JorgeHernandez Enfriamiento evaporativo.pdf

Conceptos Básicos
del Enfriamiento
Evaporativo
Ing. Jorge E. Hernandez
Gerente Regional, America Latina:
BAC, Taco, Farr, Doucette
jhernandez@regionalManagers.com
Cel: +1-305-469-3130

Agenda
INTRODUCCIÓN
• Mi Salón De La Fama Profesional
• Explícamelo como si yo fuera un niño de 15 años
• La Importancia De Los Conceptos Básicos
• Corresponsal Técnico...
• Muy Poco Tiempo Para Un Tema Tan Extenso…
• Por Tanto Trataremos de Presentarles Un…..
ABSTRACTO

Prueba Técnica
Enfriamiento Evaporativo
(Mucho Mas Común De Lo Que Parece!)

Diagramas de Mollier Para Sistemas Enfriados
Por Aire y Enfriados por Agua.
Por qué NO usar siempre una torre de enfriamiento? Lo veremos mas tarde
cuando hablemos sobre el Talón de Aquiles de Las Torres De Enfriamiento

Cooling Towers – Air vs Water Cooled Chillers
References:
 ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1
 GSA Facilites Standard - 2005
 ASHRAE Fundamentals - 2009
 California Energy Commission - 2008 Building
Energy Efciency Standards
 BAC Product and Applicaton Handbook
Vol. IV - 2012

Enfriamiento Evaporativo
• Dos Conceptos Diferentes y Tres Aplicaciones
Enfriamiento Evaporativo del Agua
 Torre De Enfriamiento y Condensador
Evaporativo
Enfriamiento Evaporativo del Aire
 Para Pre-Enfriar Aire
 Para Acondicionar Espacios

Comencemos con el Enfriamiento Evaporativo
del Agua
Torres de Enfriamiento y Condensadores
Evaporativos
Conceptos Básicos
Una Torre De Enfriamiento es:
• Un Intercambiador de Calor
• Pero también es una aspiradora gigante…
Recordemos esto, nos ayudará a entender
mejor una parte importante de esta
presentación!

Si Nuestra Torre De Enfriamiento Es Un
Intercambiador de Calor, Hablemos Un Poco
Sobre Esto y Algo Muy Interesante.….
Su Eficiencia

Intercambiador de Calor Diagrama
Esquemático

Repasemos Conceptos
Básicos
Presión del Vapor (“Vapor Pressure”)
Presión Parcial (del Vapor del Agua en el Aire)
Defnicion Técnica de Humedad Relatva
Entalpía de Evaporizacion, Calor Latente de
Evaporización o Calor de Evaporización
Tabla Psicométrica

Diagrama Esquemático De Una Torre De
Enfriamiento
(Enfriamiento evaporativo mas popular)

Diagrama Esquemático de Una Torre De
Enfriamiento
(Enfriamiento evaporativo mas popular)

CLOSED CIRCUIT COOLING TOWERS
Hot fluid
Cold fluid
Hot fluid
Cold fluid
Coil
Air in
Air in Air out
Conventonal design Combinaton design
Process
fluid
Cooling
water
Air WB
Process
fluid
Cooling
water
Air WB

Conceptos Básicos
Presión de vapor: se relaciona con la tendencia de un liquido a
evaporarse. Presión en la cual el vapor esta en equilibrio con las otras
fases de la sustancia.
Presión parcial: presión que ejercería un gas si fuese el único
ocupando el volumen de la mezcla de gases a la que pertenece.
Vaporización: transición de una sustancia de su fase líquida a su fase
gaseosa (Puede ser evaporación o ebullición).
La habilidad de una molécula para evaporarse depende de su energía
cinétca.
La tasa de evaporación de un liquido será menor si el aire circundante
tene altas concentraciones de dicha sustancia (o de otras).

La circulación de aire fresco (no saturado) sobre el líquido favorece la
evaporación.
El aumento en la velocidad del aire en circulación favorece la evaporación.
Entre mayores sean las fuerzas intermoleculares, mayor energía se requiere
para que se de la evaporación.
Reducir la presión sobre el líquido en cuestón favorece la evaporación.
Una mayor área de contacto entre el líquido y el aire favorece la evaporación.
Una mayor temperatura se traduce en mayor energía cinétca de las
moléculas, incrementando así la tasa de evaporación.
1847, Hermann Helmholtz: establece la ley de conservación de la energía y
que la energía térmica es una forma de energía mecánica. La temperatura de
una sustancia es una medida de la energía cinétca media de sus partculas.

Calor Latente de Evaporización
Una Forma fácil de Explicar el Enfriamiento
Evaporatvo en Una Torre de Enfriamiento
Vs
Análisis Molecular del Enfriamiento Evaporatvo
y Formulas.
(Trabajo en Proceso)

Para Beneficio de La Audiencia
Las 4 diapositivas que siguen se ofrecen como
referencia solamente.
Desafortunadamente no tenemos tiempo de
evaluarlas, pero esta presentación está
disponible a toda la audiencia. Repasar dichas
diapositivas nos dará una mejor comprensión
del proceso de enfriamiento evaporativo.

Postulados de Cinética
Molecular


Fórmulas
The heat gained by the air must equal the heat lost by the water.
Within the air stream, the rate of heat gain is identfed by the
expression G (h2 – h1), where
G: Mass fow of dry air through the tower—lb/min.
h1: Enthalpy (total heat content) of entering air— Btu/Ib of
dry air.
h2: Enthalpy of leaving air— Btu/Ib of dry air.

Fórmulas
Within the water stream, the rate of heat loss would appear to
be L (t1 – t2), where:
L= Mass fow of water entering the tower—lb/min.
t1= Hot water temperature entering the tower—°F.
t2= Cold water temperature leaving the tower—°F.
(Bear in mind that the specifc heat of warer is 1, actually the
defniton of a BTU

Fórmulas
Yet there is an evaporaton loss which represents a heat change: heat
loss represented by this change in humidity rato can be expressed as
G (H2 - H1) (t2 - 32), where:
H1 = Humidity rato of entering air—lb vapor/lb dry air.
H2 = Humidity rato of leaving air—lb vapor/lb dry air.
(t2 - 32) = An expression of water enthalpy at the cold water
temperature—Btu/Ib. (The enthalpy of water is zero at 32°F)

COOLING
TOWER
TL
APPROACH = TL - TEWB
RANGE = TE - TL
GPM
TE
TERMS
TEWB
Air
TEWB
Air

Consumo de Agua en una Torre de
Enfriamiento
• Tres Fuentes
• Evaporación- Función de la carga
térmica
• “Lo Que El Viento Se Llevó”-
Despreciable
• Purga- Depende de la calidad del Agua
• Una fórmula mágica
C=(E+D+B)/(D+B)

• Cycles of Concentraton – the rato of
dissolved solids in re-circulatng water
to dissolved solids in the make-up
water

Compares the concentration of solids in the
tower recirculating water to the concentration
in the make up water.
The water treatment specialist will determine
the value best suited for the job based on what
is dissolved in the available water supply.
Example: Four cycles of concentration means
that the concentration of solids in the cooling
tower water is four times higher than the
concentration of solids in the make up water.
CYCLES OF CONCENTRATION

Ciclos de concentración tablas
comparatvas para determinar los
ciclos de concentración

Una fórmula Mágica
C=(E+D+B)/(D+B)

CYCLES OF
CONCENTRATION
(XT/XM)
E = Evaporation
M = Make-up
P = Purge
W = Windage
W E
P
M
COND.
COOLING
TOWER
Mass balance: Water in = Water out: M = E + P + W (1)
Solids in = Solids out: M.XM = P.XT + W.XT (2)
XM = Concentr. in make-up water
XT = Concentr. in tower water
XT
XM
=
E + P + W
P + W
E
P + W
= + 1
; P + W =
XT
XM
M
XT
XM
- 1 =
E
P + W
E
XT
XM
M
=
M =
XT
XM XT
XM
- 1
E
M
P + W
XT
XM
=
(2)

EXAMPLE
Assume the cycles of concentraton determined
for a site is 4. Determine the amount of cooling
tower make up water.
From the formula:
4 - 1
M = 4 E = 1.33 x E
Make-up water = Tower evaporaton rate + 33%

COOLING TOWER WATER
CONSUMPTION
MAKE-UP
(%
OF
EVAPORATION)
100
140
180
200
160
120
2 3 4 5 6 7
CYCLES OF CONCENTRATION

EJEMPLO CONSUMO DE
AGUA
1 Tonelada de refrigeración
Aporte del compresor : 0,66 KW/ Ton
4 Ciclos de concentración

Carga de diseño:
1 Ton = 12.000 btu/h
Aporte del compresor:
Carga total:
Libras evaporadas:

Según la formula de ciclos de concentración, suponiendo 4 ciclos:
4 - 1
M = 4
E
= 1.33 x E
��=0,027��∗1,33=0,0359��

No Tan Rápido
¿Cuanto sería a carga
parcial?
Todo lo que hemos aprendido
sobre consumo de agua en una
torre aplica solo al 2% del tempo
de operación del sistema
Perfl de la carga

Ejemplo del Resultado del perfl de la
carga de un programa como HAP o TRACE
Vs
Una Opción Manual

Ayuda!
• Agua Limpia y Fria de ……….
• Condensado de las UMAs y “Fan Coils”

SANTO DOMINGO
Annual Cooling,
Dehumidification
and Enthalpy
Design Conditions
Monthly Design
DB and MCWB
Temperatures
Mean Daily
Temperature Range
5%
5%
Long. 69.88W
Time Zone: - 4.00 (SAZ)

La lección más
importante
de esta parte de nuestra
presentación:
Consulte a un experto

Lo Mas Importante Que
Tenemos Que Saber
Sobre
Tratamiento de Agua……
(Otra Vez)
Consulte a un experto

Conceptos básicos
de tratamiento de agua
en sistemas de enfriamiento
evaporatvo
Desde la perspectva de sistemas
electrónicos genéricos

I. Conseguir un buen experto es difcil
II. Esta presentación nos proveerá los
conocimientos básicos necesarios para
podernos comunicar apropiadamente
con los expertos.

Tratamiento de Agua
• Sólidos Suspendidos
• Sólidos Disueltos
• Incrustraciones
• Corrosión
• Alga y “Slime”
• Bacteria- Legionela

• Mantener el sistema limpio
 Sólidos suspendidos
• Controlar incrustaciones
 Sólidos disueltos
• Controlar la corrosión del equipo
• Controlar las bacterias
 Legionela
• Controlar las algas y el Limo

¿Qué necesitamos hacer?
• Controlar los sólidos suspendidos
¿Porqué y cómo?
• El sistema de enfriamiento evaporatvo es una
aspiradora gigante.
• Los sólidos suspendidos crean problemas
obvios + se pueden convertr en sólidos
disueltos.
• Solamente un sistema de fltrado mecánico
puede controlar los sólidos suspendidos.

¿Qué necesitamos hacer?
 Legionela

Control electrónico de
incrustaciones
El Concepto
• Microondas
•El Sistema Electrónico usa ondas ULV (Ultra Low Frequency) para
aumentar solubilidad.
• Aumentar la solubilidad mantendrá la cantdad apropiada de
iones de Ca y Carbonato en agua y controlará la formación de
incrustaciones.
• La onda ULF aumenta la energía de los iones de Carbonato y Ca.
Cualquier incrustación generada será de polvo de aragonito de alta
energía en lugar de incrustaciones de Calcita dura.
Cómo hacerlo
• El generador ULF produce una señal especial y la transmite al
agua a través de la bobina del inductor. Cuando el agua pasa a
través de la bobina, el agua se energiza y la solubilidad aumenta.

Como el sistema electrónico controla las incrustaciones
Condenser tube wall
Hard scale

Escala de Control Electrónica
¿Cuánto puedo ahorrar en energía?
Basado en la estmación del
Departamento Federal de Energía de los
Estados Unidos sobre el consumo de
energía adicional debido a la formación
de incrustaciones.
Para un chiller de 500 RT, el ahorro anual
de energía al eliminar 1,6 mm de
incrustaciones duras puede ser de US $
40,000 aproximadamente.

¿Qué necesitamos
hacer?
 Legionela

Corrosión
La Corrosión se defne como el deterioro de un material a consecuencia de
un ataque electroquímico por su entorno. De manera general, puede
entenderse como la tendencia que tenen los materiales a buscar su forma
de mayor estabilidad o de menor energía interna. Siempre que la corrosión
este originada por una reacción electroquímica (Oxidación) la velocidad a la
que tene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad
del fuido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en
cuestón.
Oxidación- Es una reacción química donde un elemento cede electrones y
por lo tanto aumenta su estado de oxidación. Una substancia cede
electrones y la otra los acepta.

En nuestro caso tenemos que fjarnos en
el oxigeno presente en el aire y en el
agua el cual queremos evitar entre en
contacto con el hierro.
De hecho la fórmula del Moho es
Fe2O3
Fe3O4…..

Cómo el tratamiento
electrónico controla la
corrosión
El concepto
El óxido rojo común Fe2O3 no puede controlar la
corrosión. Sin embargo, la formación de
magnetita de óxido negro Fe3O4 sobre la
superficie del acero puede controlar eficazmente
la corrosión.
Cómo hacerlo
Cuando el agua pasa a través de la bobina del
inductor, la onda ULF energiza los iones de
hierro y oxígeno en el agua. Bajo tal estado de
energía. El óxido de hierro producido será el
óxido negro - Magnetita Fe304, en lugar del
óxido rojo común.

O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
Cómo el generador ULF controla la corrosión

¿Qué necesitamos
hacer?
 Legionela __ MIC
• Controlar las algas y el limo

Por qué necesitamos controlar las bacterias en el
sistema de agua
•La biopelícula producida por bacterias impide 4
veces más energía que las incrustaciones duras.
•Algunas bacterias pueden causar corrosión
severa - MIC (corrosión inducida por microbios).
• Salud y Seguridad – evite se presenten
reclamaciones y que su propiedad se devalúe
debido a la aparición de enfermedades.

Cómo controlar bacterias y algas en sistemas de
enfriamiento evaporatvo a través de un sistema de
tratamiento de agua electrónico
Dos procesos diferentes
Control de reproducción
&
Exterminación

M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+
M+ M+
Una opción para controlar las
bacterias en el agua

Cómo un sistema electrónico podría controlar las
bacterias
Los beneficios
•Menos bacterias = Menos biopelícula = Ahorro de
Energía
•Minimiza el riesgo de brotes de enfermedades
•Controla los problemas de corrosión inducida por
microbios = Menos reparaciones

• Sistema de fujo lateral
• La operación del sistema
principal no se ve afectada
por la instalación
• Mantenimiento mínimo
• Consumo de energía mínimo
<200 W
• Sin pruebas de agua
complicadas

La Clave del Conocimiento Confiable
Sobre Consumo y Tratamiento de
Agua
•CONSULTE A UN EXPERTO!!!!!

Galvanizado
Corrosión, “White Rust”
Pasivación y Pandeo
Galvanización, Corrosión, Pasivación y Pandeo

• Historia Del Galvanizado
• 1836 Sorel en Francia primera de muchas patentes
• En los 1700 un Alquimista Convertdo en Químico inmerge hierro
limpio en una solución caliente de Zinc
• Pero hace 2,500 años ya se estaba usando el Zinc como agente
protector
• 1742 Melouin escribe un documento el cual fue la base del uso del
proceso para artculos caseros
• La raíz del concepto, metales disimilares, 1800 Volta y en 1824 Davy:
Metales disimilares conectados eléctricamente e inmersos en agua,
la corrosión aumentaba en uno y disminuía en el otro
• Todo lo anterior llevo a Sorel (ver arriba) a desarrollar su primera
patente
• 1850 la industria del galvanizado en Inglaterra ya estaba usando
10,000 toneladas de Zinc por año

Pasivación
Como el Aluminio, una capa fna de corrosión “prematura” (término
del autor) en el Zinc proveniente de la Galvanización, que se puede
formar a propósito, protegerá de corrosión al mismo Zinc que por el
proceso de Galvanización, estamos usando para proteger de
corrosión al hierro.
Este proceso se puede lograr controlando ciertos parámetros del
agua que “bañara” al serpentn inicialmente sin la carga térmica del
refrigerante). Ph/Conductvidad/Alcalinidad/Dureza por
Calcio/Sulfatos/Cloruros/Cloro. Pero esto puede tardar entre 4-12
semanas.
Existen otros procedimientos químicos para lograr la pasivación
muchísimo mas rápido: CONSULTE A SU EXPERTO EN
TRATAMIENTO DE AGUA

Corrosión Blanca
Ésta se refere a la pérdida prematura y rápida de revestmiento
galvanizado sobre superfcies metálicas y se evidencia por un
depósito blanco, ceroso, no protector, sobre superfcies galvanizadas
en húmedo en un ambiente carente de oxígeno y dióxido de
carbono. Generalmente es una mezcla de compuestos de Zinc
(2ZnCO3·3Zn(OH)2, ZnO, y β-Zn(OH)2)

Galvanizado en Frio
Es un recubrimiento de Zinc que se aplica sobre el acero mediante
pistola, brocha o rodillo.
Este producto podría tener una Resistencia a la corrosión
equivalente al galvanizado en caliente siempre y cuando tenga un
mínimo de 95% de Zinc, sea conductor de electricidad.
Debe tener un espesor mínimo de 75 micrones para lograr la misma
protección que el galvanizado en caliente.
Debe cumplir con las normas de ASTM. (Las pinturas ricas en Zinc NO
CUMPLEN con estas normas y no se pueden utlizar con este
propósito.
CONSULTE AL EXPERTO.

No podemos hablar de “White Rust”, sin
tocar otros temas de interés

Gran Falacia y Equivocación
95°F/85°F

COOLING TOWER CAPACITY
CONTROL
ASHRAE 90.1-2007 calls for fan motors ≥ 7½Hp
of heat rejection equipment to have fan speed
control with some exceptions:
 Installations located in climate zones 1 and 2
According to this standard, Santo Domingo is
located in zone 1 and therefore is exempt.

Modulador de frecuencia en los
Ventladores de las Torres de
Enfriamiento- Una Falacia
Pero.... Self Sensing Pumps y
ASHRAE?

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