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TORRES DE ENFRIAMIENTO, PARTE 2: Operación, Monitoreo y Mantenimiento Las plantas de proceso a menudo usan torres de enfriamiento por evaporación para rechazar el calor a la atmósfera. Este artículo explica los conceptos básicos del funcionamiento eficiente de una torre de enfriamiento. La mayoría de las torres de enfriamiento de proceso están recirculando sistemas de evaporación que enfrían y reutilizan el agua caliente. La mayoría de las torres de enfriamiento de proceso están recirculando sistemas de evaporación que enfrían y reutilizan el agua caliente. Algunos son sistemas de un solo paso que descargan agua caliente a una cuenca o instalación de tratamiento de aguas residuales. Otros están abiertos, distribuyendo agua caliente desde el proceso hacia abajo a través de las boquillas hasta el relleno, que puede ser relleno de película o relleno de salpicadura. Ambos tipos son importantes para la industria de procesamiento químico porque logran temperaturas de agua significativamente más bajas que las torres de enfriamiento con circuito cerrado o con refrigeración por aire. En este artículo se analiza la operación y el mantenimiento adecuados de las torres de enfriamiento, que son fundamentales para mantener la confiabilidad del equipo y la capacidad de producción de la planta. (Un artículo complementario en la edición de agosto de 2009, págs. 51–54, cubrió la ubicación, selección y tamaño de las torres de enfriamiento evaporativas). Operación Las torres de enfriamiento de proceso típicamente operan continuamente; la excepción es una unidad que atiende las demandas estacionales, como enfriar las aguas residuales en el verano. Los fabricantes describen las torres de enfriamiento por enfoque y alcance: • enfoque: la diferencia entre la temperatura del agua refrigerada (suministro) y la temperatura del bulbo húmedo del aire que ingresa. • rango: la diferencia entre las temperaturas del agua que ingresa a la torre (retorno) y el agua que sale de la torre (suministro). La eficiencia de la torre de enfriamiento, μ, es una función de la temperatura del bulbo húmedo y las temperaturas del agua de entrada y salida de la torre: μ = (ti – to) / (ti – twb) × 100 (1) Donde μ es la eficiencia de la torre de enfriamiento (%), ti es la temperatura de entrada del agua a la torre, a es la temperatura de salida del agua de la torre, y twb es la temperatura del aire del bulbo húmedo (todas las temperaturas están en ºC o ºF ). La temperatura del bulbo húmedo es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente a saturación a presión constante por evaporación de agua, con todo el calor latente suministrado por el volumen de aire. Es la temperatura a la que el aire está saturado con vapor de agua y, por lo tanto, está relacionado con la humedad absoluta. La máxima eficiencia de la torre de enfriamiento está limitada por la temperatura del bulbo húmedo del aire de enfriamiento. Operar una torre de enfriamiento requiere ajustar la velocidad del ventilador y el flujo de agua para optimizar el sistema hidráulico y el flujo de aire. Las torres de enfriamiento industrial generalmente tienen una temperatura de aproximación entre 10ºF y 15ºF (5.5ºC – 8.5ºC) y una eficiencia entre 70% y 75%. La torre de enfriamiento siempre debe operar a la temperatura de aproximación; si no se cumple con esta temperatura de aproximación, se desperdicia energía e indica un problema operacional, mecánico o de diseño. Muchas plantas experimentan una capacidad de enfriamiento insuficiente durante las condiciones pico de verano, a menudo debido a una carga térmica excesivamente alta. Es común que las plantas aumenten la capacidad de producción y la carga térmica sin expandir

la torre de enfriamiento, y luego compensen con acciones tales como colocar mangueras de agua de enfriamiento en el exterior del intercambiador de calor, lo cual es contraproducente y aumenta la capacidad de enfriamiento. En muchos casos, el alquiler de una torre de enfriamiento adicional puede acomodar la carga de enfriamiento adicional. Las torres de enfriamiento evaporan el agua, concentrando los contaminantes solubles en el agua que queda atrás. Los expertos en tratamiento de agua han establecido límites operativos seguros para las concentraciones de estos contaminantes solubles. Para cumplir con estos límites, los operadores alimentan aditivos químicos para controlar la corrosión, incrustaciones y incrustaciones microbiológicas, y eliminan una parte del agua de refrigeración del sistema (conocida como purga). Se agrega agua fresca con una concentración mucho menor de contaminantes solubles para reemplazar la purga, diluyendo el agua de enfriamiento concentrada. Los operadores deben optimizar el volumen de agua de refrigeración extraída del sistema para garantizar el uso mínimo de agua y la máxima confiabilidad del sistema. Un ajuste a menudo, pasado por alto, pero simple, que se puede hacer para evitar una reducción en la eficiencia de la torre es evitar que el agua inunde la cubierta superior de la torre y ocasionar la pérdida de agua en el lateral de la torre. Esto implica que un operador suba a la parte superior de la torre y ajuste manualmente las válvulas en el cabezal de distribución para asegurar una distribución uniforme del agua a través de la cubierta. Es importante ejercer la válvula de control de flujo manual en todo su rango antes de configurar la posición de la válvula. Los motores grandes montados en la plataforma conducen a los ventiladores que controlan el flujo de aire a través de la torre. Las unidades de velocidad variable tienen menores costos de energía eléctrica que las unidades de velocidad constante y son altamente deseables para modular la temperatura del agua a través de un ajuste de la velocidad del ventilador para cumplir con la temperatura de aproximación requerida. En ausencia de unidades de velocidad variable, los operadores deben apagar los ventiladores en el invierno para evitar el enfriamiento excesivo del proceso y, en climas más fríos, minimizar la formación de hielo en los eliminadores de deriva. Debido al riesgo de daños en los engranajes y cojinetes, los ventiladores nunca deben funcionar en reversa para deshielo, a menos que el manual de operación del fabricante del equipo original (OEM) permita específicamente esta práctica. Algunas plantas remueven una sola fila de boquillas en el perímetro de la plataforma para formar una "pared de agua", que reduce el rociado de agua que hace que se forme hielo en los eliminadores de deriva. Los diseñadores de torres de enfriamiento especifican el paso de las aspas del ventilador para obtener el flujo de aire requerido y evitar una condición de operación altamente ineficiente llamada estancamiento. Al igual que el principio de funcionamiento detrás de las alas de un avión, las aspas del ventilador en condición de pérdida no tienen sustentación, que se crea cuando la velocidad del aire que se mueve a través de la parte inferior de la aspa es mayor que en la parte superior de la aspa. Algunas configuraciones de torre pueden permitir la instalación de aspas de ventilador de mayor inclinación y / o el funcionamiento del ventilador a velocidades más bajas después de la puesta en servicio para aumentar el flujo de aire y la capacidad de enfriamiento de la torre. Aunque cambiar el paso de la pala del ventilador generalmente requiere cambiar el eje de transmisión e instalar un motor de accionamiento con ventilador con una potencia más alta, estas modificaciones del sistema de ventilador pueden aumentar la capacidad de enfriamiento lo suficiente para evitar un proyecto de expansión de la torre más costoso. Además del bloqueo, los ventiladores son vulnerables al daño por vibración de las palas desequilibradas. Los sensores de vibración deben montarse en el eje impulsor (no en la línea de suministro de aceite) para advertir de una falla inminente del ventilador. Las fuerzas centrífugas de las aspas del ventilador pueden causar daños catastróficos en caso de fallas y presentar un problema de seguridad para el personal de la planta. La torre de enfriamiento siempre debe operar a la temperatura de aproximación; si no se cumple con esta temperatura de aproximación, se desperdicia energía e indica un problema operacional, mecánico o de diseño. Las bombas centrífugas instaladas a nivel o en una plataforma elevada adyacente a la torre transfieren el agua refrigerada de la cuenca de la torre al suministro de la planta. La mayoría de las plantas tienen al menos una bomba de repuesto instalada. En el pasado, las plantas utilizaban unidades de turbina en las bombas debido a la falta de fiabilidad de la red eléctrica, ya que la pérdida de agua de refrigeración podría causar daños catastróficos. Con el tiempo, la confiabilidad de la red eléctrica ha mejorado, y las plantas han reemplazado gradualmente las costosas unidades de turbina en las bombas con unidades eléctricas. Los filtros de corriente lateral en algunas torres de refrigeración eliminan los sólidos suspendidos del agua de refrigeración recirculante. Estos filtros deben procesar el agua fría de las bombas y descargar por gravedad en el sumidero; nunca deben filtrar el agua caliente (retorno). La capacidad típica de los filtros de flujo lateral es del 1% del caudal de recirculación. A pesar de la pequeña

porción de flujo, los filtros de corriente lateral eliminan los sólidos suspendidos que formarían depósitos a los que podrían adherirse bacterias sésiles (por ejemplo, lodo) y aumentar el riesgo de corrosión por debajo del depósito. Prácticas de monitoreo Las instalaciones de proceso necesitan monitorear el funcionamiento mecánico de la torre de enfriamiento y la química del agua de enfriamiento. La mayoría de las plantas utilizan un sistema de control centralizado para monitorear y controlar las bombas y ventiladores de recirculación. Sin embargo, no hay sustituto para la inspección visual de rutina de este equipo. Los operadores deben realizar inspecciones semanales de la torre, verificando la integridad de la estructura, las pantallas de la bomba para detectar la presencia de escombros, el aspecto del agua de refrigeración en la cuenca y el rendimiento del equipo giratorio (por ejemplo, bombas, ventiladores). La química adecuada del agua de refrigeración protege contra la corrosión, la deposición y el ensuciamiento microbiológico de las superficies de transferencia de calor en los intercambiadores de calor. Los operadores toman muestras del agua de refrigeración una o dos veces al día y realizan ajustes en las velocidades de alimentación y de purga de químicos para el tratamiento del agua. Muchas plantas han automatizado la purga utilizando un medidor de conductividad en línea en la devolución y el solenoide. Válvulas moduladoras controladas. Algunas plantas cuentan con alimentación química automatizada utilizando analizadores en línea, controladores de derivada integral (PID) y bombas dosificadoras. Los sistemas de alimentación automatizados más comunes son para ácido (para control de pH) y cloro (para control de incrustaciones microbiológicas). El suministro de ácido puede usar una sonda de pH en línea con un sistema de suministro por presión o por presión. El sistema de alimentación presurizada representa un riesgo mayor para la seguridad del personal en caso de fugas, mientras que el sistema de gravedad requiere un ajuste más frecuente a medida que la presión de la cabeza en los tanques de almacenamiento de ácido cambia debido al cambio de inventario. Se debe usar un canal deflector para diluir el ácido antes de que ingrese al circuito de agua de enfriamiento, ya que la alimentación de ácido concentrado y denso directamente a la cuenca de la torre de enfriamiento puede dañar el piso de concreto de la cuenca. Hay disponibles dos tipos de analizadores en línea para automatizar la alimentación de cloro: un medidor de potencial de reducción de la oxidación (ORP) y un analizador de cloro. El medidor de ORP mide la resistencia a la oxidación del cloro y cualquier otro compuesto oxidante en el agua, y requiere un ajuste para cumplir con los requisitos de cada sistema. Los analizadores de cloro requieren un mantenimiento considerablemente mayor, pero proporcionan una medición directa de la concentración de cloro. La automatización de los productos químicos especializados para el control de depósitos y corrosión requiere soluciones más complejas, como los productos químicos con etiqueta fluorescente o los algoritmos de control de flujo de avance. Este cupón de acero al carbono se ha corroído durante la exposición al agua de refrigeración en un bastidor de derivación.

Un bastidor de cupones de corrosión de derivación es el método más común para evaluar el riesgo de corrosión La prueba más común para controlar las bacterias se conoce como prueba de paleta, que mide las bacterias planctónicas aeróbicas en el agua de enfriamiento a granel. Este dispositivo de prueba consiste en una pieza rectangular de plástico cubierta con medio de nutrientes de agar. El operador sumerge la paleta en una muestra de agua de enfriamiento e incuba la muestra a temperatura ambiente o elevada durante 24–72 h. El resultado de la prueba se obtiene contando el número de colonias, que aparecen como puntos, en la paleta y convirtiendo el número en una medida poblacional de unidades formadoras de colonias por mililitro de agua (CFU / mL). Los métodos de prueba semicuantitativos que miden las bacterias anaeróbicas son muy útiles para caracterizar la necesidad de biocidas no oxidantes, especialmente durante las fugas del proceso. Las pruebas de reacción de actividad biológica (BART) pueden estimar el tamaño de las poblaciones de bacterias reductoras de azufre, desnitrificantes, reductoras de hierro y baba. Los métodos del trifosfato de adenosina (ATP) son más nuevos y pueden medir bacterias vivas y muertas individualmente o en combinación; sin embargo, no miden las poblaciones de bacterias y, a menudo, no se correlacionan con los resultados de las pruebas de paletas. Las plantas a veces usan métodos de ATP para complementar los resultados de las pruebas de paletas, rastrear la eficacia de los biocidas o evaluar la efectividad de un procedimiento de esterilización luego de la detección de la bacteria legionella. El control inadecuado de las poblaciones de bacterias en el agua de refrigeración puede tener consecuencias fatales si existen varias condiciones: la población microbiológica incluye la especie legionella pneumophilus, la torre emite deriva y las personas vulnerables están expuestas a la deriva y las bacterias. El Instituto de Tecnología de Enfriamiento (CTI) emitió una guía (www.cti.org) para reducir la legionella en sistemas de agua de enfriamiento. Esta guía prescribe las mejores prácticas para monitorear y controlar las poblaciones microbiológicas (incluida la legionella) y las acciones correctivas para enfriar los circuitos de agua que dan positivo para detectar bacterias. CTI está convirtiendo esta guía en un estándar programado para su lanzamiento en 2010. El conocimiento del riesgo de infecciones por legionelosis causadas por torres de enfriamiento industrial ha aumentado la importancia de minimizar el volumen de lodo acumulado en la cuenca; este lodo adsorbe los aditivos químicos y aumenta los costos del tratamiento químico, y puede incubar bacterias, incluida la legionella. El monitoreo de la química del agua es una parte importante del mantenimiento confiable de la torre y del equipo de transferencia de calor. Sin embargo, los monitores de estado del sistema, como los cupones de corrosión y los intercambiadores de calor modelo, proporcionan mejor información sobre la confiabilidad del sistema. Los cupones de corrosión (Figura 1) montados en un bastidor de derivación son el método más común para evaluar el riesgo de corrosión. La Figura 2 muestra un bastidor de derivación que aloja cuatro cupones; La otra configuración común tiene capacidad para dos cupones. Los cupones deben orientarse verticalmente utilizando la marca en la parte exterior del soporte del cupón como guía.

Los cupones de corrosión no son modelos perfectos de la corrosión que se produce en un intercambiador de calor porque los cupones generalmente no están pasivos y no experimentan transferencia de calor. Sin embargo, la mayoría de las plantas tienen experiencia con los cupones de corrosión y han establecido fuertes correlaciones entre los resultados de los cupones y la confiabilidad del sistema. Los cupones fabricados con aleaciones idénticas a las superficies de transferencia de calor del intercambiador de calor proporcionan los mejores resultados. Los intercambiadores de calor modelo proporcionan la mejor información sobre el rendimiento de los productos químicos de tratamiento de agua. Sin embargo, el costo y la complejidad de instalar el dispositivo en un circuito de derivación del circuito de agua de refrigeración de la planta son altos. Los usos típicos de los intercambiadores de calor modelo incluyen la solución de problemas de un intercambiador individual y la evaluación de un nuevo programa de tratamiento químico. Finalmente, para minimizar el daño potencial a los intercambiadores de calor y las violaciones de las regulaciones ambientales, las plantas deben tener procedimientos para detectar fugas en el proceso. En los EE. UU., La Agencia de Protección Ambiental ha impuesto estrictos límites de tiempo para la corrección de las emisiones no controladas o fugitivas de las torres de enfriamiento. Las fugas en el proceso generalmente causan condiciones corrosivas y aumentos rápidos en las poblaciones microbiológicas, lo que aumenta el riesgo de contaminación por bacterias de Legionella. Los instrumentos de mano y en línea se utilizan para detectar contaminantes de hidrocarburos ligeros en el agua de refrigeración. Mantenimiento El problema de mantenimiento más crítico es proteger la integridad de los equipos rotativos. Las bombas, los cojinetes del ventilador y las cajas de engranajes del ventilador requieren lubricación de rutina y la acción correctiva inmediata en caso de que los sensores de vibración registren lecturas altas. Idealmente, el motor del ventilador tendrá un interruptor de corte automático con un restablecimiento local para garantizar que los operadores observen el funcionamiento del ventilador después de un evento de alta vibración. La pérdida de un ventilador comprometerá gravemente la capacidad de refrigeración. Para evitar la pérdida de producción, la planta debe tener planes de contingencia para alquilar una torre de enfriamiento en caso de que un ventilador falle durante las condiciones de funcionamiento máximas. Las inspecciones deben verificar que no haya fugas de aceite en las cajas de engranajes del ventilador, además de arriesgarse a fallar la caja de engranajes, las fugas de aceite contaminan el agua de refrigeración y aumentan el riesgo de crecimiento microbiológico. La mayoría de las torres tienen dos juegos de pantallas en los compartimientos de entrada de la bomba de suministro para proteger los impulsores de la bomba contra daños causados por escombros. Estas pantallas se deben limpiar de forma rutinaria y se deben instalar elevadores de polea de manera inteligente para simplificar la limpieza y el reemplazo de las pantallas. El compartimiento de la bomba debe tener un borde que asiente la pantalla en la parte inferior del compartimiento para evitar que los residuos acumulados ingresen a la entrada de la bomba durante el reemplazo de la pantalla. La integridad estructural de la torre de enfriamiento es crítica para la confiabilidad del sistema, la conservación del agua y el rendimiento térmico. La integridad estructural de la torre de enfriamiento es crítica para la confiabilidad del sistema, la conservación del agua y el rendimiento térmico. Por lo tanto, cualquier daño debe ser reparado rápidamente. El relleno dañado, las boquillas rociadoras faltantes o dañadas, y los paneles faltantes en la estructura de la torre o las pilas de ventiladores comprometen la eficiencia térmica de la torre. Muchas plantas programan el mantenimiento estructural durante las vueltas; sin embargo, un daño estructural severo requiere reparación inmediata para prevenir la falla catastrófica de la torre. El mantenimiento del filtro de la corriente secundaria debe ser una alta prioridad porque es una parte importante de minimizar la tasa de acumulación de lodo en la cuenca, minimizando así el riesgo de bacterias legionella en torres de enfriamiento industrial. Los filtros de corriente lateral suelen ser recipientes a presión de acero al carbono sin revestimiento y requerirán pruebas e inspecciones periódicas. Si bien estos filtros brindan muchos beneficios, entre ellos la reducción de la concentración de sólidos en suspensión en el agua de enfriamiento, la tasa de acumulación de lodos y el riesgo de poblaciones de bacterias altas, su valor económico es difícil de medir. Como resultado, también es difícil determinar un valor persuasivo de retorno de la inversión para instalar filtros de flujo lateral en sistemas de torres existentes. La línea de fondo El personal de la planta desempeña un papel importante en el mantenimiento de una operación eficiente y confiable de los circuitos de agua de refrigeración. Los sistemas de agua de enfriamiento a menudo tienen una prioridad más baja que las unidades de proceso para monitoreo y mantenimiento. Sin embargo, la operación ineficiente o la falla de estos sistemas aumenta los costos operativos y muchos causan pérdida de producción.