Este documento describe los sistemas de enfriamiento con y sin recirculación de agua, los parámetros que definen estos sistemas como caudal de recirculación, reposición, evaporación, arrastre y purga. Explica cómo se determinan estos parámetros y conceptos como ciclos de concentración, tiempo de retención, volumen del circuito. También analiza problemas comunes como crecimiento microbiano, incrustaciones y corrosión, y posibles soluciones de tratamiento como biocidas, control de pH y uso de inhibidores.

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TECNOLOGÍA Y SERVICIOS INDUSTRIALES 1
TRATAMIENTO DE AGUA DE
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
DANIEL GHISLIERI

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TRATAMIENTO DE AGUA DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
1. Introducción
Se pueden distinguir tres tipos de sistemas de enfriamiento:
- sin recirculación (o de un paso): agua tomada de una fuente térmica enorme (de Temp.
estable, ríos, lagos, Río de la Plata), la que es descargada – luego de ser usada – hacia la
fuente de origen. En general, no se le realiza tratamiento (gran costo y problemas de
contaminación). Lo único que se hace es bajar la temperatura (no más de 10 ºF) lo que se
logra usando grandes caudales.
- con recirculación en circuito abierto: se recircula el agua de enfriamiento, extrayéndose el
calor absorbido por contacto directo con el aire atmosférico (transferencia de calor) y por
evaporación (transferencia de masa), generalmente en Torres de Enfriamiento.
- con recirculación en circuito cerrado: el calor absorbido se extrae en un intercambiador de
calor, donde no hay contacto directo con el refrigerante. El agua de torre va por tubos, pues
es la que más incrusta y los tubos son de más fácil acceso.
Se realiza un tratamiento similar al de un generador de vapor de baja presión. Se trata de
evitar corrosión (desairear el agua) que se da esencialmente en zonas de mayor
temperatura. Sólo se reponen pérdidas físicas del circuito con agua tratada. Siendo exigente,
agua desmineralizada.
2. Parámetros del Circuito
E A
M R
P
Recirculación (R)
Es el caudal de agua que circula por el circuito, dando el servicio de enfriamiento esperado.
Reposición (M)
Es el caudal de agua nueva que se debe agregar al circuito para reponer las salidas del mismo
(evaporación, arrastre y purga)).

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Evaporación (E)
TCREH PV Δ××=×Δ
Fºlb/BTUClb/BTUH PCºV −==Δ − 1105025
TRE Δ××≅ 001.0 E es el 1% de R cada 10 ºF de enfriamiento (aprox.)
Arrastre (A)
Varía según el diseño de la torre. Depende del ventilador, toberas, relleno. Varía entre 0.05 a 0.3 %
para torres de tiro forzado. No se puede determinar teóricamente.
Purga (P)
Es función de los ciclos de concentración.
Ciclos de Concentración (c)
c es el número de veces que se ha concentrado el agua recirculada (no necesariamente es un
número entero).
Se determina a partir de un elemento que no se descomponga, volatilice o precipite, por ejemplo el
Cl-
.
M
B
x
x
c =
2.1 Balance de Masa en el Circuito
APB += BEM +=
BEM xBxExM ×+×=× 0=Ex
c
B
M
x
x
M
B
==
c
M
EM +=
1−
×
=
c
Ec
M
La situación deseable es tener el mínimo M, por lo que se debe tener el mínimo B.
En el siguiente gráfico se muestra cómo disminuye la reposición a medida que aumentan los ciclos
de concentración

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Sin embargo, a partir de ciertos niveles de concentración, la reposición no disminuye
apreciablemente, generalmente se trabaja con c ≅ 3.
2.2 Determinación de los parámetros del circuito
A partir de las relaciones obtenidas del balance de masa se puede determinar los distintos
parámetros operativos del circuito a partir del conocimiento de dos de ellos.
E M B c
BM − EB + EM −
B
M
V
TR
λ
Δ×
1−
×
c
cE
1−c
E
M
B
x
x
2.3 Volumen del circuito
Otro parámetro característico del circuito es el volumen total de líquido contenido en el mismo.
Para su determinación se utiliza el “Salt Test”, que consiste en agregar una cierta cantidad m
(pulso) de un compuesto que se disuelva fácilmente en el agua, que no precipite, no se
descomponga o volatilice y cuya concentración sea de simple determinación (por ejemplo cloruros).
Se realiza un seguimiento de la concentración de cloruros luego de agregado el pulso hasta obtener
una concentración estable.
Se calcula:
ifCl xxx −=Δ .
Clx
m
V
Δ
=

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2.4 Tiempo de retención
Se define el tiempo de retención, en condiciones de estado estacionario, como el tiempo teórico que
un componente determinado, alimentado en forma continua, demorará en salir del circuito.
B
V
TR =
A partir de este concepto se puede determinar cómo varía la concentración de un producto de
agregado puntual, a medida que se va perdiendo por la purga.
Si m = masa de producto disuelto a tiempo t
dt
V
m
Bmmmdm salidasalidaentrada −=−=−= 0
Integrando y expresando como concentraciones:
t
V
B
i exx
−
=
Para el caso más general, donde hay agregado continuo de producto:
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−+=
−− t
V
B
M
t
V
B
i e
B
M
xex)t(x 1
2.5 Tiempo de vida media
Para el caso de un reactivo que se agrega en forma puntual (xm = 0), se define la vida media como el
tiempo que demora en disminuir su concentración a la mitad de la inicial.
ixtx
2
1
)( 5.0 =
5.0
5.0
t
V
B
e
−
=
B
V
.t . 693050 =
2.6 Tiempo requerido para aumentar en un ciclo la concentración
Si se mantiene la purga cerrada:
VxctMxVcx MMM )1( +=+
M
V
t =

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2.7 Variación de ciclos de concentración en función de purgas
Si quiero disminuir los ciclos de concentración modificando el régimen de purgas, puedo calcular
cuánto tiempo demorará dicho cambio.
c1 = ciclos de concentración inicial
c2 = ciclos de concentración final
B = nuevo caudal de purga
tMxtBx
cc
Vxcc MMM −
+
=−
2
)( 21
21
M
ccB
Vcc
t
−
+
−
=
2
)(
)(
21
21
3. Problemas que se presentan en sistemas de enfriamiento
3.1 Crecimiento microbiano
Es uno de los problemas más frecuentes: agua a temperaturas próximas a 35ºC, altas
concentraciones de O2, luz UV, constituyen un microclima adecuado para crecimiento de
microorganismos (algas, bacterias, hongos).
Uno de los efectos que se producen es la obstrucción de tuberías, relleno, etc., disminuyendo la
eficiencia del sistema.
Otros microorganismos favorecen la corrosión: absorben o desprenden O2, favorecen reacciones
catódicas (generan H2), forman depósitos (favorecen la aireación diferencial).
No es viable un control mecánico de los microorganismos que se desarrollan, por lo que se impone
un tratamiento químico de los mismos.
Agentes desinfectantes
- Cloro
- Bromo
- Dióxido de cloro
Solución: dosificación de biocidas específicos para cada tipo de microorganismo, de forma tal de que
la concentración del biocida sea adecuada.
3.2 Incrustaciones
El agua utilizada para enfriamiento es un agua de origen natural, que se verá sometida a
calentamiento, aún cuando sea mucho menor al que se da en un generador de vapor. Por lo tanto,
encontraremos formación de incrustaciones, principalmente CaCO3 (también Mg(OH)2, CaSO4).
Es posible estudiar las características particulares del agua que circula por el sistema, para
determinar su tendencia a precipitar o disolver depósitos cálcicos.
Para esto se emplean los Índices desarrollados por Langelier, Ryznar y Puckorius.

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Índice de Saturación de Langelier
El ISL da una idea cualitativa de qué tan estable es el agua considerada con relación a la
precipitación de CaCO3.
Se define como:
SpHpHISL −=
donde ( ) pAlcpCapKpKpH SS ++−= 2
siendo: pK2 el logaritmo negativo de la constante de la segunda disociación del ácido
carbónico
pKS el logaritmo negativo de la constante del producto de solubilidad
pCa el logaritmo negativo de la concentración de calcio
pAlc el logaritmo negativo de la alcalinidad
Un ISL positivo denota la tendencia del agua a precipitar carbonato de calcio, mientras que un ISL
negativo indica que el agua tiene tendencia a disolver las incrustaciones.
Generalmente, el pHs se calcula, a partir de un nomograma, como:
CpAlcpCapHS ++=
donde: C es un valor que depende del contenido de sólidos totales disueltos del agua y de la
temperatura.
Índice de Estabilidad de Ryznar
Se define el índice de estabilidad de Ryznar, como:
pHpHISR S −= 2
De acuerdo al valor obtenido, se maneja una escala que indica la tendencia incrustante o corrosiva
del agua.
ISR Condición
3.0 Extremadamente incrustante
5.0 Severamente incrustante
5.5 Moderadamente incrustante
5.8 Levemente incrustante
6.0 Estable
6.5 Estable con leve tendencia
corrosiva
7.0 Levemente corrosiva
8.0 Moderadamente corrosiva
9.0 Fuertemente corrosiva
Índice Práctico de Incrustación

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El Indice Práctico de Incrustación, desarrollado por Puckorius, es similar al de Ryznar, salvo que
utiliza un valor calculado de pH del agua en lugar del pH medido en el circuito.
*
S pHpHPSI −= 2
donde: )COlog(pK)HCOlog(pH*
213 −+= −
siendo: pK1 el logaritmo negativo de la constante de la primera disociación del ácido
carbónico
Control de Incrustaciones
Algunas consideraciones a tener en cuenta con relación a posibles depósitos en los sistemas de
enfriamiento, son las precauciones de que:
TDS < 2500 mg/L
[Ca++
]CaCO3 < 300
[Ca++
]CaCO3x[SO4
=
]CaCO3 < 500.000
[SiO2] < 120 mg/L
También es posible utilizar sistemas de tratamiento que modifiquen algunas de las sustancias
presentes o sus características, para poder trabajar en condiciones más seguras.
Estos sistemas pueden agruparse en las siguientes dos categorías.
a) Tratamiento ácido
El agregado de ácido sulfúrico reduce la alcalinidad presente en el agua según:
OHCOCaSO)HCO(CaSOH 2242342 22 ++=+
Esto disminuye la probabilidad de formación de CaCO3, pero es un tratamiento peligroso por agregar
ácido al sistema (requiere un buen control)
b) Tratamiento alcalino
Otra opción es mantener el pH del circuito en valores alcalinos y agregar productos que:
- mantengan el calcio en solución, secuestrantes o dispersantes (fosfonatos, poliacrilatos)
- modifiquen la estructura cristalina de los precipitados de calcio, para que formen lodos que
puedan ser removidos por purga (polifosfatos, polímeros de bajo PM – menor a 100.000 –
por ej. Polimaleatos, copolímeros de polimaleatos con poliestireno sulfonado).
3.3 Corrosión
Los sistemas de enfriamiento contienen diversos materiales metálicos, como ser aceros, acero
galvanizado, aleaciones de cobre, etc. A esto, debe agregarse los productos utilizados para controlar
incrustaciones o crecimiento microbiano, que estarán disueltos en el agua del circuito, lo que
constituye un medio muy complejo.
Al estar el agua de la torre en permanente contacto con el aire, estamos seguros de que, en cada
recirculación la concentración de oxígeno disuelto en la misma será muy cercana a la
correspondiente a la de saturación de oxígeno disuelto en esas condiciones.
Este problema es grave pues la corrosión se dará en los equipos más caros: condensadores de
amoníaco, compresor, intercambiadores de calor, compresor de tornillo, etc., ocurriendo en forma
localizada.

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Todo lo anterior hace que se requiera una cuidadosa evaluación al elegir un sistema de control de la
corrosión.
Una posible solución, sería modificar las características agresivas del agua. El control de la
concentración de oxígeno disuelto, por ejemplo por agregado de sulfito, sería excesivamente caro a
la vez que ineficiente.
Es frecuente el uso de inhibidores de corrosión, los que actúan protegiendo la superficie del material
metálico, cuya acción es la de despolarizar (disminuir o detener el flujo eléctrico) las reacciones de
corrosión.
Existen inhibidores anódicos y catódicos, dependiendo sobre cual reacción actúan.
En general, los catódicos precipitan sobre el metal formando una barrera protectiva al ataque del
oxígeno. Los anódicos promueven la formación de óxidos estables del metal, lo que limita la
disolución del mismo.
Los inhibidores de corrosión más comunes son:
- anódicos: molibdatos, ortofosfatos, nitritos, silicatos;
- catódicos: zinc, polifosfatos, fosfonatos.
4. BIBLIOGRAFÍA
- “Cooling Water Calculations”, R. G. Kunz, A. F. Yen, T. C. Hess, Chemical Engineering,
Agosto 1, 1977.
- “Timing a Cooling Tower (Part 1)”, J. D. Warner, Chemical Engineering, Setiembre 30, 1985
- “Timing a Cooling Tower (Part 2)”, J. D. Warner, Chemical Engineering, Octubre 23, 1985
- “Handbook of Industrial Water Conditioning”, Betz Laboratories Inc., 8th
Ed., 1980.
- “The Nalco Water Handbook”, F. N. Kemmer, 2nd
. Ed., 1988.