1.1 Definición

Les torres de refrigeració són exclusivament dispositius de conservació i de recuperació d'aigües de refrigeració de processos.

Es basen en el refredament que experimenta l'aigua quan se n'evapora una petita quantitat, en ser polvoritzada en l'aire.

La capacitat de refredament de la torre és directament proporcional a la superfície de contacte aire-aigua i al temps de contacte.

1.2 Principis de funcionament

Quan una gota d'aigua entra en contacte amb l'aire, es produeix l'evaporació de la pel·lícula exterior de la gota. Per a aquest procés és necessària l'absorció de calor. L'evaporació consumeix aproximadament un 1% del cabal total d'aigua per cada 7º C de reducció de la seva temperatura.

La calor requerida per a l'evaporació es pren de la mateixa gota que, conseqüentment, es refreda. Per tant, el refredament es realitza tant per transferència de calor sensible (canvi de temperatura) com de calor latent (canvi d'estat físic).

De tota la calor transferida de l'aigua a l'aire, la calor latent de vaporització suposa freqüentment més del 90%. Únicament un 10% correspon a calor sensible de disminució de la temperatura de l'aigua.

L'objectiu que es persegueix a la torre és que la gota estigui el major temps possible en contacte amb l'aire, fet que s'assoleix amb:

• Una alçada de torre adequada.
• Interposant obstacles (rebliment), que alenteixen el seu avanç i al mateix temps la van fragmentant, per augmentar la superfície de contacte aire-aigua. Aquesta fragmentació es coneix com a “salpiqueo” o esquitx.

En els sistemes més moderns, el rebliment provoca la formació d’una pel·lícula molt prima d'aigua, en lloc de provocar l’esquitx de gotes.

1.3 Classificació

Les classificacions són múltiples en funció del criteri escollit (tipus de flux, forma, circuit tancat o obert, etc.) però distingirem principalment els tipus següents, atenent al tipus de tir del corrent d'aire:

1) Torres de tir mecànic:

En aquestes torres, un o més ventiladors s’encarreguen de moure l’aire. Si es col·loquen a l'entrada de l'aire, s’anomenen torres de tir forçat, mentre que si se situen a la sortida de l'aire, s’anomenen torres de tir induït.

Sistemes mecànics s’encarreguen de moure els ventiladors, que generalment inclouen reductors, eixos de transmissió i motor elèctric.

Si l'aire circula de forma paral·lela al flux d'aigua i en sentit contrari, es tracta de torres de flux a contracorrent, mentre que si circula de forma perpendicular (horitzontal), es tracta d'una torre de flux creuat.

Les torres de flux creuat sempre són de tir induït.

L'aigua circula amb un flux descendent.

Les unitats es poden col·locar una al costat de l’altra, en línia o agrupades per la part posterior (esquena amb esquena).

Aquest tipus de torres s'utilitza generalment per a cabals petits o mitjans.

2) Torres de tir natural:

L'aire es mou en sentit ascendent per efecte xemeneia, sense consumir cap tipus d'energia per impulsar-lo.

Són particularment segures en el seu funcionament i, generalment, s'empren per al refredament de grans cabals d'aigua.

La carcassa tanca el sistema de distribució d'aigua i el rebliment d'intercanvi, el que li dóna una aparença compacta.

Fora d'aquesta classificació trobem unes torres de característiques especials:

A. Torres híbrides:

Aquest tipus de torres es caracteritzen perquè se n’elimina el plomall (columna de vapor condensat que surt de la xemeneia), se’n redueix lleument el consum d'aigua i no presenten impacte visual.

B. Torres modulars:

Estan construïdes amb materials plàstics i, per tant, no existeixen parts susceptibles d’oxidar-se en contacte amb l'aigua.

Són lleugeres i es poden transportar muntades, i així poden es col·locar fàcilment (per exemple, en una terrassa).

Poden dur la bassa incorporada i els seus grups mecànics s’han dissenyat especialment per reduir el manteniment al mínim.

2.1 Poden dur la bassa incorporada i els seus grups mecànics s’han dissenyat especialment per reduir el manteniment al mínim.

Calor sensible: és la calor que s'empra per variar la temperatura d'un cos, en aquest cas de l’aigua. Està relacionada amb la calor específica, que en el cas de l'aigua líquida és d’1 kcal/kg º C.

Calor latent: és la calor emprada per produir un canvi d'estat en un cos, com per exemple la vaporització de l'aigua, la calor latent de vaporització de la qual és de 540 kcal/kg (a 100º C).

2.2 Glossari de termes

Cel·la: és la subdivisió més petita d'una torre de refrigeració que pot funcionar de manera independent. Està limitada per panells o particions.

Rang: és la diferència entre les temperatures de l'aigua calenta i l'aigua freda, és a dir, a l'entrada i a la sortida de la torre de refrigeració.

Temperatura del bulb humit: és la temperatura teòrica de l'aigua freda que es pot assolir amb una torre d'alçada infinita.

Aproximació: és la diferència entre la temperatura de l'aigua freda i la temperatura del bulb humit.

Capacitat: és el cabal màxim d'aigua (en m3/h) que pot gestionar una torre de refrigeració per a un rang específic, una temperatura de bulb humit i una aproximació determinada.

3.1 Equipo mecánico

La part mecànica de la torre és la responsable d'impulsar l'aire a través de la instal·lació. Consta de:

Motor elèctric: Subministra la potència necessària al ventilador.

Fletxa de transmissió: Transmet el moviment del motor al reductor de velocitat. Es fabrica en acer galvanitzat, en acer inoxidable o en fibra de carboni.

Reductor de velocitat: Dispositiu format per engranatges i fregaments la missió dels quals és reduir les revolucions del motor elèctric segons els requeriments de velocitat del ventilador.

Ventilador: Impulsa l'aire a través del rebliment en torres de tir mecànic, amb la qual cosa compensa la caiguda de pressió de l'aire a través de la torre. Es fabrica amb aspes d'alumini o de resina de polièster reforçat amb fibra de vidre.

Interruptor de vibració.

Suport: Sustenta físicament tot l'equip mecànic.

3.2 Sistema de distribució

Agrupa tots els elements relacionats amb la distribució del flux d'aigua. Està integrat per:

Dipòsit d'aigua calenta. Situat a la part superior de la torre.

Vàlvula de control de flux. Regula l'alimentació d'aigua calenta i es controla manualment.

Capçal de distribució. Tub principal que condueix l'aigua a cada cel·la o a la canonada de distribució de cada cel·la.

Panell d'orificis de distribució. Dispositiu utilitzat per convertir en gotes el flux de circulació i distribuir de manera uniforme l'aigua sobre l'àrea humida en torres de flux creuat.

Broquets trencadors de raig. S'utilitzen per distribuir l'aigua per la part superior en torres de flux a contracorrent. Subministren l'aigua en forma de rosada si és a pressió, o en forma de raig si és per gravetat.

Xemeneia o venturi. Construïda de ciment o fibra de vidre. Al seu interior s'allotgen les cel·les.

Persianes o louvers. Encaixos instal·lats a les entrades d'aire de la torre per eliminar l’esquitx d'aigua.

Rebliment. Part del sistema intern de la torre que pot consistir en barres d’esquitx o en fulls verticals de diferents configuracions destinat a millorar el contacte entre aire i aigua. Els materials utilitzats són la fusta, el PVC i el polipropilè.

Eliminadors de rosada. Encaixos fabricats de fusta, PVC o metall, dissenyats per retenir les gotes d'aigua líquida arrossegades pel corrent d'aire. Les configuracions dels encaixos més eficients són la de rajola buida de PVC i les cel·lulars.

Dipòsit d'aigua freda. Situat a la part inferior de la torre. Recull l'aigua refredada i subministra el circuit de refrigeració a través del sistema de succió unit a la seva part inferior.

Estructura de la torre. Sustenta tots els altres elements.

4.1 Avantatges

L'ús de refrigeració per aigua en sistemes de climatització és molt més barat que quan s’empra aire.

Les torres de refrigeració poden assolit dimensions molt grans i capacitats elevades, i poden fins i tot donar servei a les centrals nuclears on cal refredar grans volums d'aigua.

Permeten una gran flexibilitat en l’operació, i poden treballar a major o menor capacitat segons les exigències puntuals de la planta.

4.2 Desavantatges

Per la naturalesa del procés evaporatiu, les sals minerals dissoltes a l'aigua tendeixen a concentrar-se en cada nou cicle de recirculació, tot provocant:

• Incrustacions en les conduccions i en el rebliment. Aquestes incrustacions són responsables de problemes com la reducció de l'eficiència i de la capacitat de la torre a causa de la disminució de la transferència de calor. A més, el pes afegit pot malmetre el rebliment i fins i tot l'estructura que sustenta la torre.
• Creixement de microorganismes. La torre presenta unes condicions de temperatura i d’humitat estables juntament amb una absència de llum. Això és un brou de cultiu ideal per al creixement d'alguns microorganismes com la Legionella.

Per evitar aquests problemes cal fer servir productes químics desincrustants i biocides.

També cal extreure una purga d'aproximadament un 5% del cabal de circulació per evitar una excessiva concentració de sals.

L'accés a l'interior és complicat, fet que dificulta la neteja i condueix amb freqüència al deteriorament dels rebliments i, per consegüent, al seu reemplaçament.

En l'actualitat, les torres de refrigeració solen ser annexes a tots els equips de refrigeració evaporativa, que s'utilitzen per a gairebé totes les aplicacions industrials que requereixen refrigeració.

Les aplicacions industrials més ressenyables són:

• Sistemes d'aire condicionat i de climatització de plantes i de naus industrials.
• Indústries petroquímiques i farmacèutiques.
• Indústries alimentàries.
• Indústries automobilístiques.
• Processos de producció d'acer.
• Plantes de fabricació de components d'electrònica i semiconductors.
• Centrals elèctriques.
• Instal·lacions de refrigeració industrial.
• Refrigeració de maquinària, com és el cas de compressors o de motors de combustió interna.
• Centrals nuclears.

6.1 Aturada de ventiladors

Els ventiladors són grans consumidors d'energia: representen el percentatge més elevat del consum energètic en una torre de refrigeració.

En determinades circumstàncies és possible reduir la velocitat dels ventiladors i fins i tot aturar-los, deixant el moviment de l'aire a càrrec del tir natural.

Les situacions en què es pot aturar algun ventilador són les següents:

• Quan l'hora del dia o l'època de l'any permeten tenir temperatures de bulb humit menors a la de disseny. Aquesta situació fa augmentar la capacitat de la torre sense requerir un flux d'aire elevat. Per a això és necessari dur un registre estadístic de les lectures de temperatura de bulb humit.
• Quan el rang de refredament i la temperatura de l'aigua freda actuals són menors als de disseny. En aquests casos es pot ajustar el rang al de disseny, amb la consegüent reducció de potència necessària en els ventiladors.
• Quan la planta que rep el servei de la torre treballa a una capacitat de processament menor. En aquest cas es pot seccionar la torre, és a dir, que algunes cel·les deixin d'operar i així no només s’aturen els ventiladors, sinó que també s’aturen les bombes de subministrament al sistema de distribució.

6.2 Ús de sistemes de filtració

Un dels problemes per al bon funcionament de la torre de refrigeració és la quantitat de sòlids suspesos que la contaminen (sorra, algues, llim), que produeixen:

• Incrustacions en les conduccions que aïllen els tubs.
• Mitjana elevada de purga de llots.
• Reemplaçament prematur de tubs.
• Increment de la caiguda de pressió.
• Augments de costos de manteniment.

Aquests sòlids es formen en el procés o són arrossegats per l'aigua i es concentren a les zones de menor velocitat de flux.

La solució a aquests problemes és la instal·lació d'un sistema de filtració, típicament amb filtres laterals, pels quals es fa passar un petit percentatge del flux total (normalment d'un 1% a un 5%).

Els beneficis que proporcionen aquests filtres són:

• Reducció dels costos de manteniment a causa d’una menor freqüència de neteja.
• Disminució de les purgues, que implica una reducció de costos en productes químics.
• Reducció del sobreconsum energètic associat a l'augment de la resistència a la transferència de calor per incrustacions.

No obstant això, l'operació de filtració també requereix un major consum de bombament a través del mitjà filtrant, encara que aquest és menor que l'estalvi energètic que suposa.

6.3 Elecció del rebliment òptim

El rebliment més eficient és aquell que proporciona una major quantitat d'aigua freda o una menor temperatura de l'aigua freda per a un mateix volum d'aigua calenta, mantenint la resta de paràmetres constants.

Per determinar quin rebliment opera de forma més eficient per a una determinada torre és necessari comparar-los tot fixant els paràmetres fonamentals següents:

• Dimensions de la cel·la.
• Nombre de cel·les.
• Dades tèrmiques i geogràfiques de la torre.
• Temperatura de l'aigua calenta.
• Cabal d'aigua de circulació.
• Temperatura del bulb humit.
• Humitat relativa de l'aire.
• Tipus d'eliminador de rosada.
• Potència del motor que mou un ventilador igual.

6.4 Altres mesures generals

Totes elles augmenten l'eficiència total de la torre en major o menor mesura:

• Neteja del dipòsit d'aigua calenta.
• Neteja i reparació de broquets de distribució d'aigua calenta.
• Ajustament de l'angle d'atac de les aspes en els ventiladors. S'ha d'uniformitzar per a totes les aspes, de manera que el ventilador pugui gestionar un major cabal d'aire per a una mateixa potència del motor absorbida.
• Reparació i tancament de portes d'accés en cada cel·la de la torre.
• Regulació de nivells en dipòsits d'aigua calenta mitjançant vàlvules de control, per evitar aturades per falta de subministrament.
• Manteniment programat de la torre.

Informació complementària: Vegeu Catàleg de fred industrial i Fitxes de climatització industrial