS)

snm

Sobre el nivel del mar

USC

United State Customary (Units): (Unidades de Medición) Habituales en los EUA

MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo para la especificación de las torres de enfriamiento es realizada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo”, N° 903-HM120-P09-GUD-052.

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9.

DEFINICIONES GENERALES Agua de Circulación (Circulation Water) Agua que circula a través del sistema de enfriamiento, es decir, el agua de enfriamiento. Véase la Sección 13.1. Agua de Reposición (Make-up Water) Agua añadida para reponer las pérdidas del agua de circulación. Véase la Sección 13.2. Agua de Retorno (Supply Water) (1)

Agua que sale de un sistema de enfriamiento de flujo directo.

(2)

Agua caliente que retorna a la torre desde un sistema de enfriamiento con circulación.

Agua de Suministro (Supply Water) (1)

Agua que entra a un sistema de enfriamiento de flujo directo.

(2)

Agua fría que sale de la torre y entra en un sistema de enfriamiento con circulación.

Agua Fresca (Fresh Water) En este INEDON, es agua dulce; pero el término es también usado para el agua de reposición. Véase la Sección 14.1. Aire Seco (Dry Air) (1)

Aire sin contenido de vapor de agua, se trata de un caso ideal que no se presenta en la atmósfera.

(2)

Aire que entra a la torre de enfriamiento, el cual tiene un contenido de vapor de agua menor que el aire que sale.

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Aire Saturado (Saturated Air) Aire con un contenido máximo de vapor de agua a la presión atmosférica y una temperatura definida; si se aumenta su temperatura, no se incrementa el contenido de vapor de agua; si se produce un enfriamiento, el vapor de agua condensa. Alcalinidad, Basicidad (Alkalinity) Capacidad acidoneutralizante de una sustancia química en solución acuosa, es expresada en equivalentes de base por litro (mEq/L, miliequivalente por litro) o en su equivalente de carbonato de calcio (CaCO3) como partes por millón (ppm), generalmente en base másica: ppm en peso, en inglés se usa comúnmente la unidad wppm. Aproximación (Approach) Diferencia de temperatura entre el agua fría que sale de la torre de enfriamiento y la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a la torre. Véase la Sección 12.3. Balance de Materia (Masa) y Energía (Calor) (Mass and Energy Balance) Documento donde se indican las características y propiedades principales de las corrientes del proceso, con sus condiciones de operación normales. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Balances de Procesos”, N° 903-HM120-P09-GUD-015. Bases de Diseño (Basis of Design) Documento elaborado conjuntamente entre el Cliente e inelectra. El documento establece la información básica del lugar del Proyecto, premisas y criterios de diseño especiales o particulares, requerimientos de operación, constructibilidad y mantenimiento, normativa para el Proyecto, y toda la información adicional en la cual se fundamenta la ejecución del Proyecto. Dependiendo del alcance del Proyecto y del documento, los usuarios pueden ser solo Procesos, varias o todas las Disciplinas. Consulte los INEDON “Bases de Diseño”, N° 903-P3100-P09-ADM-901, y “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013.

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Calor (Duty) El calor (o transferencia de calor) es la transferencia de energía entre un medio y otro debida a una diferencia de temperaturas. Los procesos de transferencia de calor se describen a continuación y se muestran en la Figura 1. •

Conducción: cuando la diferencia de temperatura existe en un medio estacionario.

•

Convección: si existe un gradiente de temperatura entre una superficie fija y un fluido en movimiento.

•

Radiación: intercambio de calor entre dos superficies a distintas temperaturas, sin que estén en contacto. La transferencia se lleva a cabo mediante ondas electromagnéticas. Fluido en movimiento

Material conductor

T1 > T2

T2

T2 Ts > T∞

Conducción

Calor

Calor

T1

T∞

Ts

T1

Convección

Radiación

Figura 1. Procesos de transferencia de calor. Celda (Cell) Subdivisión más pequeña de una torre, delimitada por paredes exteriores y/o particiones, y puede operar de manera independiente. Chimenea (Virola) del Ventilador (Fan Stack) Estructura donde se encuentra el ventilador (Figura 2), tiene forma de venturi para disminuir la pérdida de presión del aire. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Ciclos de Concentración (Concentration Cycles) Ciclos de purga (remoción o desecho) de agua para disminuir la concentración de sales y otras sustancias solubles originada por la evaporación de agua y disminuir los efectos de la corrosión. Ejemplo del concepto, si se hierven tres tazas de agua hasta obtener una taza, esta última contiene una concentración tres veces mayor de sales (considerando que solo el agua fue evaporada) y se dice que tiene tres ciclos de concentración. Condiciones Reales (Actual Conditions) Presión y temperatura del fluido a las condiciones de operación (@ P y T). El término aplica a variables volumétricas como el flujo y la densidad. La designación “A” es de uso común en la industria. Ejemplos: ACF (Aft3), pie cúbico actual; Am3, metro cúbico actual. Condiciones Estándar y Normales (Standard & Normal Conditions) Presión y temperatura base para la especificación del volumen de gas y líquido, los valores típicos son: Presión absoluta

Condición Estándar Normal

1 atmósfera estándar

Temperatura

[bar]

[psi]

1,01325

14,6959

[°C]

[°F]

15,56

60,00

0,00

32,00

Las designaciones “S” para estándar y “N” para normal son de uso común en la industria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cúbico estándar; Nm3, metro cúbico normal. Las condiciones estándar o normales están definidas en las Bases de Diseño del Proyecto. CTI, Cooling Technology Institute Instituto que aboga y promueve el uso responsable de los sistemas evaporativos de transferencia de calor. Dentro de sus objetivos están el aseguramiento mínimo de los niveles de calidad y desempeño de las torres de enfriamiento. Muchos vendedores tienen una certificación del CTI como prueba de su estándar de calidad.

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Cubierta de Ventiladores (Fan Deck) Superficie que cierra el tope (techo) de la torre de enfriamiento de tiro inducido y donde se soporta la chimenea (virola) y el motor del ventilador (Figura 2) Aspa (pala) del ventilador

Salida del aire Chimenea (virola) del ventilador

Eje de transmisión Motor del ventilador

Cubierta del ventilador

Distribuidores y rociadores de agua

Eliminador de arrastre

Entrada de agua

Estructura Relleno

Entrada del aire

Entrada del aire

Salida de agua

Piscina (pileta) de agua fría

Figura 2. Elementos principales de una torre de enfriamiento, adaptado de [6]. Arrastre, Derivación (Drift) Agua perdida en la torre de enfriamiento en forma de niebla o de pequeñas gotas arrastradas por el aire circulante, sin incluir las pérdidas por evaporación. Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación, Mecánicos de Flujo (Piping and Instrumentation Diagram)

Diagramas

Diagramas que describen la secuencia del proceso, su automatización y control, indicando todos los equipos, las líneas, la instrumentación, las lógicas de control y accesorios que los conforman. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, N° 903-HM120P09-GUD-025.

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Diagrama Psicrométrico (Psychrometric Diagram)

Relación de humedad [masa de agua/ masa de aire seco]

Diagrama que relaciona múltiples parámetros de la mezcla aire-agua (Figura 3): temperaturas de bulbo húmedo y seco, humedad relativa, relación de humedad, entalpía de saturación y volumen específico. Los datos del diagrama son una función de la presión atmosférica.

0 0%

0

0

0 Temperatura de bulbo seco

Figura 3. Diagrama psicrométrico simplificado. Dispersante (Dispersant) Sustancia de superficie activa que es añadida a una suspensión (generalmente un coloide) para mejorar la separación de las partículas y prevenir su deposición. Dureza (Hardness) Concentración de los compuestos minerales que hay en el agua, principalmente las sales de calcio y magnesio. Como heurística, se considera que el agua es dura cuando contiene más de 120 mg CaCO3/L.

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Factor de Servicio AGMA (AGMA Service Factor) Factor de servicio usado para los reductores que impulsan los ventiladores. Humedad Absoluta (Absolute Humidity) Cantidad de vapor de agua por unidad de volumen de aire para una presión y temperatura definidas, generalmente se expresa en unidad de masa entre unidad de volumen (por ejemplo, kg/m3, lb/ft3). Humedad Relativa (Relative Humidity) Relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación del agua a una temperatura definida; generalmente se expresa en porcentaje. Penacho (Plume) Efluente formado por aire y vapor de agua (usualmente visible) que sale de la torre de enfriamiento. Pérdida, Agua de (Water Losses) Flujo de agua perdido en el sistema de enfriamiento por evaporación, arrastre y las purgas. Véase la Sección 13.2. Persianas, Registradores (Louvers) Aspas o arreglos de paso instalados en la entrada del aire (dentro de la torre de enfriamiento) para controlar la salpicadura del agua y/o promover un flujo uniforme de aire a través del relleno. Psicrometría (Psychrometry) Rama de la ciencia que trata las propiedades de las mezclas gas-vapor de agua. La de mezcla aire y vapor de agua (aire húmedo) es el sistema más común. Purga, Agua de (Purge Water) Flujo de agua extraído del agua de circulación. Véase la Sección 13.2. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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Reductor (Reducer) Elemento que impulsa el ventilador, están ubicados dentro de la chimenea (virola). Sistema de Agua de Enfriamiento (Cooling Water System) Sistema de distribución de agua para el enfriamiento de otros fluidos en un proceso. Dependiendo de los requerimientos, puede o no existir una torre de agua de enfriamiento en el sistema. Existen tres configuraciones básicas (Figura 4): A)

Sistema de recirculación abierta (open recirculating system): el agua es distribuida a través de los equipos de intercambio de calor, en donde aumenta su temperatura, luego es enfriada para ser distribuida de nuevo. El sistema es denominado como “abierto” cuando existe una torre de enfriamiento en la cual se pierde parte del agua por evaporación.

B)

Sistema de recirculación cerrada (closed recirculating system): el recorrido del agua es similar al sistema anterior, pero el agua es enfriada en un equipo de enfriamiento cerrado, por ejemplo, un intercambiador de calor del tipo chiller.

C)

Sistema de flujo directo (once-through system): el agua caliente que sale de los equipos de intercambio de calor es desechada, es decir, no reutilizada para enfriamiento.

El uso de un sistema específico es una decisión económica de inversión y de operación, que considera la disponibilidad del agua para enfriamiento y la cantidad de calor retirado de los equipos de intercambio de calor, esto determina el tamaño del sistema de enfriamiento. El Cuadro 1 muestra las principales ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento descritos anteriormente.

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Torre de enfriamiento Equipos de intercambio de calor

Sistema de recirculación abierta

Equipo para enfriamiento Equipos de intercambio de calor

Sistema de recirculación cerrada

Equipos de intercambio de calor Descarga

Suministro

Sistema de circulación de flujo directo

Figura 4. Sistemas de agua de enfriamiento, adaptado de [2].

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Cuadro 1. Ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento. Sistema Ventajas Desventajas Recirculación abierta

Menor rango de aproximación entre la temperatura del medio frío y del caliente.

• • • •

Recirculación cerrada

El agua permanece más limpia.

• Corrosión • Ensuciamiento.

• El suministro es frío. • No se requiere torre de enfriamiento. • No se requiere tratamiento de agua.

• Corrosión. • Ensuciamiento. • Incrustaciones.

De flujo directo

Corrosión. Ensuciamiento. Incrustaciones. Se requiere tratamiento del agua.

Temperatura de Bulbo Húmedo (Wet Bulb Temperature) Temperatura del aire medida con un termómetro a la sombra con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. Temperatura de Bulbo Seco (Dry Bulb Temperature) Temperatura del aire medida con un termómetro expuesto libremente al aire, pero protegido de la radiación solar y de la humedad. Tiro (Draft) En los intercambiadores de calor con aire y las torres de enfriamiento (draft): dirección del aire a través de los ventiladores, puede ser de tiro inducido o forzado. Vendedor (Vendor) Compañía o persona que vende y garantiza el correcto funcionamiento de la torre de enfriamiento. Un vendedor puede ser un fabricante o alguien que suministra los ítems de varios fabricantes. Ventilador (Fan) Equipo rotativo con aspas (palas) que genera el movimiento del aire a través de las torres (Figura 2). 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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10.

FLUJOGRAMA BÁSICO DE ESPECIFICACIÓN La Figura 5 muestra el flujograma básico de cualquier especificación realizada por la Disciplina de Procesos para los equipos (e instrumentos). La adaptación para este INEDON es la siguiente: 1a

Conocimiento del alcance del Proyecto: Saber qué se requiere de la Disciplina de Procesos en un Proyecto está establecido en el alcance. La información necesaria puede estar en los términos de referencia de la Propuesta original para el Proyecto, en la minuta o acta de la reunión de arranque (kickoff meeting), en los cambios de alcance, etc. El alcance varía con el Cliente, la etapa del Proyecto (Ing. Conceptual, Básica, de Detalle, Proyecto IPC, etc.), si la instalación es nueva o se realiza una adecuación para una instalación existente. El conocimiento del alcance del Proyecto es un requerimiento para el personal de la Disciplina de Procesos, el cual incluye al Líder de la Disciplina, los Ingenieros y Especialistas de Procesos.

1b

Obtención de la documentación necesaria: •

Bases de Diseño del Proyecto: el documento se puede complementar con información de este INEDON y específica del Proyecto.

•

Normativa usada para el Proyecto: las normas, los códigos, estándares, las especificaciones, leyes, etc. varían en los Proyectos y se requiere obtener la versión más actualizada. Es posible que el documento Bases de Diseño solo nombre la normativa; pero es función de la Disciplina de Procesos, la obtención de la información detallada.

•

BME: ayuda a conocer las características de los fluidos del proceso.

•

DBP: complementa al documento anterior.

•

DTI: el documento representativo de la Disciplina de Procesos, es el que también muestra más información sobre los equipos

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO relacionados con la torre de enfriamiento. Debido a que el diseño de la torre de enfriamiento es subcontratado a un vendedor, Procesos elabora un DTI donde se muestra el límite del vendedor y se hace referencia al DTI elaborado por el vendedor. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, N° 903-HM120-P09-GUD-025. •

Hoja de Datos o Especificación del Equipo: contiene información detallada sobre del equipo (dimensiones, condiciones de diseño, etc.). Según la etapa y alcance del Proyecto, se pueden obtener del vendedor, de la Disciplina de Ingeniería Mecánica o de Procesos.

•

Memoria de Cálculo del Sistema de Agua de Enfriamiento: en este documento se muestra los requerimientos básicos para la torre.

•

Hojas de Datos del Vendedor (en la emisión “como construido” o “conforme a obra”): esta información es indispensable para la evaluación de las instalaciones existentes. Las hojas de datos del vendedor son la fuente más confiable para conocer la especificación de la torre. En el caso de la evaluación de una instalación existente, cualquier documento o información relevante para el análisis es solicitada al Cliente, comenzado en la Propuesta técnica y durante la ejecución del Proyecto. En algunos Proyectos, es alcance de inelectra el levantamiento (relevamiento) de la información existente. La falta de información origina que la Disciplina de Procesos tenga que realizar consideraciones y suposiciones, estas son incluidas en Adicionalmente, se añaden la Memoria de Cálculo. recomendaciones para obtener información más confiable y disminuir la incertidumbre.

2

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios: El documento de Bases de Diseño del Proyecto contiene de manera resumida la información para el dimensionamiento o la especificación de los equipos e instrumentos; pero en algunas ocasiones, la Disciplina de Procesos establece premisas en base a la información de otros Productos propios o de las otras Disciplinas.

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1a

Conocimiento del alcance del Proyecto

2

3a

4a

1b

Obtención de la documentación necesaria

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios

3b Especificación del equipo

Elaboración de la Hoja de Datos o Suministro de datos a otra Disciplina

4b

Elaboración de la Memoria de Cálculo

Actualización de otros Productos

Figura 5. Flujograma básico para las especificaciones de Procesos. 3a

Especificación del equipo: En el caso de las torres de enfriamiento, la Disciplina de Procesos suministra los datos requeridos para el dimensionamiento del equipo; el cual es realizado por el vendedor.

3b

Elaboración de la Memoria de Cálculo: Los cálculos realizados para determinar el requerimiento de calor, flujo de agua de enfriamiento y agua de reposición son soportados por la Memoria de Cálculo, véase la Sección 8.

4a

Elaboración de la HdD o Suministro de datos a otra Disciplina: La elaboración de la HdD consiste en especificar la información requerida por otras Disciplinas y luego por el vendedor para el diseño de la torre de enfriamiento. Véase la Sección 15.2.

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4b

Actualización de otros Productos: Los otros Productos son actualizados con los resultados, por ejemplo el sumario de servicios industriales con el cálculo del agua de reposición.

11.

TORRES DE ENFRIAMIENTO Las torres de enfriamiento son estructuras para enfriar el agua y otros medios hasta una temperatura cercana a la ambiental. El enfriamiento es una remoción del calor que gana el agua en los equipos de intercambio de calor. La Figura 6 muestra la transferencia de calor en una gota de agua. El desempeño de una torre de enfriamiento es predicho con la característica de la torre requerida para las condiciones definidas del aire y del agua. Película Temperatura del aire

Temp. del agua > Temp. del aire Entalpía del agua > Entalpía del aire Movimiento del calor

Temperatura del agua

Movimiento del aire

Movimiento del agua

Figura 6. Transferencia de calor en una gota de agua. La teoría básica del funcionamiento de las torres de enfriamiento es que el calor es transferido desde las gotas de agua hacia el aire circundante por medio de la transferencia de calor sensible y latente. La teoría más aceptada es la desarrollada por Merkel [5] y está basada en la diferencia de entalpía como fuerza motriz para la transferencia de calor:

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO T

1 KaV C dT = ∫ P L h '− h T

Ec. 1

2

La sección izquierda de la Ec. 1 es enteramente en términos de las propiedades del aire y del agua e independiente de las dimensiones de la torre de enfriamiento. La Figura 7 muestra las relaciones entre el agua y el aire y el potencial motriz que existe en una torre de flujo contracorriente, donde el aire fluye paralelo, pero en dirección contraria al flujo de agua. El entendimiento del diagrama es importante para conocer el funcionamiento de una torre de enfriamiento: •

La línea AB es la de operación del agua y está fijada entre la temperatura de entrada del agua (caliente) y de salida (fría).

•

La línea de operación del aire comienza en el punto C, verticalmente debajo del punto B. El punto C tiene una entalpía que corresponde con la temperatura de entrada de bulbo seco del aire.

•

La línea BC representa la fuerza motriz inicial (hs – ha).

•

Cuando se enfría el agua en 1 °C (1 °F), la entalpía por kilogramo (libra) de aire es incrementada en 1 J (1 BTU) multiplicada por la relación de los kilogramos (libras) de agua entre los kilogramos (libras) de aire.

•

El factor de enfriamiento o relación agua-aire L/G es la pendiente de la línea de operación.

•

El aire que sale de la torre es representado por el punto D.

•

El rango de enfriamiento es una proyección de la línea CD en el eje de la temperatura.

•

La aproximación de la torre de enfriamiento es mostrada en la figura como la diferencia entre la temperatura de salida del fría del agua y la temperatura de bulbo seco del aire.

•

La integral de la Ec. 1 es representada por el área ABCD. El valor es conocido como la “característica de la torre” y varía con el valor de la relación L/G.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO o

Por ejemplo, si se incrementa la temperatura de entrada de bulbo húmedo (movimiento hacia la derecha), se mueve el punto de origen C hacia arriba y la línea CD se desplaza hacia la derecha para mantener un valor constante de KaV/L.

o

Sin embargo, un cambio de la relación L/G cambia la pendiente de la línea CD y la torre vuelve al equilibrio con un nuevo valor de KaV/L.

Las torres de enfriamiento son diseñadas y construidas en varios tipos, con una variedad de tamaños para cada tipo; pero no todos los tipos son adecuados para todas las aplicaciones; el Cuadro 2 muestra un resumen de los diferentes tipos. Las secciones siguientes describen los tipos de torres de enfriamiento evaporativas.

h (a la temperatura del agua caliente)

A

h’ − h

Línea de operación del agua h (del aire de salida)

h (a la temp. del

B

agua fría) h (del aire de entrada)

D

C

L/G

Área ABCD = KaV/L

Curva de saturación

Aproximación

Temp. de entrada de bulbo húmedo

Línea de operación del aire

Rango

Temp. del agua fría

Temp. de salida de bulbo húmedo

Temp. del agua caliente

Figura 7. Balance de calor en una torre de enfriamiento, adaptado de [5]. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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Cuadro 2. Resumen de los tipos de torres de enfriamiento, adaptado de [4]. Tiro

Flujo

Mecánico

Flujo cruzado

Natural

Hibrido

---

---

--Inducido

Evaporativa (húmeda) Flujo en contracorriente Forzado

Inducido

---

Seca

Forzado

Inducido

Flujo cruzado

---

---

---

Flujo en contracorriente

---

---

---

---

---

Hibrida

---

---

Inducido Leyenda: Relleno húmedo Aire frío de entrada

Sección seca

Ventilador

Distribuidor de agua

Aire caliente de salida

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO 11.1.

Tiro Mecánico Las torres con tiro mecánico usan uno o más ventiladores para generar el flujo de aire. Su desempeño térmico es afectado por menos variables psicrométricas que para las torre de tiro natural. La presencia de ventiladores permite una regulación del flujo de aire para compensar los cambios atmosféricos y los flujos de agua caliente.

11.1.1. Tiro Inducido Las torres de tiro mecánico inducido tienen los ventiladores en la salida de aire caliente para “halar” el aire dentro de la torre (Figura 8). Sus características principales son: •

La velocidad de salida del aire es de 3 a 4 veces mayor que en la entrada, con velocidad de entrada de aproximadamente 2,22 m/s (7,3 ft/s). Por tal motivo, no existe o es mínima la tendencia para una zona de presión reducida en la entrada de aire y creada por el ventilador.

•

El rango de uso va desde una capacidad de 3 m3/h a 16 000 m3/h (de 15 USgpm a 700 000 USgpm). Salida del aire

Entrada de agua

Entrada del aire

Entrada del aire

Salida de agua

Figura 8. Torre de tiro mecánico inducido con flujo en contracorriente, adaptado de [6]. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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11.1.2. Tiro Forzado Las torres de tiro mecánico forzado tienen ventiladores en la corriente de aire frío (atmosférico) para forzar la entrada de aire hacia la torre (Figura 9). Sus características principales son: •

Están caracterizadas por velocidades altas de entrada de aire.

•

Son extremadamente susceptibles a la recirculación del aire (Sección 12.10) y por tal motivo, se considera que tienen menos estabilidad que las torres de tiro inducido.

•

El ventilador ubicado en la entrada del aire tiene el riesgo de ser sometido a la formación de hielo en áreas de baja temperatura.

•

Generalmente, son equipadas con sopladores centrífugos, los cuales requieren una potencia considerablemente mayor que los ventiladores con hélices; pero tienen la ventaja que pueden operar contra una pérdida de presión alta en la parte interna de la torre. Por tal motivo pueden ser instaladas en áreas interiores (si el espacio lo permite), o con un recinto para minimizar el riesgo de recirculación. Rociadores de agua

Salida del aire

Entrada de aire

Salida de agua

Soplador

Figura 9. Torre de tiro mecánico forzado, adaptado de [6]. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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Tiro Natural Las torres de tiro natural, también llamadas atmosféricas, no utilizan un dispositivo mecánico (ventilador) para crear un flujo de aire a través de la torre.

11.2.1. Con Rociadores Existen torres de tamaño pequeño, como la mostrada en la Figura 10, en las cuales el flujo de aire se origina por inducción natural (aspiración) y con un sistema de rociadores de agua. Son torres relativamente económicas; pero están disponibles generalmente en tamaños pequeños y son altamente afectadas por condiciones adversas de viento. Su uso no es recomendado en procesos donde el suministro del agua de enfriamiento es crítico y tampoco para una temperatura de agua fría suministrada con mucha exactitud. Flujo de aire Entrada de agua

Salida de agua

Figura 10. Torre de tiro natural con rociadores, adaptado de [6]. 11.2.2. Hiperbólicas Las torres de tiro natural hiperbólicas, reciben su nombre de la forma de la estructura (Figura 11 y Figura 12), son extremadamente predecibles en su desempeño térmico. El flujo de aire es producido por la diferencia de densidad que existe entre aire calentado dentro de la estructura (menos denso) y el 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO relativamente aire frío de la atmósfera (más denso) fuera de la torre. Las características principales son: •

Gran capacidad, mayor de 56 800 m3/h (250 000 USgpm).

•

Ocasionalmente, la estructura puede tener una altura mayor de 152 m (500 ft), lo que puede originar un alto impacto visual.

•

Requiere un espacio grande (plot area).

•

Mayor costo que cualquier otro tipo de torre de enfriamiento.

•

Tiene un extenso uso en el área de generación de potencia eléctrica, donde existen cargas de calor grandes y uniformes; y donde el periodo de amortización es largo para recuperar el costo inicial.

•

El desempeño es más efectivo en áreas con una humedad relativa del aire alta. En sitios áridos y de mucha altura sobre el nivel del mar, las torres de tiro mecánico son más recomendadas. Salida del aire

Rociadores de agua Entrada del aire Salida de agua

Figura 11. Torre de tiro natural de forma hiperbólica con contracorriente, adaptado de [6]. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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Salida del aire

Entrada de agua

Entrada del aire Salida de agua

Figura 12. Torre de tiro natural de forma hiperbólica con flujo cruzado, adaptado de [6]. 11.3.

Tiro Hibrido Existen torres que combinan el tiro mecánico con el natural, y dan la apariencia de torres hiperbólicas con alturas bajas. También son llamadas torres de tiro natural asistidas con ventiladores. El objetivo es minimizar el consumo de potencia requerida para mover el aire, pero con el costo mínimo para la estructura hiperbólica. El diseño apropiado permite que los ventiladores sean requeridos solamente durante cambios drásticos de las condiciones ambientales y aumentos puntuales de la carga de agua caliente. Los ventiladores originan una fuerza ascensional adicional para usar este tipo de torres en lugares donde no está permitida la descarga del penacho de vapor de agua en alturas bajas.

11.4.

Sistemas de Flujo Otra subdivisión de las torres de enfriamiento está en función del tipo de flujo del aire en relación con el agua.

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11.4.1. Flujo en Contracorriente En las torres con flujo en contracorriente (counterflow), el aire se mueve verticalmente hacia arriba a través del relleno, mientras que el agua cae en dirección opuesta (Figura 13). Algunas torres con flujo en contracorriente de baja capacidad son relativamente altas, esto se debe que las áreas de insumo y descarga tienen que ser extendidas, el uso de rociadores de alta presión y las altas pérdidas de presión del aire. El recinto típico de estas torres restringe la exposición del agua con la luz solar, esto disminuye las pérdidas por evaporación y el crecimiento de algas. Salida del aire caliente y húmedo

Entrada de agua caliente

Rociadores

Entrada de aire seco

Entrada de aire seco

Salida de agua fría Piscina de recolección

Figura 13. Torre de flujo en contracorriente.

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11.4.2. Flujo Cruzado Las torres de flujo cruzado tienen una configuración de rellenos a través de los cuales el aire fluye horizontalmente, mientras que el agua se mueve hacia abajo de manera vertical (Figura 14). El agua caliente es suministrada de cavidades (cuencas) ubicadas arriba del relleno y es distribuida por gravedad a través de orificios en el piso de las cuencas. Esto elimina el requerimiento de rociadores y ubica el sistema de gravedad en un lugar de fácil mantenimiento. Salida del aire caliente y húmedo Entrada de agua caliente

Entrada de agua caliente

Piscina de distribución

Entrada de aire seco

Entrada de aire seco

Salida de agua fría Piscina de recolección

Figura 14. Torre con flujo cruzado. 11.4.3. Otros Tipos de Flujo También existen las torres con flujo simple, en las cuales solo existe una entrada de aire y de flujo doble con dos entradas de aire.

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11.5.

Métodos de Transferencia de Calor Todas las torres de enfriamiento descritas anteriormente son del tipo evaporativas, y las cuales producen el enfriamiento primario por medio de la evaporación que se origina cuando el aire y el agua entran en contacto. El otro tipo de torres son las denominadas “secas”, las cuales utilizan secciones de una superficie seca (por ejemplo, un serpentín), sin contacto directo entre el aire y el agua. En este caso, el agua es enfriada por la transferencia de calor sensible.

11.6.

Internos

11.6.1. Relleno El relleno es considerado el componente más importante en una torre de enfriamiento, es el que suministra el área de contacto entre el aire y el agua mientras ocasiona la menor resistencia posible al paso de aire. Algunos vendedores diseñan y producen rellenos específicamente para sus sistemas de distribución, ventiladores y sistemas de soporte; mientras que otros vendedores ajustan el resto de los componentes a los rellenos disponibles comercialmente. Técnicamente el nombre es relleno evaporativo laminar, el cual es una especie de "panal de abeja". Estos paneles o rellenos, entregan una gran superficie de intercambio para la evaporación. El agua caliente desciende por el laberinto o maraña interna de los rellenos mediante la acción de la gravedad, tomando directo contacto con el aire. Actualmente, los rellenos mayormente utilizados en las torres de enfriamiento son de material PVC (cloruro de polivinilo) o PP (polipropileno) los cuales han reemplazado a los rellenos de madera o metálicos. Incluso muchas torres que no utilizan rellenos han sido modificadas para utilizarlos, de esta manera se aumenta la eficiencia en el intercambio de calor. Los dos tipos básicos de relleno son de “salpiqueo” (splash) y de “película” (film). Ambos tipos pueden ser usados en torre con contraflujo y flujo cruzado, y tienen ventajas en varias condiciones de operación.

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A)

Relleno de salpiqueo (Figura 15): Causa que el flujo de agua caiga como una cascada a través de elevaciones sucesivas de barras de salpiqueo. Esta dispersión del agua permite que la torre no sea tan susceptible a una pobre distribución inicial del agua.

Figura 15. Relleno de salpiqueo para flujo cruzado (SPX Cooling Technologies). B)

Relleno de película (Figura 16): Ha ganado prominencia por su capacidad para exponer una mayor cantidad de superficie de agua para un volumen definido de relleno. Aproximadamente, la mitad del relleno usado en las torres de flujo cruzado, y en casi todas las de flujo en contracorriente, es del tipo película. Generalmente es usado para ambientes limpios (por ejemplo aire sin grandes cantidades de polvo), donde la posibilidad de formación de obstrucciones en el relleno es menor.

Las torres de enfriamiento pueden o no tener relleno que suministra área de transferencia de calor. Las torres sin relleno dependen solamente del sistema de rociadores para promover el contacto máximo entre el aire y el agua. En inglés se usa el término spray-filled. La ausencia de relleno es recomendado 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO para procesos que permiten el uso de agua relativamente más caliente que la obtenida en una torre con relleno y también cuando el agua contiene contaminantes o sólidos que afectan el área de transferencia del relleno.

Figura 16. Relleno de película para flujo en contracorriente (SPX Cooling Technologies). 11.6.2. Sistema de Distribución El agua requiere distribución uniforme a través del relleno para garantizar la superficie máxima de contacto y evitar los pasos preferenciales de agua a través de los canales. El sistema más sencillo es una tubería con orificios para distribuir el agua. Actualmente, se usan sistemas con rociadores para mejorar la distribución (Figura 17). 11.6.3. Eliminadores de Arrastre Los eliminadores de arrastre (eliminadores de niebla, de rocío o separadores de gota) son instalados por encima del relleno para detener las gotas que son arrastradas con la corriente de aire y por ende disminuyen las pérdidas de agua en la torre. Generalmente se usan ondas de PVC (Figura 18), contra las que chocan las gotas y caen nuevamente sobre el relleno. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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Los eliminadores previenen la fuga de gotas hacia el medio ambiente que podrían ser una causa de contaminación y de corrosión en los equipos cercanos a la torre.

Figura 17. Rociador (SPX Cooling Technologies).

Figura 18. Eliminador de niebla (SPX Cooling Technologies). 11.7.

Piscina (Pileta) de Agua Fría y Fosa de Succión de las Bombas Las torres de enfriamiento son provistas con una piscina o pileta (basin) para almacenar el agua fría, la cual es succionada por las bombas del sistema de agua enfriamiento.

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Entre los muchos factores que afectan el diseño de la piscina, se encuentra la capacidad de almacenamiento y los niveles de líquido para permitir las acciones necesarias durante condiciones de emergencia. A continuación, las recomendaciones generales: A)

La capacidad mínima de almacenamiento depende si se considera la pérdida del agua de reposición: a)

Sin la pérdida del agua de reposición: 10 min.

b)

Con la pérdida del agua de reposición: 90 min.

El nivel de confiabilidad del agua de reposición determina el tiempo para la selección. La capacidad es determinada entre el nivel de líquido bajo (LLL) y el normal (NLL). B)

La Figura 19 muestra el esquema con los niveles de líquido recomendados para la sección de succión de las bombas. Los valores reales pueden variar según el tipo de bomba, diámetro de la línea de succión y área de la torre de enfriamiento. a)

La distancia entre el NLL y el LLL depende de las dimensiones de la piscina y el tiempo de almacenamiento requerido.

b)

La ubicación del LLL puede ser el tope de la carcasa de la bomba, si está ubicada fuera de la bombas (por ejemplo, una bomba centrifuga horizontal) y existe suficiente información.

c)

La distancia l6 es la sumergencia mínima requerida y puede ser calculada según se indica en el INEDON “Guía para la Especificación de las Bombas”, N° 903-HM120-P09-GUD-030 o según el HI 9.8 [3] para una bomba diferente a una centrífuga horizontal.

d)

La distancia C puede ser calculada según se indica en el INEDON “Guía para la Especificación de las Bombas”, N° 903-HM120-P09GUD-030 o según el HI 9.8 [3] para una bomba diferente a una centrífuga horizontal.

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HLL

300 mm (1 ft) 450 mm (1,5 ft)

NLL

LLL l6

C

Figura 19. Niveles de líquido recomendados en la sección de succión de la bombas. C)

Otras distancias como: •

desde la línea central de la succión de la bomba hasta la pared de la fosa,

•

desde la línea central de la succión de la bomba hasta la pared que divide la fosa de succión y la piscina.

•

También existen requerimientos de separación entre las bombas, especialmente cuando son de diferentes capacidades. Una bomba de mayor capacidad puede formar un vórtice que afecta a otra bomba de menor capacidad.

Son calculadas según lo indicado en el HI 9.8 [3], si es alcance de inelectra. D)

El área de la piscina abarca generalmente el área debajo de la torre de enfriamiento, esto es importante considerar para el cálculo del volumen de almacenamiento. La Figura 20 muestra un ejemplo.

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Área de la piscina debajo de la torre de enfriamiento Paso de agua desde la piscina a la fosa de succión de las bombas

Celda 1

Succión de las bombas Vista superior

División para evitar la formación de vórtices cuando existen bombas de diferente capacidad o con diferentes tiempos de operación

Celda 2

Celda 3 Fosa de succión de las bombas

Vista lateral

Figura 20. Ejemplo del área de una piscina. 11.8.

Estructura Los elementos que conforman la torre son sostenidos por una estructura, la cual puede ser construida con los siguientes materiales: A)

Madera: Ha sido un material usado durante años, debido a su relativamente bajo costo y facilidad para realizar la construcción de casi cualquier forma de torre, bien sea en sitio o prefabricada para luego ser ensamblada. Los

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO tipos de madera más usados en los EUA y otros países provienen del abeto de Douglas (douglas-fir) y de la secoya (redwood). Sin embargo, algunos Clientes pueden solicitar el uso de madera nacional, si ésta tiene la calidad adecuada. B)

Concreto (hormigón): Es el segundo material con más uso, si bien es más costoso que la madera, permite una vida larga de uso con un costo de mantenimiento relativamente bajo. El costo más elevado del concreto puede ser justificado por su reducido riesgo al fuego y mayor capacidad de soportar peso (de los internos, ventiladores, etc.).

C)

Plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP): Material de uso más reciente, tiene la misma constructibilidad que la madera y con un mantenimiento menor, tiene una alta resistencia a casi cualquier condición ambiental o química en el agua de circulación, así que puede ser usada para agua de mar y agua de desecho. En algunos diseños, la FRP es combinada con el concreto o el acero para aumentar la capacidad de soportar peso.

D)

Acero: Generalmente es galvanizado para aumentar su resistencia a la corrosión o se usa un recubrimiento de acero inoxidable en casos especiales. Es el material menos común para las torres de enfriamiento.

La selección del material de la estructura considera los siguientes factores: •

Resistencia del material a la corrosión originada por el agua de circulación y del medio ambiente.

•

Costo de instalación, el cual está influenciado por la disponibilidad del material (por ejemplo el uso de madera nacional o importada), si la torre será construida en sitio o prefabricada.

•

Costos de mantenimiento, un bajo costo puede marcar la diferencia para la selección de un material específico si se considera el largo plazo de operación que requiere la mayoría de las instalaciones.

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11.9.

Adicionalmente, algunos vendedores disponen de modelos de torres, los cuales solo pueden ser suministrados con un material específico, en este caso es importante revisar que dicho material sea aceptable según las especificaciones del Proyecto.

Disminución del Penacho Dependiendo de las condiciones atmosféricas, el aire saturado saliendo de las torres de enfriamiento húmedas presenta vistas no atractivas o inclusive condiciones de visibilidad peligrosa si las torres están localizadas cerca de carreteras o aeropuertos. La disminución (o abatimiento) del penacho de vapor de agua puede ser lograda usando torres hibridas que consisten en torres húmedas sobre las cuales se añaden torres secas (intercambiadores de calor), esta última sección seca el aire que proviene de la sección húmeda. Salida del aire caliente y seco Aire caliente y húmedo

Sección seca

Entrada de aire seco Entrada de agua caliente

Sección húmeda Entrada de aire seco

Salida de agua fría

Figura 21. Torre hibrida (húmeda-seca). 12.

FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO El enfriamiento de agua en una torre evaporativa usa el aire extraído de la atmósfera, el cual tiene propiedades psicrométricas y la torre reacciona térmicamente a cada una de esas propiedades. El aire que pasa a través del

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO relleno de la torre, incrementa la velocidad, se calienta, se expande, se satura con humedad, se comprime y responde a todos los efectos térmicos y aerodinámicos. Finalmente, el aire caliente (usado) sale en la cercanía de la torre y con un diseño apropiado; éste no recircula hacia el interior de la torre. Mientras tanto, las gotas de agua producidas por el sistema de distribución, están compitiendo con el aire por el mismo espacio, y están tratando de coalescer, lo que reduce el área expuesta al aire. De los muchos factores que afectan el desempeño de una torre de enfriamiento, a continuación se describen los más importantes: 12.1.

Temperatura de Bulbo Húmedo La base primaria para el diseño térmico de una torre de enfriamiento es la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra, porque representa la mínima temperatura que podría alcanzar el agua fría que sale de la torre. Generalmente, las Bases de Diseño de un Proyecto disponen de la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, mas no la que entra a la torre. En estos casos, los vendedores ajustan la temperatura hacia arriba, en algunos grados, para compensar cualquier recirculación potencial. Mientras mayor es la temperatura de bulbo húmedo, mayor es la temperatura de agua de salida fría, para otras variables definidas. La temperatura de bulbo húmedo varía con el paso del día y del año, al igual que la temperatura del aire. El vendedor es provisto, como mínimo, con el valor máximo esperado.

12.2.

Temperatura de Bulbo Seco La temperatura de bulbo seco es requerida para determinar un flujo absoluto de evaporación para cualquier tipo de torre. En el caso de las torres de tiro natural con o sin asistencia de ventiladores, el valor es fundamental porque esta propiedad afecta su desempeño térmico.

12.3.

Diferencia de la Temperatura de Aproximación La temperatura de aproximación tiene el efecto más pronunciado en el tamaño y costo de las torres de enfriamiento. Por ejemplo, la reducción de la temperatura de aproximación de 5,5 °C a 3 °C (10 °F a 5 °F) puede incrementar

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO el costo de una torre en 50 % y el costo de operación de los ventiladores en 65 %. El valor recomendado para la especificación de las torres nuevas es 6 °C (10 °F), es decir que la temperatura mínima del agua fría que sale de una torre es:

T2 = TWB + ΔTA

Ec. 2

Un valor menor de 3 °C (5 °F) no es usualmente garantizado por los vendedores porque sería un intercambio de calor casi ideal. 12.4.

Rango de Enfriamiento El rango de enfriamiento es la diferencia entre la temperatura de entrada del agua caliente y la temperatura de salida del agua fría:

ΔTR = T1 − T2

Ec. 3

El valor mínimo recomendado para el rango de enfriamiento es 11 °C (20 °F).

Temperatura

Temperatura del agua caliente Rango de enfriamiento

Temperatura del agua fría Aproximación Temperatura de bulbo húmedo del aire que entra

Figura 22. Comparación entre la aproximación y el rango. 12.5.

Torre de Enfriamiento en el Sistema La Figura 23 muestra un ejemplo de las temperaturas del agua en una torre asociada al sistema de enfriamiento:

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•

La temperatura de bulbo húmedo (TWB) esta especificada en las Bases de Diseño del Proyecto = 25 °C (77 °F).

T1 = 60 °C (140 °F)

ΔT = 29 °C (53 °F) > ΔTR

TWB = 25 °C (77 °F) + ΔTA = 6 °C (10 °F)

T2 = 31 °C (87 °F)

Equipos de intercambio de calor

Figura 23. Ejemplo de las temperaturas de agua. •

La mínima temperatura de agua fría (T2) es calculada sumando la diferencia de aproximación (ΔTA) al valor de TWB = 25 °C + 6 °C = 31 °C (77 °F + 10 °F = 87 °F). Un valor más bajo de ΔTA es consultado con los vendedores de torres de enfriamiento.

•

El sistema de enfriamiento con torre evaporativa considera las limitaciones termodinámicas de ese tipo de equipo, esto incluye la mínima temperatura de agua fría que puede ser suministrada a los equipos de intercambio de calor.

•

La temperatura del agua caliente que retorna a la torre (T1) es determinada con los requerimientos de enfriamiento en los equipos de intercambio de calor. El valor de 60 °C (140 °F) es un ejemplo numérico. Lo importante, con respecto a la especificación de la torre, es que el rango de temperatura (ΔTR) sea mayor que el mínimo recomendado de 11 °C (20 °F). Un valor menor de ΔTR es consultado con los vendedores.

•

Si el sistema de enfriamiento con torre evaporativa no cumple con el requerimiento de enfriamiento para los equipos de intercambio de calor, se requiere evaluar las opciones siguientes:

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12.6.

o

El uso de una torre evaporativa y las condiciones ambientales quizá no sea conveniente y se evalúa otro sistema, esta es la primera opción cuando se sabe si la temperatura de agua fría tiene que ser menor a lo que puede suministrar la torre.

o

La temperatura de salida del agua de enfriamiento en los equipos de intercambio de calor puede ser aumentada si el rango de temperatura de la torre es menor que el valor recomendado o el sugerido por un vendedor; pero esto también requiere la evaluación del lado del fluido caliente en los equipos de intercambio de calor y en el proceso.

Presión Atmosférica (Barométrica) y Altura sobre el Nivel del Mar La presión atmosférica es determinada con la altura sobre el nivel del mar; en una instalación ubicada a 0 m snm, se puede considerar que la presión atmosférica es igual al valor estándar (aprox. 1,013 bara [14,7 psia]), en la medida que la altura sobre el nivel del mar aumenta, disminuye la presión atmosférica, esto afecta ligeramente la temperatura de bulbo húmedo. El Cuadro 3 muestra el cambio de la temperatura de bulbo húmedo en función de la altura sobre el nivel del mar y de la presión atmosférica. Cuadro 3. Cambio de la temperatura de bulbo húmedo. Altura sobre el nivel del mar [m]

Presión atmosférica [bara (psia)]

Temperatura de Bulbo Húmedo [°C (°F)]

0

1,013 (14,69)

27,08 (80,74)

50

1,007 (14,61)

27,08 (80,74)

100

1,001 (14,52)

27,08 (80,74)

150

0,9954 (14,44)

27,07 (80,73)

200

0,9895 (14,35)

27,07 (80,73)

300

0,9778 (14,18)

27,05 (80,69)

500

0,9547 (13,85)

27,04 (80,67)

Nota: - Humedad relativa de 80 %. - Temperatura del aire = 30 °C (86 °F).

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO 12.7.

Carga de Calor La carga de calor que se retira en los equipos de procesos es compensada por la torre de enfriamiento (Sección 13). Una carga de calor bien calculada permite un diseño adecuado de la torre; si la carga es menor de lo esperado, la torre quedará subdimensionada; si es mayor, la torre quedará sobredimensionada y afectara el costo.

12.8.

Flujo de Agua de Enfriamiento El flujo de agua de enfriamiento a través del proceso determina la carga de calor que es procesada en la torre (Sección 13).

12.9.

Interferencia La proximidad de varias torres de enfriamiento puede elevar la temperatura de bulbo húmedo que entra en una de ellas. La Figura 24 muestra como el aire caliente y más húmedo que sale de una torre es enviado por el viento hacia otra torre. Algo similar puede ser originado por otro equipo que caliente el aire, por ejemplo un intercambiador de calor enfriado por aire. La Figura 25 muestra los contornos del aumento de la temperatura de bulbo húmedo en la dirección del viento, si se desea ubicar una nueva torre de enfriamiento en dicha dirección, se recomienda aumentar la temperatura de bulbo húmedo para el diseño de la nueva torre. Si una información precisa no está disponible, es preferible ubicar la nueva torre donde no sea afectada por la existente. Aire caliente de salida Viento

Figura 24. Interferencia entre torres de enfriamiento, adaptado de [6]. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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+0,6 °C (+1 °F)

Contornos del aumento de la temperatura de bulbo húmedo

+1,1 °C (+2 °F)

+1,1 °C (+2 °F)

+2,2 °C (+4 °F)

96 m (315 ft)

+1,7 °C (+3 °F)

+3,3 °C (+6 °F) +4,4 °C (+8 °F)

Dirección del viento 91 m (300 ft)

Torres de enfriamiento

Figura 25. Aumentos de la temperatura de bulbo húmedo en la dirección del viento para una torre de enfriamiento de varias celdas, adaptado de [6]. 12.10. Recirculación del Aire La recirculación en una torre de enfriamiento es el reingreso del aire caliente y húmedo, con una mayor temperatura de bulbo húmedo, hacia la misma torre (Figura 26). El potencial de recirculación depende principalmente de la velocidad y dirección del viento; la recirculación aumenta con la velocidad del viento. Otros factores que afectan la recirculación son la forma de la torre, la orientación del viento predominante, la velocidad de salida del aire caliente, la altura y espaciamiento del ventilador y la forma y altura de la chimenea (virola). 12.11. Ubicación de la Torre y Orientación Como se ha mencionado anteriormente, el desempeño de una torre de enfriamiento es afectado por la cercanía de otras torres o equipos que calienten 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO o saturen el aire; pero adicionalmente, pueden existir equipos, estructuras o incluso las líneas que limiten el flujo de aire seco hacia la torre. Se recomienda que el vendedor de la torre sea provisto con el plano de planta, para que éste evalúe la ubicación propuesta para la torre de enfriamiento y emita sus posibles recomendaciones. Viento

Aire caliente de salida

Figura 26. Recirculación del aire caliente en una torre de enfriamiento, adaptado de [6]. 13.

REQUERIMIENTOS DE AGUA Los principales requerimientos de agua de las torres de enfriamiento son: •

El agua de circulación.

•

El agua de reposición.

Las ecuaciones siguientes muestran como estimar los flujos requeridos; en cuanto al agua de reposición, el flujo es corregido con la información del vendedor.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO 13.1.

Agua de Circulación A)

Capacidad de enfriamiento, QT: La capacidad de enfriamiento es la cantidad de calor que se retira del agua caliente hasta alcanzar la temperatura fría de salida. La mínima cantidad de calor que es retirada en la torre corresponde a la suma del calor retirado en los diferentes intercambiadores de calor que usan el agua de enfriamiento: n

QT = ∑ Qn = Q1 + Q2 + ... + Qn

Ec. 4

1

Los valores de Q1, Q2 hasta Qn son obtenidos de la simulación del proceso, los Diagramas de Flujo de Proceso o las Hojas de Datos de los intercambiadores de calor. El factor de sobre diseño para la capacidad de enfriamiento es establecido de la siguiente manera:

B)

a)

Un factor de sobre diseño de 1,2 (120 %) es usado cuando los calores retirados en los equipos no consideran otro factor. El valor de sobre diseño es usado para considerar pérdidas de calor hacia el ambiente, por ejemplo en el agua evaporada.

b)

Si los calores retirados en los equipos ya consideran un factor de sobre diseño, el valor obtenido de QT no requiere un factor adicional.

Flujo másico de agua de enfriamiento, Ww: El flujo másico requerido de agua de enfriamiento es calculado con la ecuación siguiente: QT = W w ⋅ C P , w ⋅ (T1 − T2 )

Ec. 5

Î

Ww =

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QT CP, w ⋅ (T1 − T2 )

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Ec. 6

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C)

Flujo volumétrico de agua de enfriamiento que entra a la torre a la temperatura de entrada, Qw: Unidades SI: Qw =

Ww

Ec. 7

ρw

Unidades USC: Qw = 0,1247 13.2.

Ww

Ec. 8

ρw

Agua de Reposición El flujo de agua de reposición es determinado con las pérdidas siguientes: •

Pérdidas por evaporación.

•

Pérdidas por arrastre.

•

Purgas.

Qm = Qe + Qd + Qb

Ec. 9

Las pérdidas por evaporación se pueden estimar con el flujo de agua de circulación y las temperaturas de entrada y salida del agua por medio de la siguiente expresión [5]:

Qe = f ⋅ Qw ⋅ (T1 − T2 )

Ec. 10

Las pérdidas por arrastre (Qd) dependen del sistema de eliminación de niebla y son generalmente menores de 0,02 % en las torres con nuevos diseños de los eliminadores de arrastre. Otras referencias citan pérdidas entre el 0,1 % y 0,3 % [7].

Qd =

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Ld ⋅ Qw 100

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Ec. 11

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Por último, las purgas son necesarias para evitar la acumulación de sales en la torre. El flujo purgado es función de las pérdidas por evaporación y de los ciclos de concentración (n) definidos para la operación de la torre [5]: Qb =

Qe − (n − 1) Qd (n − 1)

Ec. 12

El número de ciclos de concentración va en un rango usual de 3 ciclos a 5 ciclos. Por debajo de 3 ciclos de concentración se requieren purgas excesivas y se considera la adición de ácido para evitar incrustaciones.

12000

2000

11800

1800

11600

1600

11400

1400

11200

1200

11000

1000

10800

800 Flujo de agua de purga

10600 10400

600 400

Flujo de agua de reposición

10200

200

10000

0 1

3

5

7

Flujo de Agua de Purga [m3/h]

Flujo de Agua de Reposición [m3/h]

La Figura 27 muestra una comparación del flujo de agua de purga y de reposición en función de los ciclos de concentración (para otras variables definidas). En la medida que se aumenta n, los flujos se estabilizan; pero esto significa que aumenta la concentración de sales; mientras que valores menores de 3, aumentan exponencialmente el requerimiento del flujo del agua de reposición. En resumen, ninguno de los dos extremos es conveniente, por eso se recomienda un rango entre 3 ciclos y 5 ciclos.

9

Ciclos de Concentración, n

Figura 27. Comparación de los flujos de agua de purga y de reposición en función de los ciclos de concentración. 903-HM120-P09-GUD-076.DOCX/07/07/2009/AA/pa

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13.3.

Ejemplo de Cálculo El Anexo 1 contiene el enlace para abrir una hoja de cálculo con un ejemplo para las variables básicas descritas en este sección.

13.4.

Reglas Heurísticas Las siguientes reglas generales de diseño aplican para la determinación de las dimensiones y parámetros de operación de las torres de enfriamiento [7]: •

El agua en contacto con el aire en condiciones adiabáticas eventualmente se enfría hasta la temperatura de bulbo húmedo.

•

En unidades comerciales, se puede obtener 90 % de saturación del aire.

•

El tamaño relativo de la torre de enfriamiento es sensible a la diferencia entre la temperatura de salida y la de bulbo húmedo:

Diferencia de la temperatura de bulbo húmedo

[°C]

2,78

8,33

13,39

[°F]

5

15

25

Volumen relativo

[-]

2,4

1,0

0,55

•

El relleno de la torre es de una estructura altamente abierta para minimizar la pérdida por fricción, la cual tiene por práctica estándar un máximo de aprox. 0,5 kPa (0,07 psi; 2 in H2O).

•

La velocidad de circulación de agua es de 2,44 m3/(h·m2) a 9,78 m3/(h·m2) (de 1 USgpm/ft2 a 4 USgpm/ft2)).

•

La velocidad de circulación del aire es: - de 6347 kg/(h·m2) a 8788 kg/(h·m2) (1300 lb/(h·ft2) a 1800 lb/(h·ft2)), o - de 91,44 m/min a 121,92 m/min (de 300 ft/min a 400 ft/min).

•

Las torres de tiro natural asistidas por chimenea son de formas hiperbólicas porque poseen mayor resistencia para un espesor dado; una torre de 76 m (250 ft) de altura posee paredes de concreto (hormigón) de espesor de 130 mm a 150 mm (de 5 in a 6 in). La sección transversal ampliada en el tope ayuda a la dispersión del aire húmedo a la atmósfera.

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14.

•

Las pérdidas por evaporación son 1 % de la circulación por cada 56 °C (100 °F) de rango de enfriamiento. Las pérdidas de arrastre de torres de tiro mecánico son de 0,1 % a 0,3 %. Se requieren purgas de la circulación de 2,5 % a 3,0 % para evitar la acumulación excesiva de sales.

•

La velocidad en el distribuidor suele estar entre 2,1 m/s y 2,7 m/s (7 ft/s y 9 ft/s) para evitar la deposición de sólidos suspendidos, si su contenido es alto.

CALIDAD DEL AGUA La calidad del agua usada en las torres de enfriamiento es afectada por el aire circundante, teniendo como resultado los cambios en el desempeño térmico y de vida útil del equipo. Las torres de enfriamiento son consideradas “lavadoras de aire” y el aire que deja la torre es más limpio que el entrante, es decir que una fracción de las partículas y microbios presentes en el aire, son retenidos por el agua. El Anexo 2 muestra las impurezas que se pueden encontrar en el agua de enfriamiento, sus efectos y tratamiento básico. Las fuentes de agua de enfriamiento más comunes son: •

Agua industrial suministrada por terceros o la misma instalación.

•

Agua fluvial (de ríos).

•

Agua lacustre (de lagos).

•

Agua de mar.

•

Agua de pozo subterráneo.

•

Reutilización del agua proveniente (efluente) de la planta de tratamiento de aguas residuales.

Dependiendo del grado de contaminantes, las fuentes pueden o no requerir tratamiento. El uso de algún tipo de fuente depende de la disponibilidad y de un estudio económico.

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14.1.

Agua Fresca Este tipo de agua considera el agua industrial, la fluvial y de pozo subterráneo. El Cuadro 4 contiene las concentraciones máximas recomendadas de varias sustancias presentes en el agua fresca cuando es usada para las torres de enfriamiento. Cuadro 4. Concentraciones máximas recomendadas para agua fresca en las torres de enfriamiento.

Sustancia / Propiedad Sales disueltas totales

3 000

Sólidos suspendidos totales para un tamaño mayor de 0,45 μm Hidrocarburos totales (como C) Magnesio y Silicio (Mg2+ × SiO2) pH < 8 pH = 8 a 9 pH > 9 Calcio , Magnesio y Silicio (Ca2+ × Mg2+ × SiO2) @ pH = 8,5 Alcalinidad (como CaCO3)

200 10 30 000 12 000 8 000 1 000 000 de 50 a 500

Aluminio (como Al)

1

Amoníaco

10

Calcio (como CaCO3)

1000

Magnesio (como Mg2+ @ pH = 8) Cobre (como Cu)

250 0,2

Cloruros (como Cl−)

1000

Hierro (como Fe)

5

Silicio (como SiO2)

150 500 000 Calcio [ppm en peso] como Ca2+

Sulfato (como SO42−)

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Concentración máxima [ppm en peso]

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO El formado de HdD (Sección 15.1) contiene una hoja para suministrar la calidad del agua de enfriamiento y poder determinar los requerimientos de tratamiento. Este INEDON no tiene como objetivo suministrar información sobre el tratamiento de agua. 14.2.

Agua de Mar El uso del agua de mar en las torres de enfriamiento tiene consideraciones diferentes al agua fresca debido al contenido alto de sales:

14.3.

A)

El límite recomendado de sales disueltas totales es 55 000 ppm en peso, sin embargo esto requiere un flujo de purga alto debido a que el agua de reposición contiene entre 35 000 ppm en peso a 40 000 ppm en peso.

B)

El tratamiento más común se limita al control biológico, para el cual se usa cloro de manera directa o producido del hipoclorito en clorinadores eléctricos.

C)

El punto de toma para el suministro del agua de mar está en una ubicación que garantice que el contenido máximo de sólidos suspendidos sea de 200 ppm en peso en el agua recirculada. Si no es posible conseguir un agua de mar suficientemente clara, se evalúa el uso de sistemas de clarificación con polielectrolitos.

D)

La corrosión es un serio problema cuando se usa agua de mar y por tal motivo se requiere una selección apropiada de los materiales de construcción.

Mantenimiento de la Calidad del Agua El mantenimiento de la calidad del agua es lograda con los siguientes métodos: A)

Purga (blowdown): El agua que sale de la torre en forma de vapor, deja una cantidad de sólidos disueltos totales (SDT) que se concentran en la masa recirculante de agua. Si los SDT carecen de control, su contenido puede aumentar significativamente y afectar la torre y todos los equipos del sistema de enfriamiento. Un método apropiado para controlar la concentración de SDT es por medio de las purgas, en las cuales una porción del agua circulante es

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO desechada continuamente y reemplazada por agua con un contenido de SDT mucho menor. El modo más simple de controlar las purgas es por medio de la medición de la conductancia eléctrica que es el inverso de la resistencia eléctrica y medida en siemens, por ejemplo, μS. El medidor de conductancia es colocado en el agua de enfriamiento para enviar una señal que abra la válvula de purga de manera automática cuando se alcanza un valor definido. El agua de purga es generalmente enviada a la sección de tratamiento de agua de desecho de la instalación. Las purgas pueden ser continuas o discontinuas, su selección depende del sistema y caso particular del Proyecto o requerimiento del Cliente. Las purgas discontinuas permiten una mejor estabilización química de la torre como consecuencia del agua fresca de reposición, la inyección de químicos y la misma purga. La purga continua requiere un mayor consumo de agua de reposición, de químicos y más problemas de estabilización los químicos en el agua de la piscina. B)

Control de alcalinidad o del pH: El tratamiento del agua para enfriamiento tiene dos categorías básicas: •

Control de alcalinidad sin ajuste del pH. Esta categoría está ganando terreno porque requiere un costo menor, menos equipos y precauciones en el manejo de ácidos, así como un mejor desempeño de los químicos usados para prevenir las incrustaciones.

•

Con control de pH en un rango específico.

Un aumento del pH en el agua de circulación es un resultado de la alcalinidad del agua fresca debido las sales de bicarbonato (HCO3−). Esto combinado con dióxido de carbono (CO2) origina un pH de 6 a 8,5. Cuando el agua fresca de reposición es mezclada con el agua de circulación y pasada por la torre de enfriamiento, el flujo de aire elimina el CO2. Los iones HCO3− son convertidos en carbonato (CO32−), esto aumenta el pH, el cual puede causar la precipitación de carbonato de calcio (CaCO3) y también de fosfato de calcio (Ca3(PO)2), y formar depósitos.

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Si el Proyecto requiere del control de pH por medio de la adición de algún ácido, se recomienda el uso de un analizador de pH. C)

Prevención de las incrustaciones (scale): Las incrustaciones son depósitos duros y densos de sales inorgánicas en la superficie de algún material. El principal componente de generación de incrustaciones es el CaCO3, el cual es formado por la descomposición de bicarbonato de calcio Ca(HCO3)2. El máximo contenido de Ca(HCO3)2 que puede tener una solución depende de la temperatura y el contenido de CO2 libre en el agua. El aumento de la temperatura o la reducción del CO2 libre, en el punto de equilibrio, origina la deposición de incrustaciones. Otras sales que forman incrustaciones son el fosfato de calcio (Ca3(PO4)2), fosfato de zinc (Zn3(PO4)2), silicato de magnesio (talco, Mg3Si4O10(OH)2) y dióxido de silicio (arena, SiO2). Los inhibidores de corrosión tienen sales de fosfatos, las cuales tienden a formar iones de ortofosfato dependiendo del tiempo, el pH y la temperatura. Las torres de enfriamiento que usan inhibidores de corrosión pueden tener concentraciones de ortofosfato que superen 5 ppm en peso (como PO42−), para prevenir las incrustaciones de Ca3(PO4)2, se recomienda un límite de 1000 ppm en peso de calcio (como CaCO3) en combinación con un dispersante químico. Los químicos usados como anti-incrustantes son los fosfonatos, acrilatos y copolímeros. Si se usan agentes como el ácido sulfúrico (H2SO4) para convertir parte del Ca(HCO3)2 en sulfato de calcio (CaSO4), la concentración de CaSO4 es mantenida por debajo de 1200 ppm en peso (como CaCO3). De lo contrario, se forman incrustaciones de sulfato, las cuales son muy densas y difíciles de remover.

D)

Control de corrosión: Los metales usados en las torres de enfriamiento son susceptibles a la corrosión, la cual puede ser producida por un contenido alto de oxigeno o de dióxido de carbono, un pH bajo, etc. Como la corrosión en medios acuosos es el resultado de una acción electrolítica, el incremento de los sólidos disueltos aumenta la conductividad y el potencial (eléctrico) de corrosión; esto es principalmente válido para los iones de cloruro y

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO sulfato. Por tal motivo, la purga es un método útil en contra de la corrosión. Existen casos en los cuales no se puede eliminar la fuente que genera la corrosión, por tal motivo se usan inhibidores que forman una película protectora en las paredes del metal. Los principales inhibidores de corrosión son:

E)

•

Fosfatos (ortofosfato, polifosfato, fosfonato) son usados en el tratamiento básico para torres nuevas.

•

Sales de zinc pueden ser añadidas para ayudar a la inhibición de corrosión. Los iones de zinc se combinan con los iones de hidróxido para formar una película protectora. El zinc provee un efecto de sinergia en combinación con las sales de fosfato para proteger el acero al carbono de la corrosión. Sin embargo, es necesario conocer las limitaciones en el uso de zinc en las regulaciones locales.

•

Polímeros orgánicos son provisto por varios vendedores de inhibidores de corrosión. Usualmente son una combinación de fosfonatos para control de corrosión y de polímeros (dispersantes) para prevenir la forma de incrustaciones. Estos químicos son más efectivos cuando existe una dureza alta, alcalinidad alta (M alcalinidad > 300 ppm en peso como CaCO3) y altos valores de pH (> 8,5). Algunos vendedores también recomiendan su uso en agua suave. El control de corrosión con polímeros orgánicos es más costoso y sensible a la alcalinidad.

•

El uso de cromatos (CrO42−) está prohibido por protección ambiental.

•

El nitrito no es recomendado para sistemas abiertos porque el oxígeno en el aire lo convierte en nitrato.

Control biológico (crecimiento de organismos biológicos): El limo y las algas se pueden desarrollar en el sistema de agua de enfriamiento, especialmente en la torre debido a la combinación de una temperatura entre 20 °C y 50 °C (70 °C y 120 °F), un pH favorable, luz solar y el suministro continuo de nutrientes como carbono, nitrógeno, fosforo, etc.

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La presencia de organismos biológicos puede interferir con la transferencia de calor debido al ensuciamiento (fouling), reducir la eficiencia de la torre de enfriamiento por el crecimiento de algas, limo, hongos en el relleno y la piscina, taponamiento de los rociadores y de filtros. Un valor recomendado para limitar la presencia de organismos biológicos de 50 000 ufc/mL (= conteos/mL) (ufc: unidades formadoras de colonias o unidades coloniformes, en ingles: cfu, colony-forming units). Uno de los compuestos más usados para el control de organismos biológicos (biocida) es el cloro (gas) o los compuestos que lo contienen (por ejemplo, hipoclorito de sodio), principalmente por su bajo costo, extenso periodo de uso, fácil aplicación y efectos mínimos en el medio ambiente si es añadido de manera controlada. El cloro gaseoso puede ser costoso debido al cuidadoso manejo que requiere. La alternativa de usar hipoclorito de sodio u otro compuesto del cloro es más costosa en mantenimiento. Algunos vendedores recomiendan el uso de cloro de manera intermitente y solo tan frecuente como necesario para controlar el limo y las algas. Sin embargo, algunos Clientes prefieren la dosificación continua alegando que minimiza la degradación de polímeros debido al cloro, mejor disminución de las bacterias aeróbicas, se evita la reducción localizada del pH y mejores resultados de control con menos consumo de cloro. El contenido residual de cloro no excede 1 ppm. Adicionalmente, la adición de cloro o sus compuestos es realizada cuidadosamente para evitar una reducción localizada del pH, lo que origina corrosión. F)

Espuma y decoloración: Una significante formación de espuma se puede producir en las torres nuevas cuando son puestas en servicio. Este tipo de espuma, generalmente, disminuye con un corto periodo de tiempo. La espuma persistente puede ser producida por la concentración y combinación de sólidos disueltos o por la contaminación del agua con compuestos que forman espuma. En algunos casos, la purga es suficiente para disminuir la formación de espuma; en los casos más extremos se pueden requerir el uso de un anti-espumante disponible comercialmente.

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14.4.

Contaminación del Agua El agua de circulación del sistema de enfriamiento puede ser contaminada por fugas en los equipos o rupturas en los tubos de los intercambiadores de calor. Los más comunes en las instalaciones que procesan hidrocarburos son: •

Contaminación con líquidos: Estos contaminantes se podrán observar eventualmente en la piscina de agua fría. Este tipo de contaminación requiere que acciones de los operadores para identificar de dónde proviene el fluido contaminante y trabajos de limpieza, en el peor de los casos, la remoción de parte del agua a través de la purga y la reposición.

•

Contaminación por gases: En las instalaciones con equipos de intercambio de calor y fluidos como gases con alto contenido de H2S o hidrógeno, existe la posibilidad que una ruptura de los tubos genere el paso de los gases hacia el sistema de enfriamiento y sean evacuados en la torre. En estas instalaciones se recomienda evaluar la necesidad de añadir instrumentos de detección de fuga y evitar o minimizar la posibilidad de la creación de una atmósfera explosiva.

15.

HOJA DE DATOS

15.1.

Formato de la Hoja de Datos El objetivo de este INEDON es guiar a los elaboradores de la HdD de las Disciplinas de Ingeniería Mecánica y de Procesos. Es importante tener presente que algunos datos que añade la Disciplina de Procesos, pueden ser verificados por la Disciplina de Ingeniería Mecánica, y viceversa. Adicionalmente, ambas Disciplinas pueden apoyarse mutuamente para completar la HdD. La emisión de la HdD por parte de la Disciplina de Procesos aplica en los Proyectos donde está establecido que Procesos e Ingeniería Mecánica emiten HdD por separado o cuando no existe apoyo de la Disciplina de Ingeniería Mecánica. La recomendación es que la Disciplina de Procesos coloque los datos directamente en la HdD de la Disciplina de Ingeniería Mecánica.

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El código de colores indica lo siguiente: (morado)

: datos añadidos por la Disciplina de Procesos.

(verde)

: datos añadidos por la Disciplina de Ingeniería Mecánica.

(anaranjado) : datos añadidos por la Disciplina de Ingeniería Eléctrica. (blanco)

: datos añadidos por la Disciplina responsable de la emisión de la HdD.

El código de colores es una adaptación del usado para la revisión cruzada de los documentos (squad check). Los colores son eliminados cuando se ha definido la información requerida para la HdD. El Anexo 3 muestra el enlace para la HdD con las unidades de medición más comunes en el sistema habitual de los EUA (US Customary Units) y en el sistema métrico. Sin embargo, las unidades de medición son establecidas por el Cliente e indicadas en las Bases de Diseño del Proyecto. Algunos datos son indicados en el formato como “Según Requerimiento/Especificación del Vendedor”, esto es usado cuando no existe información en este INEDON; pero es importante revisar las especificaciones del Cliente y descartar que este tenga algún requerimiento específico. Los datos normalmente suministrados por la Disciplina de Ingeniería Mecánica también pueden llevar la indicación “Según Requerimiento/Especificación del Vendedor”, el formato no lo tiene porque es esa Disciplina quién lo coloca según sus consideraciones. A)

Encabezado.

N° de la Orden de Compra, N° O. C. (Purchase Order N°, P. O. N°) Indicado por la Disciplina de Ingeniería Mecánica.

Ítem N° (Item N°) Número de identificación de la torre de enfriamiento. Ejemplo: CT-1001. Referencias: Descripción del Proceso, Lista de Equipos, DBP, DTI.

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Proyecto (Project) Nombre del Proyecto. Referencias: Bases de Diseño del Proyecto.

N° de Documento (Document N°) N° de inelectra para la HdD. Las opciones son: a)

N° de la Disciplina de Ingeniería Mecánica, si la HdD es emitida por esta Disciplina.

b)

N° de la Disciplina de Procesos, si la HdD es emitida por esta Disciplina.

N° del Cliente (Client N°) (si existe) N° del Cliente para la HdD. Las opciones son:

B)

a)

Es colocado por la Disciplina de Ingeniería Mecánica, si la HdD es emitida por esta Disciplina.

b)

Es colocado por la Disciplina de Procesos, si la HdD es emitida por esta Disciplina.

Cajetín de Revisión. Consulte el NAP y el ROSTER del Proyecto.

C)

Página 1: Suministrado por el Comprador – Información General (Purchaser Supplied – General Information)

Comprador (Purchaser) La persona u organización que emite la orden y especificación al vendedor. En el caso de inelectra, el comprador puede ser el Cliente del Proyecto, inelectra propiamente, al ejecutar un Proyecto IPC o inelectra, en representación del Cliente del Proyecto, dependiendo de la modalidad de contratación.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Si no tiene información detallada, coloque el nombre del Cliente. El Número de Referencia* (Reference Number) no es generalmente usado por inelectra, se puede colocar N/A.

Dueño de la Planta / Operador (Plant Owner / Operator) Indique el nombre del Cliente. El Número de Referencia* (Reference Number) no es generalmente usado por inelectra, se puede colocar N/A.

Vendedor (Vendor) Si la HdD es emitida para solicitar propuestas de los vendedores, la casilla puede quedar en blanco. El Número de Referencia* (Reference Number) no es generalmente usado por inelectra, se puede colocar N/A.

Ubicación del Sitio (Jobsite Location) Indique el nombre del sitio donde será instalado el equipo. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

Clima del Sitio (Jobsite Climate) Indique el tipo de clima donde será instalado del equipo. Ejemplos: región tropical, desierto, tundra ártica. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

No. de Identificación de la Unidad* (Unit Tag) Indique el No. de la Unidad a la cual pertenece el equipo. Ejemplo: 1000.

No. de Equipo (Equipment Number) Igual al Ítem N° del encabezado.

Servicio Continuo o Intermitente (Continuous or Intermittent Service) Indique si la torre estará continuamente o no en servicio. Existen instalaciones donde las condiciones climáticas permiten que la torre de enfriamiento sea puesta fuera de servicio en algunas épocas del año, si este es el caso, indíquelo con una nota. Referencias: Bases de Diseño del Proyecto.

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Tipo de Torre (Tower Type) Indique el tipo de torre de enfriamiento evaporativa. Ejemplo: Tiro Inducido con Flujo en Contracorriente. Referencias: Bases de Diseño del Proyecto, Lista de Equipos, DBP, DTI.

Cantidad Requerida (Quantity Required) Indique cuántas torres con la misma especificación son requeridas. Ejemplo: Dos (2). Referencias: Bases de Diseño del Proyecto, Lista de Equipos, DBP, DTI.

Tipo de Construcción (Construction Type) Indique si la torre será (por ejemplo): •

Construida en sitio (field erected).

•

Prefabricada (prefabricated).

Códigos Locales e Internacionales (Local and International Codes) Indique los códigos locales e internacionales para ser considerados en el diseño. Ejemplos: •

Cooling Technology Institute (CTI).

•

Hydraulic Institute, considerado cuando el diseño y/o suministro de la fosa de succión y de las bombas de agua de enfriamiento son alcance del vendedor de la torre.

Los códigos son indicados por la Disciplina de Procesos, Ingeniería Mecánica u otras. Si es requerido añada una pestaña adicional o indique los códigos en la sección de notas.

¿Se Adjunta un DTI (P&ID)? (S / N) (Is P&ID Attached? (Y / N)) Indique si un DTI está adjuntado a la HdD: S (Y) Î Sí (Yes), N Î No. Verifique en el alcance del Proyecto si el vendedor del equipo tiene que suministrar el DTI de la torre de enfriamiento.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO ¿Se Adjunta un Planto de Planta? (S / N) (Is Plot Plan Attached? (Y / N)) Indique si un plano de planta está adjuntado a la HdD: S (Y) Î Sí (Yes), N Î No. Suministrar el plano de planta es recomendable en las instalaciones existentes para que el vendedor sea informado de dónde se prevé instalar una nueva torre, véase la Sección 12.

Condiciones Ambientales (Environmental Conditions) •

Temperatura Mínima / Normal / Máxima del Aire (Minimum / Normal / Maximum Air Temperature): Indique los valores mínimo, normal y máximo de la temperatura del aire o los disponibles. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

•

Temperatura Mínima / Normal / Máxima de Bulbo Húmedo (Minimum / Normal / Maximum Wet Bulb Temperature): Indique los valores mínimo, normal y máximo de la temperatura del bulbo húmedo o los disponibles. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

•

Presión Barométrica Mínima / Normal / Máxima de Bulbo Húmedo (Minimum / Normal / Maximum Barometric Pressure): Indique los valores mínimo, normal y máximo de la presión barométrica o los disponibles. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

•

Humedad Relativa Mínima / Normal / Máxima (Minimum / Normal / Maximum Relative Humidity): Indique los valores mínimo, normal y máximo de la humedad relativa del aire o los disponibles. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

•

Velocidad Mínima / Normal / Máxima del Viento (Minimum / Normal / Maximum Wind Velocity): Indique los valores mínimo, normal y máximo de la velocidad del viento o los disponibles. Si existe un valor específico para el diseño

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO estructural, indíquelo o consulte a la Disciplina de Ingeniería Mecánica. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto. •

Viento Predominante, (S / N) / Dirección (Predominant Wind, (Y / N) / Direction): Indique si se dispone de información sobre el viento predominante: S (Y) Î Sí (Yes), N Î No; y la dirección. Ejemplo: NNE (Nornoreste) Referencias: Bases de Diseño del Proyecto, Planos de Planta.

•

Elevación del Sitio (Jobsite Elevation): Indique la elevación del sitio (por encima del nivel del mar) donde se instalará el equipo. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto.

•

Zona Sísmica (Sismic Zone): La Disciplina de Ingeniería Mecánica indica la zona sísmica para diseño del equipo.

•

Torres de Enfriamiento Cercanas (Distancia, Altura) (Nearby Cooling Towers (Distance, Height)): Indique si existen torres de enfriamiento existentes cercanas a la futura torre, véase la Sección 12. Referencia: Plano de Planta. Recomendación: adjunte el plano de planta, donde se identifican las torres existentes y la ubicación de la nueva, suministre también la hoja de datos y los planos mecánicos de la torre existente.

•

Se Requiere Diseño de la Piscina (Pileta) de Agua Fría? (S / N) (Cold Water Basin Design is Required? (Y / N)): Indique si el vendedor de la torre también debe diseñar la piscina (pileta) de agua fría. S (Y) Î Sí (Yes), N Î No. Consulte a las Disciplinas de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Civil para conocer el alcance del vendedor.

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o

Tiempo de Residencia entre LLL y NLL (Residence Time between LLL and NLL): Indique el tiempo de residencia considerado para el diseño de la piscina (pileta) de agua fría. Referencias: Sección 11.7 de este INEDON, Bases de Diseño del Proyecto.

•

Se Requiere Prueba de Desempeño/Garantía?, (S / N) / Código (Performance Test is Required?, (Y / N) / Code): Indique si se realizará una prueba de desempeño o de garantía, en la cual el vendedor asistirá. Consulte a la Disciplina de Ingeniería Mecánica para conocer el alcance del vendedor, generalmente la prueba es solicitada. Referencias: Sección 16 de este INEDON, Bases de Diseño del Proyecto.

•

Clasificación de Área (Area Classification): o

No Clasificada (S / N) (Non Classified (Y / N)): Si el área de instalación de la torre no es clasificada como peligrosa, es indicado por la Disciplina de Ingeniería Eléctrica. Las torres que usan agua fresca, agua de mar no generan un área no clasificada.

o

División / Grupo / Clase de Temp. (Division / Group / Temp. Class): Si existe clasificación de área peligrosa, la Disciplina de Ingeniería Eléctrica indica los valores correspondientes o el cambio del formato para uso de la normativa europea (Zonas en vez de Divisiones).

•

Flujo de Agua de Circulación (Circulation Water Flow Rate): Indique el flujo de agua de circulación a través de la torre de enfriamiento. Referencias: Bases de Diseño del Proyecto, Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento, Sección 13.1 de este INEDON.

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•

Calor Retirado (Heat Removed): Indique la cantidad de calor retirada del agua caliente por la torre Referencias: Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento, Sección 13.1 de este INEDON.

•

Temperatura del Agua Fría (Salida) (Cold (Outlet) Water Temperature): Indique la temperatura del agua fría que sale de la torre. Referencias: Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento, Secciones 12 y 13.1 de este INEDON.

•

Temperatura del Agua Caliente (Entrada) (Hot (Inlet) Water Temperature): Indique la temperatura del agua caliente que entra a la torre. Referencias: Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento, Secciones 12 y 13.1 de este INEDON.

•

Temperatura del Temperature):

Agua

de

Reposición

(Makeup

Water

Indique la temperatura del agua usada para reponer las pérdidas en la torre. Referencias: Bases de Diseño de Proyecto. •

Columnas Operación / Diseño / Otro Caso (Operating / Design / Other Case): Si existen flujos para operación, diseño u otro caso, el formato tiene varios campos que pueden ser usados. También pueden existir varios casos operacionales, por ejemplo: caso caliente, frío en función de la temperatura del agua caliente que entra a la torre; o por condiciones climáticas en el sitio, caso de verano e invierno. Referencias: Bases de Diseño del Proyecto, Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento.

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D)

Página 2: Suministrado por el Comprador – Característica del Agua (Purchaser Supplied – Water Characteristics) •

Características del Agua (Water Characteristics): El formato dispone de una amplia gama de propiedades físicoquímicas y sustancias que pueden estar presentes en el agua; indique las que estén disponibles en el análisis de agua (recomendablemente en el mismo orden), y elimine las sobrantes. Referencia: Bases de Diseño del Proyecto. La Fuente (Source) es solicitada como referencia de cuál puede ser la calidad del agua, por ejemplo, si la fuente es un río, no se espera que el contenido de cloruros sean altos, caso contrario para un agua de mar. La unidad de medición es mg/L, pero puede ser cambiada a la usada en el análisis de agua.

•

Columnas Circulación / Reposición / Otra (Circulation / Makeup / Other): Generalmente se indican las características del agua de reposición, la cual fue usada para llenar el sistema la piscina (pileta) de agua de fría y repondrá las pérdidas originadas por la evaporación, arrastre en el aire que sale de la torre y las purgas. Existen casos en los cuales se usa un tipo de agua diferente para la reposición que el agua de circulación. Ejemplo: una torre de enfriamiento puede operar normalmente con agua de mar; pero debido a problemas en la toma de agua de mar, se usa agua fresca (tratada) como agua de reposición. Si bien este es un caso extremo, es importante indicar la diferencia en las características del agua y si es posible, también el tiempo estimado que se usará esa agua de reposición.

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E)

Página 3: Datos Operacionales y Diseño Mecánico (Operating Data and Mechanical Design) La pestaña contiene dos columnas, una donde el Comprador (en este caso inelectra) coloca sus requerimientos y otra donde el Vendedor indica su propuesta o el valor real. El flujo de pérdidas por evaporación, por arrastre y de purgas tiene una unidad de medición de flujo volumétrico, esto es por conveniencia para sumar el flujo requerido de agua de reposición. Varios vendedores suministran las pérdidas por evaporación y por arrastre como un porcentaje del flujo de circulación. La información típicamente suministrada por la Disciplina de Ingeniería Mecánica no está descrita. •

Pérdidas por Evaporación para el Caso de Diseño (Evaporation Loss at Design Case): Indique las pérdidas estimadas por la evaporación del agua. Referencias: Memoria de Cálculo, Sección 13.2 de este INEDON.

•

Pérdidas por Arrastre para el Caso de Diseño (Drift Loss at Design Case): Indique las pérdidas estimadas debido al arrastre de gotas de agua en el aire que sale de la torre. Referencias: Memoria de Cálculo, Sección 13.2 de este INEDON.

•

Purga para el Caso de Diseño (Blowdown at Design Case): Indique las pérdidas estimadas debido a las purgas. Referencias: Memoria de Cálculo, Sección 13.2 de este INEDON.

•

Agua de Reposición para el Caso de Diseño (Makeup Water at Design Case): Indique el flujo total estimado del agua requerida para reposición. Referencias: Memoria de Cálculo, Sección 13.2 de este INEDON.

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•

Característica de la Torre (L/G) (Tower Characteristic (L/G)): Se solicita el vendedor suministre el valor de L/G.

•

Número de Ciclos de Concentración (Number of Concentration Cycles): Indique el número de ciclos de concentración considerado para estimar el flujo de agua de purga. Referencias: Memoria de Cálculo, Sección 13.2 de este INEDON.

•

Presión de Agua Caliente en el Límite de Batería (Pressure of Hot Water at Battery Limit): o

Disponible por el Comprador (Available by Purchaser): Indique la presión disponible del agua caliente que entrará en la torre en el límite de batería establecido para el alcance del fabricante, por ejemplo, la brida de conexión, la cual puede estar a nivel del suelo o elevada. Referencias: Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento.

o

Requerido por el Vendedor (Required by Vendor): Existe la posibilidad que el vendedor solicite explícitamente una presión del agua caliente en el límite de batería y por tal motivo, el sistema de agua de enfriamiento tenga que ser ajustado, por ejemplo, un aumento en la presión de descarga de las bombas del sistema o cambios en el diámetro de las líneas.

•

Penacho Visible, S / N (Visible Plume, Y / N): Se solicita el vendedor si el penacho será visible o no.

•

Entrada de Agua Caliente (Hot Water Inlet): o

Cantidad (Quantity): El formato deja que el vendedor defina la cantidad de entradas, si no se tiene información detallada. Referencias: Memoria de Cálculo del Sistema de Enfriamiento.

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o

Diámetro Nominal (Nominal Diameter): El formato deja que el vendedor defina el diámetro nominal, si no se tiene información detallada. Referencias: Memoria de Cálculo

o

Tipo / Libraje (Type / Rating): Indique el tipo de conexión de la brida y el libraje según la especificación de materiales del Proyecto. Consulte a la Disciplina de Diseño Mecánico.

F)

Páginas 4 y 5: Diseño y Equipos Mecánicos (Design and Mechanical Equipment) La información de estas páginas es típicamente suministrada por la Disciplina de Ingeniería Mecánica.

G)

Página 6: Notas Generales (General Notes) El formato incluye algunas notas y se pueden añadir otras por parte de las Disciplinas involucradas en la elaboración de la HdD.

H)

Página 7: Requerimientos Generales (General Requirement) Esta página permite añadir requerimientos de diseño, mantenimiento, instrumentación, etc. y la solicitud de documentos y planos que se esperan del vendedor y no están indicados ni solicitados anteriormente.

I)

Página 8: Esquema (Scheme) El esquema del formato es básico y tiene las siguientes consideraciones:

o

Se muestran varias celdas con el propósito de mostrar también la distribución de flujo hacia cada celda.

o

Se muestra usualmente una bomba centrífuga horizontal para el suministro de agua de enfriamiento; definición de la cantidad, tipo y ubicación no es alcance de este INEDON.

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o

15.2.

Los tipos y cantidad de los paquetes de inyección de químicos dependen del tratamiento requerido para el agua, y generalmente no están dentro del alcance del vendedor de la torre.

Elaboración de la Hoja de Datos El INEDON “Diseño y Especificación de Equipos”, N° 903-P3100-P09-ADM906, muestra el procedimiento para la elaboración y revisión de las HdD según el Sistema de Gestión de la Calidad de inelectra.

16.

PRUEBA DE DESEMPEÑO Generalmente se solicita una prueba de desempeño o de garantía para verificar el funcionamiento de las torres de enfriamiento. La especificación más común es el CTI Boletín ATC-105 (Acceptance Test Code for Water Cooling Towers); pero éste no está disponible en la suscripción de normas internacionales. Si se requiere información sobre cómo es la prueba de desempeño, se recomienda revisar el código de prueba ASME PTC 23 “Atmospheric Water Cooling Equipment” [1] y la siguiente página en internet de la empresa SPX Cooling Technologies.

17.

EVALUACIÓN DE EQUIPOS EXISTENTES

17.1.

Programa para Evaluación Termodinámica La Unidad de Procesos dispone de un programa que permite evaluar, de manera indirecta, el desempeño termodinámico de una torre de enfriamiento; dicho programa es Thermoflex de la empresa Thermoflow, Inc. Sin embargo, una evaluación rigurosa es consultada con el vendedor de la torre, sobre todo si la evaluación considera aspectos como cercanía con otras torres, la recirculación del aire que sale de la torre, cambio de los internos y de la característica del agua. La Figura 28 muestra un ejemplo de los resultados gráficos de Thermoflex y obtenidos para un ejemplo.

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Figura 28. Ejemplo de resultados gráficos de una torre de enfriamiento en Thermoflex. 17.2.

Información Requerida La información mínima requerida para la evaluación de una torre de enfriamiento es:

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18.

A)

La hoja de datos o el plano mecánico del fabricante en la emisión “como construido” o “conforme a obra”. Si inelectra realizó la Ingeniería de Detalle de la instalación, verifique si se dispone del documento en el archivo del Proyecto de dicha ingeniería; en el caso contrario, el documento es solicitado al Cliente.

B)

Nuevas condiciones de operación, por ejemplo, temperaturas y el flujo del agua de circulación.

C)

Bases y Criterios de Diseño del Proyecto. Se requiere el documento del Proyecto original (en el cual se especificó la torre existente) y del nuevo Proyecto, si los documentos son diferentes. La comparación de los documentos permite conocer si los criterios fueron modificados.

D)

Confirmación si los niveles de líquido de la piscina (pileta) de agua fría, usados para control y el ESD, son los mismos que los configurados en la sala de control. El Cliente puede haber cambiado los niveles originales por conveniencia y el cambio puede no haber sido oficializado en algún documento.

REFERENCIAS Leyenda de la ubicación de las referencias:



Biblioteca de Especializada de inelectra.



Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de global de inelectra.



Subscripción IHS a través del enlace de Normas Internacionales de la Biblioteca de Especializada.

[1]

ASME PTC23-2003. Atmospheric Performance Test Code. 

[2]

GPSA. Section 11 – Cooling Towers. Volume II. 11th Edition – FPS, 1998.

[3]

Hydraulic Institute 9.8-1998. American National Standard for Pump Intake Design.

[4]

NFPA 214. Standard on Water-Cooling Towers. 2005 Edition. 

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Water

Cooling

Equipment.

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[5]

Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th Edition. McGraw-Hill. 2007.

[6]

SPX Cooling Technologies, Inc. Cooling Tower Fundamentals. Second Edition. 2006. 

[7]

Walas, Stanley M, Chemical Process Equipment – Selection and Design, Butterwoth-Heinemann, EEUU, 1990.

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ANEXO 1 – EJEMPLO

DE

CÁLCULO

PARA

LAS VARIABLES BÁSICAS

(903-HM120-P09-GUD-076-1.xls)

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ANEXO 2 – IMPUREZAS

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EN EL

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AGUA

DE

ENFRIAMIENTO

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Impureza

Composición química

Dificultades causadas

Tratamiento básico - Agua de reposición ablandada con cal y/o zeolita. - Control de pH. - Purga del agua de circulación.

Dureza

Sales de calcio y magnesio expresadas como CaCO3

Incrustaciones en las superficies de transferencia de calor

Alcalinidad

Sales de bicarbonato expresadas como CaCO3

- Agua de reposición Forma incrustaciones desalcalinizada. de carbonato de calcio y ataca a la madera. - Control de pH. - Dispersantes. - Purga del agua de circulación.

Sulfato

Iones de sulfato (SO4−)

Reacciona con el calcio presente en el agua formando depósitos de sulfato de calcio en los intercambiadores de calor.

- Remoción del calcio (agua blanda). - Purga para el control de los sólidos disueltos.

Cloruros

Iones de cloruro (Cl−)

Aumenta el contenido de sólidos disueltos e incrementa el potencial de corrosión.

Purga para el control de los sólidos disueltos.

Silicio

Silicio reactivo (SiO2)

Reacciona con el calcio, magnesio, hierro presentes en el agua, formando depósitos de silicatos.

- Disminución de la dureza con cal caliente. - Purga para control de la concentración.

Aceite

Hidrocarburos

- Forma acumulaciones y limos biológicos - Ensuciamiento las superficies de transferencia de calor

- Adición de dispersantes con una purga de flujo alto. - Corregir las posibles fugas de hidrocarburo en los equipos que tiene contacto con el agua.

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Composición química

Dificultades causadas

Tratamiento básico

Amoníaco

Ion de amonio (NH4+)

- Purga. - Corrosión de - Corregir las fugas en aleaciones de zinc y los equipos de cobre. procesos. - Forma un ión complejo - Cloración. con los componentes de zinc en los inhibidores de corrosión, volviéndolos inefectivos. - Consumo excesivo de cloruro.

Sólidos disueltos

(Varios)

- Disminución de la Altas concentraciones dureza con cal. pueden causar - Purga para control de corrosión e incrementa la concentración. el potencial para que las sales se precipiten de la - Dispersantes. solución y formen incrustaciones en las superficies de transferencia de calor.

Sólidos suspendidos

(Varios)

- Se depositan en áreas - Pretratamiento del agua de reposición de baja velocidad del (coagulación, agua, lo que puede filtración, etc.). originar - Filtración de una taponamientos. porción del agua - Se depositan en los recirculada. equipos de intercambio de calor. - Incrementan el crecimiento biológico y el ensuciamiento.

Oxigeno y Dióxido de carbono

O2 y CO2

Corrosión generalizada - Adición de inhibidores de corrosión. y picadura en las bombas, líneas, tubos - Control de pH. de los intercambiadores de calor y prácticamente todas las superficies metálicas.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO Impureza

Composición química

Dificultades causadas

Tratamiento básico

Algas, bacterias, hongos, etc.

(Varios)

Crecimiento biológico y depósitos de limo.

Gases ácidos

H2S, SO2, etc.

- Cloración. Corrosión del acero al carbono y aleaciones de - Adición de inhibidores. cobre

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Adición de biocidas.

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ANEXO 3 – FORMATO DE LA HOJA DE DATOS PARA LAS TORRES ENFRIAMIENTO EVAPORATIVAS DE TIRO MECÁNICO

DE

(903-HM120-P09-GUD-076-3.xls)

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