Un análisis comparativo

Las características fisicoquímicas y/o su bajo coste hacen del agua, cuando disponible, el agente ideal para el transporte de calor; esto es, para los procesos técnicos de intercambio térmico.

Agua fresca y limpia, elemento básico de nuestra vida, como el aire que respiramos o el fuego que nos calienta, es un bien común de la sociedad. Sin embargo, solo le damos el debido valor cuando nos falta.

Preservar los recursos hídricos disponibles, por tanto, no es solamente un deber cívico, como, por su limitación, un deber económico. ¡El agua tiene un precio!

Preservar significa reutilizar con un mínimo de desperdicios. La reutilización en circuitos de enfriamiento impone la obligación de devolverla a la fuente en el estado en que la encontramos.

Purificada, si fue contaminada en su utilización; fresca, si fue calentada.

Una vez usada el agua para disipación de calor, esta debe ser enfriada por un método económicamente viable para que pueda ser reutilizada; sea nuevamente en el proceso de intercambio térmico, sea para su retorno a los cursos hídricos.

La inversión necesaria y el coste operacional de este enfriamiento dependen no solo de la cantidad y calidad del agua que debe ser enfriada, más principalmente de la temperatura deseada para el agua enfriada: cuanto más fría, mayor el costo y mayor el consumo de energía.

En contrapartida, y de forma general, disminuye el coste de la inversión del equipamiento que es enfriado con el agua, en la medida en que disminuye el nivel de temperatura de intercambio térmico, o sea, para un mismo valor de inversión, habrá aumento de su capacidad productiva.

Estos conceptos ganan en importancia, en la proporción en que son implantadas nuevas instalaciones que requieran evaporación/condensación de fluidos. Entre estas se destacan las Usinas de Azúcar y Destilerías de Alcohol, como ejemplos actuales, importantes y típicos.

Es que estas, en general, tienen agua en abundancia y a bajo coste. Esto convida a soluciones improvisadas, también de bajo coste. La “economía”, de otro lado, compromete a medio o largo plazo el costo industrial, si preterir u olvidar la importancia de la baja temperatura del agua enfriada, indispensable para la optimización de los procesos industriales, envueltos.

Los responsables por la operación de una Usina, los proyectistas y los fabricantes de equipamientos confirman que en límites prácticos aquella Usina, que tiene una temperatura de agua más fría en los tanques, condensadores e intercambiadores de calor, produce más y con más eficiencia en el uso de las instalaciones que aquella que usa agua con temperatura más alta.

Cuantificar esa mayor eficiencia, en comparación a una otra unidad, pero con agua menos fría, es difícil, pues no existen dos unidades realmente iguales, disponibles para una tal comparación.

Casi por acaso se estableció este valor en el pasado, como un ejemplo, cuando en una destilería la producción de alcohol aumentó en aprox. 20 % con la instalación de  un enfriador , que redujo  la  temperatura del agua enfriada  en 3 – 4º C, en  relación a la temperatura anterior, obtenida con el agua proveniente de un tanque de pulverización.

El agua más fría, en este caso, fue conseguida con la implantación de un enfriador de agua (TR) substituyendo un tanque de pulverización (TP).

Por tradición, o por facilidades locales, o aún, por acreditar que el enfriador de agua representa una inversión muy alta, empresas ligadas al sector, por veces continúan a considerar el TP como la solución más económica, “que también funciona en la práctica” y tiene menor coste de mantenimiento.

El TP por otro lado, a pesar de su aparente simplicidad constructiva, no debe ser considerado como única alternativa válida para el enfriamiento de agua en Destilerías de Alcohol y Usinas de Azúcar, bajo el riesgo de decisiones poco acertadas.

El desenvolvimiento tecnológico alcanzado en enfriadores  de agua, hace con que esta sea la  más  eficiente  y  la  más  económica  forma  de  enfriar el agua por evaporación en los procesos envueltos.

Usar un tanque de pulverización (TP) en vez de un enfriador de agua (TR), puede resultar en inversiones inútiles y perjuicios operacionales.

Una inversión inútil, porque no suministra el agua fría con la temperatura ideal, y cuando construido dentro de las normas recomendadas por los manuales de ingeniería, puede tener un costo total de inversión mayor al de un enfriador industrial.

La temperatura de agua fría ideal para una Usina es aquella que se puede alcanzar  por  un coste  global  inferior al  valor  económico  del  consecuente  aumento  en  la  capacidad productiva.

La  experiencia  muestra  que  el  rendimiento  de  una  Usina  es optimizado, entre otros factores, cuando el agua enfriada está disponible con una temperatura de como máximo 30º C,  o, preferiblemente, con temperatura  ligeramente inferior a esta, si no hay otras limitaciones técnicas ( vea abajo ).

El coste y el grado de dificultad para la obtención de esta temperatura está directamente ligado a la temperatura del aire en el bulbo húmedo local, o sea, cuando la temperatura de bulbo  húmedo  bajar  ( invierno ),  la  temperatura  de  agua  enfriada  también   abaja proporcionalmente y viceversa.

Para el Estado de São Paulo considerase una temperatura de bulbo húmedo (media de las máximas diarias) de 23º C, para los meses del período de la recolección. Para la región N/NE, esta temperatura está alrededor de los 26º C. En otras palabras: En el centro Sur puédase enfriar agua a una misma temperatura por un coste menor que en el NE, sea por TR o por TP.

¿Por qué es difícil y antieconómico alcanzar el nivel de temperatura de 30º C en un tanque de pulverización?

Segundo el “Manual de Ingeniería Azucarera” (E. Hugot), la temperatura más baja que puede ser alcanzada en tanque de pulverización viene dada por la siguiente fórmula:

 

n= (t2 – t1)÷( t2 – t0 )

 

donde:

n = rendimiento

t2 = temperatura de agua caliente

t1 = temperatura de agua enfriada

t0 = temperatura de bulbo húmedo local, media de las máximas diarias, en el período de la recolección.

El rendimiento (n) , segundo el mismo manual, es de 60%  para un tanque de pulverización, valor tradicionalmente usado para  su dimensionamiento y para la comparación a seguir.

En las destilerías, el agua caliente, sale de las columnas barométricas e intercambiadores de calor con una  temperatura  de  aproximadamente 18º C por encima  del agua fría, que está entrando.

Así, un tanque de pulverización en la región del Estado de São Paulo (tº = 23º C ) tiene  como temperatura de agua enfriada ( t1 ) :

 

0,6 = 48 – t1 ⇒ t1 = 33ºC : 48 - 23

 

Como los diferenciales térmicos (t2 – t1) se sitúan alrededor de 18º C, el agua sufrirá un gradual  proceso de calentamiento,  pues t2 ahora será 51º C y la nueva t1:

 

0,6 = 51 – t1 ⇒ t1 = 34,2ºC : 51 - 23

 

Así, vemos la imposibilidad de alcanzar la temperatura ideal del agua enfriada arriba indicada , como  siendo de 30º C, con el  tanque  de  pulverización. El nivel real de temperatura de agua enfriada, en este caso, se establece en función de la intensidad del viento natural, etc.

Ocasionalmente pueden ser verificadas en estos tanques temperaturas inferiores, pero  esto se debe al hecho de la medición haber sido efectuada en épocas de temperatura baja en el bulbo húmedo ( inferior a 23º C ), o aun debido a la mezcla con grandes volúmenes de agua fría, renovados continua  y abundantemente,  provenientes  de  otras  fuentes naturales ( estanques, represas, lagunas o ríos ).

Por tanto, aunque  consideremos únicamente el hecho de que un  tanque de pulverización (TP) por si solo no pueda enfriar el agua a una temperatura abajo de 33º C, eso ya lo elimina de la condición de alternativa económica para el enfriamiento del agua en una usina nueva.

Pero, también bajo el aspecto del costo de la inversión, el TP no es económicamente recomendable.

Comparaciones de los costes de inversión entre un tanque de pulverización (TP) y  un enfriador de agua (TR) demuestran esto.

Un análisis correcto de los costos comparativos entre la instalación de un TP o de una TR, debe tener por base instalaciones de igual capacidad; esto es: igual caudal, igual nivel de temperatura de agua fría e igual carga térmica a disipar.

Es fácil dimensionar una TR que enfríe un determinado caudal de agua en la faja de temperaturas que son usuales y típicas de un TP (t1 = 33º C). Pero es difícil e inseguro dimensionar un TP, que por su vez enfríe siempre este mismo caudal de agua en la faja de temperaturas típicas para una TRA.

El ejemplo comparativo, a seguir demostrado, revela una instalación padrón de una destilería de  120.000 l/día  de  alcohol, que  enfría  750 m3/h de agua  en  circulación ( intercambiadores  de calor y condensadores ), de 51º C para 33º C, con base en una temperatura del aire en el bulbo húmedo de 23º C ( valor representativo para el interior del  Estado de São Paulo, durante el período de la recolección, Mayo / Noviembre ). Para el TP admítese una velocidad media del viento natural, horizontal, transversal y en la salida del banco de dispersores, de 0,5 m/s, a 600 m por encima del nivel del mar.

Desde que mantenidas las condiciones de igualdad de los parámetros de comparación, el principio y los resultados son representativos también para otras áreas geográficas de implantación,  con  mayores  o  menores  temperaturas  del  aire en el bulbo húmedo. El  propio interesado  puede  variar  los  datos  básicos para efecto de cálculo, conforme las condiciones específicas, válidas para un determinado proyecto y/o una determinada región con  su temperatura del aire en el bulbo húmedo, representativa.

Fueron admitidas las siguientes simplificaciones, que pueden oscilar y así modificar un determinado  valor, para  más o  para  menos, y que el interesado en un caso específico pueda considerar o no, siempre en función de la disponibilidad de datos complementarios, tales como:

a) El efecto del recalentamiento por la insolación,  a la cual está expuesta la grande área   del TP, no fue considerado en el dimensionamiento de este. El efecto, que tiene influencia restricta en el resultado, va a favor de la TR.

b) El coste del terreno ocupado, valorizado en función de su exiguo vecindario a la usina, no considerado, va también a favor de la TR, teniendo en vista la expresiva área a mayor, que necesita el TP.

c) También no  fué  valorizada  la   pérdida  de  água  por  arrastre. Esta és fija en la TR, totalizando aproximadamente 0,05% del caudal en circulación (375 l/h en este ejemplo), y es variable en el TP, con 1 a 10 % del caudal en circulación ( 7.500 – 75.000 l/h ), en función de la  intensidad del viento, de la presión de pulverización, de la forma geométrica del TP y aun de la dirección de los vientos predominantes en relación al TP. Valores medios, de arrastre, observados, se situan alrededor de 3,0 %, aumentados de eventuales pérdidas por infiltración o fugas, principalmente cuando el banco de pulverizadores es montado sobre el lago o estanque de tierra.

d) Todas las inversiones periféricas y/o auxiliares, tales como bombas, tuberías exteriores, mandos e instrumentos de control ( eléctricos e hidráulicos ) etc., fueron considerados como siendo de coste similar en las dos instalaciones alternativas analizadas. Esto todo , no obstante las TR’s sean generalmente montadas a menor distancia de la fuente de calor que los TP’s por ocupar menos área, y por no incomodar con “llovizna “. Las bombas de las TR’s son  de menor coste que aquellas de los TP’s, por la menor presión de pulverización requerida en las TR’s.

e) Ventaja  aparente de la insensibilidad del TP contra el crecimiento de microorganismos, inexiste. El moderno relleno de contacto en alternativa al de barras lisas de respingo, con efecto  de  auto  lavado  por  la  corriente  de  agua,  también torna al TR  insensible a la formación de incrustaciones por microorganismos. En ambas alternativas vale, así  mismo, la  regla  que  una  desinfección  del  agua  en  circulación  mantiene  las  superfícies  de intercambio térmico limpias y con eso,  su capacidad de carga térmica nominal inalterada.

f) Aunque el coste de mantenimiento preventivo sea mayor en una TR, el  coste  de  la manutención correctiva es mayor en el TP, si este tiene sus tuberías  ejecutadas de acero al carbono.

 

TORRE DE ENFRIAMIENTO (TR)

TANQUE DE PULVERIZACIÓN (TP)

Método de dimensionamiento y Fiabilidad:

Los cálculos matemáticos, seguros y resultados fiables

Cálculos empíricos, resultados condicionales, que no siempre se confirman.

Custo de Mantenimiento

Oriente, porque es materiales resistentes a la corrosión, en función del nº de células

Alta en el mantenimiento correctivo por la frecuencia de cambio de piezas corroídas.

Recalentamiento por un golpe de calor

Ninguno

Área de la superficie y la profundidad media de la función.

Área Ocupada

Baja (aprox. 0,07 m2 por m3 / h).

Grande (1,2 a 1,5 m2 por m3/h)

Pérdida de agua por Arraste

Muy baja (0,1%)

Alta (3,0%) (en función del viento)

Consumo de Energia (bombas + ventiladores)

Igual

COMPARACIÓN:

 

         ENFRIADOR  INDUST. ( TR )        TANQUE DE PULVER. ( TP )

Método de Dimensionamiento y Confiabilidad:    Cálculos matemáticos, resultados seguros y confiables.         Cálculos empíricos, resultados condicionados, que ni siempre se confirman.

Coste del Mantenimiento.    Medio, por  tratarse de materiales resistentes a la corrosión, dependiendo del nº de celdas. Elevado en la manutención correctiva por la frecuencia de cambios de piezas damnificadas.

Recalentamiento por insolación.    Ninguno.       Moderado, función de la superfície y profundidad.

Área Ocupada         Reducida (aprox. 0,07 m2 por m3/h).      Grande (1,2 a 1,5 m2 por m3/h)

Pérdida de Agua por Arrastre         Muy baja (0,1%)     Elevada (3,0%) (en función del viento)

Consumo de Energía (bombas + ventiladores)    Igual

 

EJEMPLO DE COMPARACIÓN:

 

01. CONDICIÓN DE OPERACIÓN

Temperatura del agua caliente - t2 = 51 ºC

Temperatura del agua enfriada - t1 = 33 ºC

Temperatura de bulbo húmedo - t0 = 23 ºC

Caudal - Q = 750 m3/h

02. COSTES DE INVESTIMIENTO

2.01 TANQUE DE PULVERIZACIÓN ( TP )

Para la evaluación de los costos de inversión de un tanque de pulverización este debe ser correctamente dimensionado, bajo el riesgo de no haber posibilidad de una comparación justa.

 

De acuerdo con el  “Manual de Ingeniería Azucarera”(E. Hugot), se recomienda utilizar

Q = 750 kg/m2/h para um “rendimiento” de 0,6 (60%) : S , siendo:

 

 

Q = Caudal de agua a enfriar (kg/h)

S = Superfície necesaria del tanque (m2)

S = 750.000 : 750 = 1.000 m2

 

Esta área está representada por un estanque de 50 m x 20 m de área, por ejemplo. Añadiendo las márgenes de seguridad, recomendadas, a fin de disminuir las pérdidas de agua por arrastre del viento, vemos que es necesario  un tanque de 63,0 m x 26,0 m.

El tanque de pulverización típico es una cavidad  excavada con 0,5 m  a  0,6 m de profundidad con “losa” de 5 cm de hormigón con poca armadura , sobre camada de 10 cm de piedra britada , adensada ,  y con revestimiento asfáltico. Coste típico de la obra civil, inclusive proyecto = US$ 42,00 / m2 (inclusive con los bordes contra exceso de respingos).

El coste típico del sistema hidráulico, con aspersores, montado dentro del limite del tanque, es de US$ 33,00/m2, aproximadamente, montaje incluida. El coste total, por tanto, es de: US$ 75,00/m2, en los limites del tanque.

El referido tanque  tendrá, por tanto, un costo total de US$ 75.000,00.

 

2.02 ENFRIADOR INDUSTRIAL ( TR )

 

Para las condiciones de proyecto del TP o sea 750 m3/h em las temperaturas 51/33/23 ºC, un  enfriador  industrial  de  agua  fabricado  con los materiales mas actuales y modernos , carcasa de fiberglass, relleno  de  contacto  en  PVC, a  prueba  de  sólidos en suspensión , autolavable , con bacía de hormigón, tiene un costo de implantación comparable de US$ 60.000,00, impuestos y montaje incluidos, dentro de sus limites físicos.

Así, un Enfriador Industrial, en las mismas condiciones de proyecto, tiene un coste inferior al tanque de pulverización, además  de proporcionar todas las ventajas  anteriormente mencionadas.

Con una inversión adicional de US$ 35.000,00, para este ejemplo, puédese implantar un Enfriador Industrial, que proporcione una temperatura de agua fría de 30 ºC (antes 33 ºC), que podrá aumentar la producción de álcohol de la destilería en hasta 20%, o sea, en mas de 24.000 l/día de facturación adicional.

Un otro aspecto que debe ser analizado es el consumo de energía en un u otro sistema.

De manera general púedese afirmar que se equivalen, pués el consumo adicional de energía dos ventiladores del enfriador  es  compensado  por  el  menor  consumo  de energía para bombeamiento del agua, si el agua caliente  es distribuída por gravedad en el enfriador.

3) ENFRIADORES DE AGUA PARA COLUMNAS BAROMÉTRICAS:

 

En fábricas de azúcar aumenta la tasa de evaporación en los concentradores con el aumento del vacío en las columnas barométricas. Y el vacío aumenta con la reducción de la temperatura del agua de condensación, que llega a las mismas.

Con el aumento de la tasa de evaporación, mediante reducción de la temperatura del agua de condensación, aumenta el arrastre de gotas del caldo de la superficie en ebullición, para la columna barométrica, contaminando el agua de enfriamiento, con acentuada formación de lodo biológico en todo el circuito.

La alta tasa de arrastre de caldo, que la alta velocidad de salida del vapor provoca, puede hacer con que una baja temperatura del agua fría (abajo del límite que un TP consigue producir), sea indeseada, contraproducente y antieconómica. Los ventiladores del TR consume en este caso, sin necesidad , energía eléctrica.

Esto incide principalmente en instalaciones más antiguas, existentes, donde los diámetros de las tuberías de conducción del vapor de descarga fueron dimensionadas para la velocidad límite que las columnas barométricas podían tradicionalmente producir con el agua de condensación en  a temperatura de un TP y no de un TR, que entonces no era usual.

Si  esto  ocurre  en  uma  instalación  existente , donde  el  consumo  de  energia  con los enfriadores  es exageradamente alto (en comparación teórica con un TP), este consumo podrá ser, sin nuevas inversiones, drásticamente reducido, a través de la disminución de rotación en los ventiladores axiales, mediante cambio de los índices de reducción  en la transmisión del accionamiento.

Con una reducción para 50 % de su rotación, un ventilador axial reduce para 15 a 20% (reducción en 80 / 85%) su consumo de energía, manteniendo en 50 % su tiro de are en el sistema y con esto también en aprox. 50 % su capacidad.

Así, reduciendo la rotación de los ventiladores para la mitad, es posible alcanzar  con un TR (si  este  fué  proyectado  para  una temperatura  de  agua  fría  de 3 - 4º C  abajo  de  la temperatura que es obtenida en TP), aquel nivel  de  la  temperatura  del  agua  enfriada  que  un TP similar también podrá alcanzar, reduciendo el consumo de energía.

Importante: En condiciones de igualdad de temperatura de agua enfriada, una TRA (con distribución del agua caliente por gravedad), consume  menos  energía  (bombas +ventiladores), que un TP.

En instalaciones críticas, donde el arrastre de azúcar aumenta con el funcionamiento de un enfriador se torna excesivo, no hay necesidad de abandonar el enfriador y  volver a TP, para reducir el arrastre y el consumo de energía. Basta reducir la velocidad de giro de los ventiladores del enfriador.

En proyectos de usinas nuevas se recomienda planear con temperaturas bajas del agua de condensación (3 ... 4 ºC abajo de  las  asumidas  para  TP’s)  y  limitar  con  un  proyecto aprobado el arrastre de azúcar, y así  permitir el  aprovechamiento  máximo  de  un  vacío mejorado, sin pérdidas. Esto mejora el rendimiento global da usina.

Queda como conclusión , que un Moderno Enfriador Industrial de agua , en lugar de un Tanque de Pulverización trae como ventajas para una usina:

- Mayor produción de álcohol y/o azúcar, sin aumento del consumo de energía;

- Reducción del consumo de agua;

- Mejor aprovechamiento de las áreas anexas a la usina, y

- Mejor control de los procesos.

* El Ingº Carlos von Wieser es cofundador y director técnico, desde 1951 de ALPINA S/A Indústria e Comércio, hoy  ALPINA  Equipamientos  Industriales  Ltda, fabricante  de instalaciones, equipamientos y componentes para intercambio térmico, ventilación  y protección del medio ambiente.