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FLUXO CRUZADO OU FLUXO EM CONTRACORRENTE

UNA COMPARACIÓN DE LAS TENDENCIAS CONSTRUCTIVAS DE NORTEAMÉRICA Y EUROPA

 

Ing. Carlos Von Wieser

 

 

 

Torre de doble flujo transversal (double cross- flow) de construcción americana.

  

Como en muchos otros campos, en Brasil, las tendencias específicas de América del Norte y Europa en la construcción de torres de enfriamiento de agua también están presentes en los contratos de licencia en Brasil.

Estas tendencias son una consecuencia de las condiciones únicas del mercado en sus respectivos países de origen. Al fusionarse en Brasil, donde no hay las mismas condiciones de mercado, la comparación y valoración entre las construcciones resultantes desorientan a los menos entendidos. La indicación obligatoria de uno u otro tipo de construcción en las especificaciones técnicas que nos llegan desde el exterior, plantea dudas cuando, en realidad, no hay motivo para ello.

La mayor polémica, al comparar construcciones americanas y europeas, apunta fundamentalmente a valorar la posible superioridad de uno u otro tipo, entre el cross-flow (“cross-flow”) que llamaremos, simplificando, “americano” y el de flujo en contracorrente (“counter-flow”), que es típicamente de construcción europea.

Vale la pena analizar si existe o no, para el mercado brasileño, alguna ventaja de uno de los sistemas sobre otro.

La literatura especializada proporciona, en general, en forma tabular, indicaciones sobre las ventajas y desventajas de un sistema sobre el otro. Las ventajas, por regla general, superan a las desventajas y el responsable de elegir entre las alternativas verá finalmente que la decisión no debe tomarse en función del tipo de construcción, sino de la superioridad del proyecto individual al que se enfrenta. en términos de economía, ya sea en contracorriente o contracorriente.

La entrada triunfal de la torre de flujo cruzado en los Estados Unidos data de poco antes de la Segunda Guerra Mundial. Las primeras torres de refrigeración por agua, todavía arrastradas únicamente por el viento natural, se construyeron en Europa antes del cambio de siglo, en regiones de alta concentración industrial, donde pronto se reconoció la necesidad de reutilizar los escasos recursos naturales del agua, como un medio de refrigeración. medio para procesos industriales. Las primeras torres con tiro mecánico aparecieron entre 1920 y 1930, con el descubrimiento de la mejora de algunos procesos industriales, en la proporción en la que era posible bajar el nivel de las temperaturas del agua enfriada, en comparación con las temperaturas que podrían obtenerse con torres con calado por convección, o con calado por viento natural.

Tanto en Estados Unidos como en Europa se construyeron torres con estructuras y otros componentes de madera, hasta poco antes de la II Guerra Mundial, en sistema de contraflujo (“counter-flow”), con tiro forzado (insuflación de aire) o inducido ( toma de aire). Las torres de tiro de convección eran casi desconocidas en los Estados Unidos, ya que solo unas pocas regiones pequeñas ofrecían el clima adecuado (alta humedad relativa con baja temperatura promedio) para resultar, en términos económicos, en temperaturas de agua fría lo suficientemente bajas para los condensadores tradicionales de esos años.

Estados Unidos tenía en la Secuoya Californiana una madera de alta resistencia mecánica, ligada a una alta resistencia a los ataques de microorganismos. Esta madera parecía tener reservas inagotables, era de bajo costo y se vendía en calibres adecuados y de excelente calidad. No hubo necesidad y por lo tanto no hubo interés en buscar otras alternativas para materiales de construcción de torres.

En Europa fue necesario utilizar la madera de coníferas escandinavas, con menor resistencia a los microorganismos, por lo tanto con mayor costo de inmunización, con menor resistencia a los microorganismos, por lo tanto con mayor costo de inmunización, con menor resistencia mecánica y debido a largas distancias de transporte, más chico. Los calibres más grandes eran más difíciles y de menor calidad.

La madera fue, en Europa, con el propósito específico de construir torres de enfriamiento de agua, de mayor costo y de menor calidad en comparación con otras alternativas que se ofrecían.

Una gran parte de las regiones altamente industrializadas de Europa dependen de la electricidad generada por centrales térmicas, con una alta capacidad de condensación de vapor. El aumento en la capacidad de los bloques de las plantas resultó en torres que debían enfriar caudales de 30.000 a 45.000 m / h de agua por unidad. No hubo necesidad ni interés de subdividir en unidades multicelulares, a efectos de elasticidad de funcionamiento, ya que con la mejora de las condiciones climáticas con el fin de enfriar (invierno) la demanda (carga), derivada del consumo de energía para calefacción y efecto de iluminación.

 

Torre de flujo transversal en contraflujo, (counter-flow), multicelular europeo.

 

Solo las torres con tiro inducido (succión), con el extractor colocado sobre el plano del sistema de distribución de agua caliente, permitieron un aumento sustancial del diámetro del ventilador, para acompañar el crecimiento de las células individuales, y cumplir, en condiciones de el mercado europeo, las capacidades unitarias siempre mayores.

Era difícil controlar las cargas dinámicas, producto del desequilibrio, por corrosión o accidente, del rotor de un ventilador axial, de diámetro superior a 10,0 m, montado sobre una estructura de madera. Las uniones entre los elementos estructurales perdieron gradualmente su resistencia inicial, aumentando la amplitud de las oscilaciones de los ventiladores desequilibrados, cuando el defecto no se detectaba fácilmente. Este fenómeno dio lugar a la tendencia estadounidense a utilizar ventiladores axiales con una gran cantidad de palas, con alta frecuencia y baja amplitud de pulso, con un diámetro de hasta 34 pies (10,2 m). Las conexiones entre los elementos de construcción de madera de la estructura fueron reforzadas con anillos especiales, y los ventiladores fueron equipados con interruptores de conmutación centinela en exceso de vibración, oscilación o pulsación, limitando la velocidad periférica, por tradición, a 60 m / s min).

El desarrollo europeo de unidades más grandes pronto dio como resultado la aplicación de hormigón armado. Constructivamente, fue más fácil controlar las cargas dinámicas de los grandes ventiladores axiales en la parte superior. Así, hay unidades en servicio continuo durante algunos años con ventiladores de 26,0 m de diámetro. El número de palas por unidad y la velocidad periférica se determinan únicamente en términos de rendimiento estático máximo y / o por motivos de ruido, pero no están construidos para soportar velocidades periféricas de hasta 90,0 m / seg.

Por tanto, las capacidades de las celdas de las antiguas torres de contraflujo americanas se limitaban a las capacidades de los mayores ventiladores axiales, que podían instalarse en las estructuras de madera, sin ningún problema estructural o de seguridad, a medio o largo plazo. El uso de mejores tipos de llenado, ligado a una mayor velocidad del aire, trae, por regla general, un aumento en la capacidad de la unidad, sin embargo, acompañado de un aumento en la pérdida de presión estática debido a la activación del agua por el mayor velocidad del aire, limitada, sin embargo, esta característica.

Cuando apareció la torre de flujo cruzado doble antes de la Segunda Guerra Mundial en los Estados Unidos, fue fácilmente aceptada y difundida, tan pronto como las patentes habían expirado. Esto se debe a que permitió un amplio rango de temperaturas de operación para aumentar la capacidad por celda, resultado de una reducción significativa en la pérdida de presión estática, aunque el volumen de aire, para una capacidad definida y condición de operación, fue mayor, en comparación con el tiro a contracorriente.

Paralelamente al uso del hormigón para estructuras de grandes celdas, en Europa se sustituye la madera por aceros perfilados, protegidos contra la corrosión, para estructuras de unidades de tamaño medio, y por plástico reforzado con fibra de vidrio para unidades compactas de pequeña capacidad.

En Europa también se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar sistemas de llenado por contacto cada vez más eficientes, en sustitución de los tradicionales masillas de madera, buscando aprovechar las características físicas de los nuevos materiales (porosidad, maleabilidad).

Como la torre de tiro cruzado es esencialmente una torre con relleno do sistema de goteo, para permitir grandes áreas de paso de aire, por lo tanto para baja velocidad del aire y baja presión estática, y cómo los materiales que podrían reemplazar la madera en este sistema resultan en un mayor costo, debido a Las pequeñas distancias requeridas entre apoyos, una vez más, no hubo incentivo para el renacimiento de la torre de tiro a contracorriente en el competitivo mercado americano. En realidad, no faltaron los intentos de tubería. En realidad, no faltaron los intentos de utilizar plásticos y fibrocemento en torres trefiladas. En unidades de gran capacidad, sin embargo, el uso es poco frecuente. Sin embargo, se desarrollaron con éxito unidades pequeñas y compactas, notablemente con sistemas de contacto de película o de remolino.

La reducción en el consumo de energía eléctrica para la activación de los ventiladores, como resultado del menor producto de presión estática x tiro de aire, se compensó en unidades grandes con tiro de aire, se compensó en unidades grandes con tiro transversal que, por lo anterior, utilice el sistema de llenado por goteo por contacto, con la altura geométrica aumentada de bombeo de agua caliente. En unidades grandes es común encontrar alturas de 15.0 m, cuando en el sistema de contracorriente la altura normal es de 8.5 - 9.5 m, también para unidades con ventiladores de hasta 15.0 m de diámetro. Se concluye que la cuestión del mayor o menor consumo de energía eléctrica no depende del sistema de ventilación (corriente cruzada o contracorriente), sino de la eficiencia del diseño del relleno de contacto, en función de la concentración del líquido sobre el gas (aire), de proyecto.

Así, esbozamos en líneas generales, y de forma simplificada, las razones por las que en Europa la torre trazada en cruz no encontró la misma aceptación que en Estados Unidos, y por qué se prefiere este tipo de construcción en ese país.

Un equilibrio entre la diferencia en la construcción de los dos tipos no debería justificar una preferencia en la elección, ya que existen diferencias en el costo, la inversión general, la operación y el mantenimiento.

Como una torre está especificada para enfriar un cierto flujo de agua caliente, desde una cierta temperatura de agua caliente a una cierta temperatura de agua enfriada en la incidencia de la temperatura del aire predeterminada en el bulbo húmedo, la elección entre los 2 sistemas debe ser base:

·         el costo total de inversión (incluido el costo del área ocupada, cimientos y obras civiles);

·         costo operativo (consumo de electricidad para impulsar ventiladores y bombas y pérdidas de agua por arrastre);

·         el costo probable de mantenimiento, incluido el costo del tratamiento del agua y el costo de mantenimiento, incluido el costo del tratamiento del agua y el costo del seguro contra incendios, y

·          desde la perspectiva de la longevidad de los materiales y equipos elegidos en la construcción, para determinar la tasa de amortización.

  

Torre de contraflujo (counter-flow), multicelular, equipada con ventiladores de 25 m de diámetro, accionados por motores de 3.500 HP, construcción europea.

 

Es absolutamente irrelevante si el mejor resultado se obtiene con una torre de tiro en contracorriente o con un tiro transversal.

La diferencia en la estética arquitectónica, que de vez en cuando tiende a otro lado, es cuestión de gustos y, por tanto, subjetiva.

Como resultado de la mayor complejidad de las formas de la torre de tiro transversal, por regla general, el consumo de hormigón por unidad y el costo por metro cúbico son más altos en estas unidades, en comparación con la unidad de tiro en contracorriente, en las mismas condiciones de operación.

Considerando el uso de materiales y equipos iguales en calidad y durabilidad, en uno u otro sistema e, incluyendo en estas consideraciones la eficiencia del llenado de los contactos, ya que esto define los costos de inversión y operación, solo queda el costo de comparación para consideraciones comparativas. y el costo del tratamiento del agua, ya que son los únicos puntos donde puede haber una diferencia de costo dependiendo del sistema constructivo de ventilación cruzada o contracorriente. Nuevamente vemos que la ventaja que ofrece un sistema sobre el otro se compensa con una desventaja en el mismo detalle: la mayor facilidad de acceso e inspección de los tanques de distribución de agua caliente en las torres dibujadas en cruz se anula por la exposición de este calor. agua a los rayos del sol, lo que resulta en un mayor estímulo para el crecimiento de algas. Por lo tanto, se requiere mayor cuidado para mantener las boquillas de riego despejadas aplicando dosis más fuertes de biocidas o mediante limpieza mecánica.

Una nota clave constante en la literatura mundial especializada es la mayor sensibilidad de las torres transversales frente a la recirculación del aire húmedo expulsado por ventiladores, fundamentalmente cuando hay vientos cruzados y para baterías multicelulares. Se permite una "interrupción en la producción" anual, dependiendo de la posición de la torre en relación a los vientos dominantes del 8 - 10%, con picos de hasta el 20%, mientras que para las torres de tiro con calado en contracorriente estos números no deben exceder la mitad . Esta disminución de capacidad puede superar la mitad. Esta disminución de capacidad puede pasar desapercibida al recibir una prueba, cuando hay vientos favorables. Por otro lado, el proyectista de la torre de tiro transversal debe incluir esta reducción en forma de reserva de capacidad en su proyecto, o reducir el efecto colocando difusores altos, pasando este detalle, a pesar del costo global de inversión. Se admite en la literatura que es inevitable una mayor o menor incidencia de recirculación, en todas las torres cuyo punto de salida de aire húmedo (parte superior del difusor) se encuentre a menos de 30 m por encima del nivel del agua fría.

La ventaja arquitectónica de la baja silueta del enfriador compacto de tiro cruzado, con una película de pequeña capacidad o relleno en forma de torbellino, se compensa parcialmente con el mayor factor necesario para compensar la mayor recirculación.

En resumen, se puede observar para las condiciones brasileñas: No es importante, asegurar la igualdad de especificaciones de materiales y equipos, en términos de calidad y durabilidad, que una torre de enfriamiento de agua realice el trabajo para el que está destinada en el principio de construcción norteamericano, es decir, en el sistema de tiro cruzado (flujo cruzado simple o doble) o en el sistema europeo (contracorriente). Lo importante es, para igualdad de condiciones de capacidad, el costo de inversión global definido anteriormente, es el costo operativo, es el costo de mantenimiento y, además, por el efecto del costo de amortización, es su longevidad.

 

Enfriadores compactos de fibra de vidrio, sistema a contracorriente.