Torres de Enfriamiento

Transcripción

SISTEMA DE OPTIMIZACIÓN DE
TORRES DE ENFRIAMIENTO DE AGUA
Como parte la misión de nuestra empresa, el Grupo de Control
Avanzado de Real Time Service S.A. pone a disposición de la industria su
Sistema de Optimización de Torres de Enfriamiento de Agua, un sistema
que permite alcanzar ahorros en el consumo energético y reducir el impacto
ambiental de su equipo de disipación de calor.
Torres de Enfriamiento: las fuentes de frío de su proceso
Las máquinas y los procesos industriales
generan enormes cantidades de calor que
deben ser continuamente disipadas si se
Sistema de Optimización de Torres de Enfriamiento
quiere que esas máquinas y procesos
operen de forma eficiente.
Las torres de enfriamiento permiten el
control del proceso de enfriamiento
mediante
la
evaporación
controlada,
reduciendo así la cantidad de agua
consumida. Esto se logra cuando a la gota
que se pone en contacto con el aire, se le
evapora la película exterior, requiriendo
para este proceso de absorber calor, el cual
se toma de la propia gota, enfriándola
consecuentemente. Es decir, el enfriamiento
se realiza tanto por calor sensible
(diferencia de temperatura entre el aire y el
agua) como por calor latente (cambio de
estado físico del agua a vapor). El objeto
que se persigue en la torre es que la gota
este el mayor tiempo posible en contacto
con el aire, lo cuál se logra con la altura de
la
misma
y además
interponiendo
obstáculos (el relleno), que la van
deteniendo y al mismo tiempo la van
fragmentando facilitando más el proceso
evaporativo.
Al igual que en los intercambiadores
naturales, las variaciones meteorológicas
afectan la performance de la torre. Las
variables meteorológicas cuyo impacto es
más importante en el funcionamiento de la
torre son la temperatura y la humedad
relativa del aire; en menor medida, la
presión atmosférica y la velocidad y
dirección de los vientos pueden ocasionar
efectos notables. La temperatura ambiente y
la humedad relativa presentan cambios
cíclicos con frecuencia diaria (por el ciclo
día–noche) y de frecuencia estacional
(variaciones verano-invierno, o estación
seca – estación húmeda). El efecto de estas
dos variables se condensa en la
temperatura de bulbo húmedo, que es la
temperatura de equilibrio dinámico que se
alcanza en la superficie del agua cuando el
flujo del calor transferido a la superficie por
convección se iguala con el flujo de masa
transferida fuera de la superficie.
Pero no sólo la performance de la torre
puede verse comprometida por las
variaciones climáticas. La torre forma parte
de un circuito de intercambio energético con
la planta. Por efecto de cambios en niveles
o tipos de producción, de habilitaciones de
servicios
que
requieran
agua
de
enfriamiento, y eventualmente por las
variaciones climáticas, la temperatura del
agua caliente que proviene del proceso
puede variar. En el proceso pueden haber
pérdidas o filtraciones, con lo que la
composición química del agua puede variar,
e incluso fomentar el crecimiento de algas u
otros organismos. Estas variaciones en la
calidad del agua pueden disminuir
notablemente la transferencia de calor en la
torre e incluso facilitar la degradación de sus
componentes por oxidación, corrosión o
incrustación de elementos extraños en el
ducto de enfriamiento.
En general, la mayor parte de la información
disponible para las torres de enfriamiento es
de selección, no de diseño y el cliente no
puede nunca determinar previamente si una
torre está bien o mal diseñada. La
estandarización comercial hace que las
torres sean diseñadas en condiciones de
máxima exigencia, esto es, para un día
húmedo de verano. Estas condiciones son
raramente alcanzadas, por lo que la torre
funcionará
en
general
fuera
de
especificación. La mayoría de las torres de
enfriamiento son diseñadas para operar con
una temperatura de bulbo húmedo la cual
es excedida solamente entre 2 a 5% de las
horas en los meses de verano. O sea que
durante el 95 a 98% del tiempo restante del
año la torre trabaja en condiciones mas
favorables. Si a esto se le agrega que en
mayor o menor grado todas las torres
siempre enfrían, entendemos el porque la
dificultad para evaluar éstos equipos. Esto
tiene además como consecuencia que la
demanda de enfriamiento de los sectores de
producción no pueda ser contrastada con el
costo que insume producir el agua fría, ni
que se pueda determinar un método
heurístico para minimizar el consumo de
energía en el proceso de enfriamiento. Por
lo tanto, el profesional a cargo de este
sistema deberá saber manipular la
operación de la torre para un óptimo
resultado, respondiendo a los cambios de la
temperatura de bulbo húmedo.
Las
variables que se usan para empezar a
especificar una torre de enfriamiento
correctamente son el flujo de agua, flujo de
aire, temperatura del agua caliente,
temperatura de agua fría, temperatura de
bulbo húmedo, rango, y aproximación,
aunque también es importante conocer las
características climáticas del lugar y la
composición del agua de enfriamiento.
La solución óptima para su planta
Cada planta tiene sus propias
particularidades en cuanto a nivel de
instrumentación y automatización y control.
Dependiendo de estas particularidades, del
grado de automatización e inteligencia que
se desee dotar al sistema, y de los
beneficios económicos que se aspire se
pueden optar entre los diferentes sistemas
propuestos. El objetivo principal de control
se basa en cumplir con la demanda de frío
de la planta. Esta demanda en general se
expresa por el producto de la temperatura y
el caudal del agua fría, aunque en muchos
casos se da sólo en función de la
temperatura del agua fría. Para satisfacer
ese objetivo, existen varias soluciones de
implementación en los diferentes niveles
relativos
al
sistema
de
control,
instrumentación y elementos finales de
control.
Sistema de control
En primera instancia, las plantas que no
posean automatización alguna se ven
altamente beneficiadas por la inclusión de
un control automático, sea o no optimizado.
La capacidad del sistema de control
automático de monitorear las variables a
controlar tiene como resultado una
operación más eficiente que la simple
operación manual. En este esquema, la sola
medición de temperatura del agua fría y su
comparación por un valor de setpoint
predeterminado, determina si se necesita
más o menos caudal de aire. El modo de
control puede ser más o menos eficiente,
dependiendo de los elementos finales que
se posea para regular el caudal del aire, y
consecuentemente
será
el
ahorro
energético. La estrategia de control podría
implementarse en varios niveles, desde un
software asesor para el operador, pasando
por un control por PC con capacidad de
comunicación OPC o similar con el DCS,
hasta
un
PLC
que
comande
el
funcionamiento
de
la
torre,
con
comunicación al DCS.
En general, se tendrán que controlar varios
motores, por lo que la elección de cuáles y
cuántos motores deben estar encedidos o
apagados, o a una determinada velocidad,
no es trivial, si se desea producir un ahorro
de energía real. Es por eso que la
implementación de un algoritmo de control
inteligente que evalúe cuál es la selección y
velocidad de ventiladores óptima puede
brindar al sistema de control de torres de
enfriamiento una capacidad mejorada.
La medición de los disturbios más
importantes otorga al sistema de control una
capacidad más avanzada para responder a
desviaciones en la temperatura de agua fría.
Con una identificación de los efectos que
tiene la temperatura del agua caliente, el
caudal de agua, la temperatura de bulbo
húmedo y el caudal de aire en la
temperatura del agua fría que produce la
torre, es posible obtener un control más
rápido y confiable. Aquí es lícito aplicar
tanto tecnologías de control más clásicas
(como controles cascada, feedforwad,
atraso/adelanto) como técnicas de control
multivariable más avanzadas (RGA, IMC,
Control Robusto Predictivo).
Finalmente, dada la diversidad de salidas
finales de control (motores de ventiladores,
bombas, etc.) y de mediciones, las
soluciones posibles para satisfacer la
demanda de frío pueden ser múltiples.
Puede ser viable entonces el planteo de la
optimización en línea de todo el sistema,
para que el sistema de control sea capaz de
responder de la mejor manera para lograr
un ahorro de energía neto.
Como se puede observar, la arquitectura
utilizada es muy flexible, pudiéndose
adaptarse a las características requeridas a
cada planta en particular.
Instrumentación
La cantidad de información que esté
disponible acerca de las variables que están
involucradas
en
el
proceso
está
íntimamente relacionada con el grado de
efectividad del control. Aquí, el grado de
efectividad incluye los factores de eficacia,
eficiencia, seguridad, disponibilidad y
calidad. De acuerdo al compromiso de
mejora, la instrumentación necesaria para
encarar una optimización en torres de
enfriamiento
puede
consistir
desde
solamente una medición de la temperatura
del agua fría y un mecanismo de actuación
en los ventiladores, hasta la medición
completa de todas las variables de interés
(temperaturas de agua caliente, fría,
temperaturas de bulbo seco del aire dentro
de la torre, temperaturas de bulbo húmedo o
humedades relativas, presión atmosférica,
medición de caudales de agua de entrada y
salida, reportes de marcha de los
ventiladores y bombas, consumos eléctricos
de los mismos, entre otras.). Obviamente, el
costo de inversión debe quedar justificado
por la mejora que se espera obtener. En
general
puede
aprovecharse
la
instrumentación existente en las torres, lo
cual disminuye en gran medida el costo
inicial. De cualquier manera, un sistema que
intente optimizar el manejo de torres de
enfriamiento debería contar al menos con
los siguientes elementos:
·
·
·
·
·
·
Medición de temperatura ambiente
Medición de la temperatura del
agua caliente
Medición de la temperatura del
agua fría
Medición de temperatura de bulbo
húmedo del aire que ingresa a la
torre
Medición de caudal de agua fría
Actuación sobre los ventiladores
Elementos finales de control
En la optimización de torres de enfriamiento,
los objetivos que se presentan son los
siguientes:
· Minimización del consumo de energía
en los ventiladores
· Minimización del consumo de agua de
refrigeración
· Minimización del consumo de energía
en las bombas del circuito de agua
Para
acometer
cada
problema
de
optimización, es necesario evaluar las
diferentes acciones que pueden ejercer los
distintos elementos finales de control. Las
acciones de control posibles pueden
clasificarse en dos tipos:
a) Acciones que regulan el flujo de
Agua
El caudal de agua que circula por la torre en
general viene fijado por especificaciones de
diseño. El caudal real necesario para
satisfacer la demanda de frío puede ser
menor que el de diseño, por lo que aquí
surge una oportunidad de ahorro energético.
A mayor caudal de agua a enfriar, es
necesario proveer un mayor flujo de aire,
con el consecuente gasto extra de energía.
Por ello, siempre que se lo permita, es
posible disminuir el caudal de agua que
circula por la torre, ocasionando un ahorro
energético. Por otra parte, si el caudal total
debe mantenerse, parte del agua caliente
puede saltear a la torre de enfriamiento, en
una configuración by-pass, para reunirse en
el depósito de agua fría. El agua que no
pasa por la torre no está sujeta a
evaporación, y en general al estar en menor
contacto con el aire tiende poseer un menor
grado de contaminación; existe entonces un
ahorro energético adicional, puesto que
necesita menos agua de reposición y el
caudal de agua que necesita tratamiento es
menor. Cabe aclarar que es necesario un
algoritmo de optimización para determinar el
punto óptimo en que existe ahorro real en
este tipo de control, ya que existen diversas
mezclas de agua fría y caliente que
satisfacen la demanda de frío, pero no todas
ellas producirán el ahorro máximo.
b) Acciones que regulan el flujo de
Aire
El caudal de aire de la torre es el que se
presta a una manipulación directa, y para
las torres de enfriamiento pueden utilizarse
diferentes alternativas de control del mismo.
En general, la torre consta de una o varias
celdas con una determinada cantidad de
ventiladores accionados por motores
eléctricos. Es el consumo de energía en
estos motores lo que ocasiona el gasto de
energía, y esto no debe perderse de vista.
Las diferentes alternativas de control de
estos motores se muestran a continuación:
Motores de una velocidad:
El control del caudal de aire en estos casos
es manual, siendo el operador quien
enciende o apaga los ventiladores según los
requerimientos
de
planta;
muchas
automatizaciones de torres de enfriamiento
aplican el mismo método. Si bien este
método es simple y el más popular, existe
un derroche de energía intrínseco, puesto
que el consumo de energía no es
proporcional a la compensación de la
demanda, sino que es fijo (cuando un
ventilador está encendido, consume su
máxima potencia), y puede enfriarse por
demás.
Dampers:
El control del caudal de aire puede
implementarse
utilizando
dampers
automáticos. En este caso, existe un ahorro
de energía puesto que el flujo de aire es
menor, aunque existe un gasto de energía
por el aumento en la perdida de carga del
sistema. Cerca del cierre total del damper,
el ventilador se atasca, y el consumo en el
motor crece aún más, por lo que debe
tenerse cuidado. No obstante, el ahorro
instantáneo puede llegar hasta un 40%,
comparado con el caso de mantener el
ventilador encendido sin ningun control
sobre el caudal de aire.
IGV:
Los IGV (Inlet Guide Vanes) son accesorios
que se montan a la entrada de aire de los
ventiladores. Son en esencia un conjunto de
paletas radiales regulables. La pérdida de
carga del sistema es mucho menor que en
el caso de los dampers, puesto que las
paletas ayudan a guiar el aire en el sentido
de giro que luego impulsará el ventilador. La
relación potencia consumida / caudal de
aire es mucho mejor que en el caso de los
dampers, y su costo es similar.
Motores multi-velocidad:
En general, los ventiladores se comportan
como cargas de torque variable, por lo que
la potencia consumida depende del cubo de
la velocidad del ventilador. Siendo esta
velocidad proporcional al caudal del aire, es
evidente que la mejor manera de controlar
el consumo es controlar dicha velocidad.
Por ello, varias torres de enfriamiento
contienen ventiladores de dos o más
velocidades, como una manera más
eficiente de controlar el consumo. Los
motores más comunes utilizados son de
doble velocidad con 4/8 polos o 4/6 polos.
Tales motores son capaces de una
operación a máxima o media velocidad
(4/8), o a máxima velocidad y dos tercios de
la misma (4/6). Es un control muy efectivo
para torres con más de tres celdas, llegando
a un ahorro instantáneo máximo posible de
un 70%, con respecto al caso de mantener
el ventilador encendido sin ningún tipo de
control de caudal de aire. No obstante, se
necesita una mayor inteligencia en el
sistema de control a fin de evaluar cuales
son las mejores oportunidades de ahorro
manteniendo a la vez satisfecha la demanda
de frío de planta.
Motores de velocidad variable:
El modo más eficiente de ahorrar energía es
variar directamente la velocidad del
ventilador. La velocidad del motor puede ser
ajustada automáticamente utilizando una
fuente de alimentación de frecuencia
variable, la cual convierte potencia de 50 hz
(o 60 hz) a potencia en una frecuencia de 0
a 100 Hz que determina la velocidad de
sincronismo de un motor de inducción.
Otras ventajas del uso de estas fuentes
radican en que permiten un arranque suave,
eliminando los picos de potencia consumida
en el arranque del motor.
Obtenga beneficios directos...
Hoy más que nunca, el éxito económico de
cualquier empresa requiere el uso eficiente
de la energía consumida en los procesos
de que se trate. La conservación
de
energía, consecuentemente, enfrenta un
fuerte y oportuno incentivo para escudriñar
el criterio de diseño y características de
construcción y operación
comúnmente
usados en estos procesos. El ahorro de
energía no debe circunscribirse a su faz
económica: si bien es cierto que un ahorro
de energía siempre trae un beneficio
monetario, la concepción de la energía
como
recurso
escaso,
que
debe
conservarse para disminuir el impacto en el
medio ambiente, comienza a ser cada vez
más popular. Así lo reflejan diversas normas
y legislaciones en todo el mundo.
Desde el pico de la crisis energética de
1970, todas las industrias que utilizaban
energía eléctrica debieron encarar un
estudio de ahorro de energía. El campo de
las torres de enfriamiento no fue la
excepción. El esfuerzo se enfocó en el
diseño de los equipos, y el planteo del
problema fue que la torre pudiera enfriar el
agua a una temperatura requerida de agua
fría, considerando una carga de calor
constante y condiciones máximas de la
temperatura de bulbo húmedo local. Estos
diseños dieron como resultado torres de
gran tamaño, gran consumo de potencia, y
costo aún mayor. Para la reducción de los
costos del equipo, generalmente la torre es
especificada con una temperatura de bulbo
húmedo menor que la máxima local. Con
esto se asume el riesgo de que en un
determinado porcentaje (en general menor
al 2%) de días del año, la torre no pueda
cumplir con la temperatura de agua fría
requerida, pero los costos de inversión y de
operación son mucho menores. Se genera
además una oportunidad de ahorro de
energía: como la mayor parte del tiempo las
condiciones
atmosféricas
son
más
favorables que en las condiciones de
diseño, es posible que se alcance a
satisfacer la demanda de frío de la planta
con un menor consumo energético en
ventiladores y bombas de agua.
Sin embargo, no cualquier automatización
que se encare puede redundar en un
beneficio real. En el caso particular de las
torres de enfriamiento, la temperatura de
bulbo húmedo del aire es quizá la variable
más importante del proceso, puesto que es
la temperatura teórica y real mínima que
puede alcanzar el agua enfriada. Aún así,
son pocos los sistemas automáticos que
monitorean esta variable, o la hacen
participar en la decisión de control. El caso
más extremo, si la temperatura de bulbo
húmedo es mayor que la temperatura de
agua fría deseada, no importa cuantos
ventiladores se enciendan: no será posible
cumplir con la demanda de frío del sistema,
y la adición de ventiladores encendidos solo
ocasionará un derroche de energía, puesto
que la temperatura del agua no descenderá
una sola décima.
En estos sistemas se cuenta con más de un
ventilador, con lo que la decisión de control
que redunde en un mejor aprovechamiento
de la energía no es trivial. Puede
Ahorro de
Energía
Aumento en
Calidad
Solución a su
medida
Reducción del
impacto ambiental
del desecho de agua
industrial en las
cuencas naturales.
Eliminación de los
problemas típicos de
la modulación de
torres de
enfriamiento.
Reducción del impacto
ambiental del exceso de
agua consumida por
evaporación.
Reducción de carga
de mantenimiento
en equipos.
compararse esto a la sintonía de un lazo de
control clásico: en general, pueden haber
varios conjuntos de constantes de sintonía
que permitan un control estable, pero no por
eso todas poseen el mismo grado de
velocidad de respuesta, tolerancia a
cambios de carga, o incluso el mismo
consumo de energía.
En mayor o menor grado, todas las torres
siempre enfrían, estén automatizadas o no,
por lo que se entiende la dificultad para
evaluar éstos equipos. Esto tiene además
como consecuencia que la demanda de
enfriamiento de los sectores de producción
no pueda ser contrastada en forma directa
con el costo que insume producir el agua
Reducción del
trabajo de
supervisión por
aumento en la
confiabilidad
fría, ni que se pueda determinar un método
heurístico para minimizar el consumo de
energía en el proceso de enfriamiento.
Con un sistema de torres de enfriamiento
optimizado, el ahorro energético se basa no
solamente en la automatización básica
(encender o apagar los ventiladores
dependiendo de la temperatura del agua),
sino en un control efectivo que tome en
cuenta todas las variables involucradas en
el proceso, todas las incertidumbres del
sistema, y un algoritmo de optimización con
la inteligencia para determinar la mejor
acción de control que redunde en el mayor
ahorro de energía posible y que cumpla
siempre con la demanda de frío de la planta.
... junto con ventajas adicionales!
Nuestro Sistema de Optimización de Torres
de Enfriamiento, además de alcanzar un
mejor aprovechamiento energético y el
consecuente
ahorro
económico,
le
proporcionará a su planta una serie de
ventajas adicionales.
Reducción del impacto ambiental del
desecho de agua industrial en las
cuencas naturales.
Las máquinas y los procesos industriales
generan enormes cantidades de calor que
deben ser continuamente disipadas si se
quiere que esas máquinas y procesos
operen
de
forma
eficiente.
Los
intercambiadores finales son generalmente
las corrientes de agua naturales, como por
ejemplo los ríos, arroyos, lagos o mares,
puesto que el proceso natural de
evaporación los hace muy efectivos y de
bajo
costo.
Estos
intercambiadores
naturales actúan sin ningún tipo de control
humano con respecto a los disturbios más
importantes que pueden sufrir: las
variaciones atmosféricas. Por otro lado, el
impacto ecológico que ejerce el desecho de
agua de proceso a altas temperaturas en
una cuenca natural puede llegar a ser
devastador para la fauna y flora local, ya
que puede aumentar en varios grados
centígrados la temperatura del agua de la
corriente
natural.
Además,
utilizar
directamente el agua natural como
refrigerante puede producir un daño en el
ecosistema hídrico por la utilización
desmesurada de un recurso natural que se
perfila como el más importante a futuro: el
agua dulce.
La inclusión de un sistema de torres de
enfriamiento permite la reutilización del
agua en los intercambiadores de calor, y por
ello la cantidad de agua de desecho
disminuye. Además, el agua de refrigeración
que se desecha en las cuencas naturales
puede ser de una temperatura mucho
menor, y por ende menos dañina al
ecosistema de la cuenca. Un sistema de
torres de enfriamiento optimizado permite
un control que tenga en cuenta el impacto
ambiental del sistema de enfriamiento,
regulando de manera inteligente y segura
para el ambiente la cantidad de agua
utilizada en el proceso, e intercambiada con
el ecosistema.
Reducción del impacto ambiental del
exceso
de
agua
consumida
por
evaporación.
Las torres de enfriamiento permiten el
control del proceso de enfriamiento
mediante la evaporación. Esto se logra
cuando a la gota que se pone en contacto
con el aire, se le evapora la película
exterior, requiriendo para este proceso de
absorber calor, el cual se toma de la propia
gota, enfriándola consecuentemente. Es
decir, el enfriamiento se realiza tanto por
calor sensible (diferencia de temperatura
entre el aire y el agua) como por calor
latente (cambio de estado físico del agua a
vapor). El objeto que se persigue en la torre
es que la gota este el mayor tiempo posible
en contacto con el aire, lo cuál se logra con
la altura de la misma y además
interponiendo obstáculos (el relleno), que la
van deteniendo y al mismo tiempo la van
fragmentando facilitando más el proceso
evaporativo. En los nuevos sistemas los
obstáculos en lugar de romper la gota,
hacen que se forme una película muy
delgada en donde se lleva a cabo el mismo
proceso.
Es importante notar que como el proceso es
evaporativo, siempre existe una pérdida de
agua de enfriamiento. En otras palabras, del
agua caliente que ingresa a la torre, un
porcentaje se convierte en agua enfriada y
el restante en vapor de agua que se mezcla
con el aire que sale de la torre. Este
porcentaje que se transforma en vapor es el
que representa una pérdida en el agua de
enfriamiento, la cual debe reponerse a fin de
mantener el caudal de refrigeración. Este
agua generalmente se considera como
“agua consumida” por el proceso de
enfriamiento cuya cantidad debe ser
reducida, puesto que proviene de un
recurso natural básico para la vida, como se
explicitara anteriormente. Por otro lado, el
aire excesivamente húmedo que sale de la
torre puede transformarse en un medio ideal
para la proliferación y transporte de
microorganismos patógenos que pueden
afectar la calidad de vida vegetal, animal y
humana.
Si bien en el diseño y selección de la torre
se tiene en cuenta limitar el porcentaje de
agua que se evapora, en condiciones de
operación puede ocurrir que este límite no
se respete totalmente, ocasionando un
exceso
de
evaporación
con
las
consecuencias
mencionadas.
La
optimización del sistema de torres de
enfriamiento tiene en cuenta el monitoreo
del agua que se evapora en el proceso, y
puede regular su cantidad a niveles
seguros. La cantidad de agua evaporada
también puede tomar parte en la decisión
final de control, haciendo que el sistema de
refrigeración de la planta evolucione hacia
una filosofía “amiga del ambiente”.
Eliminación de los problemas típicos de
la modulación de torres de enfriamiento.
El proceso de enfriamiento evaporativo que
se produce en la torres de enfriamiento
depende principalmente del área de
contacto entre el agua y el aire que circulan
en el interior de la torre. Uno de los
problemas más comunes son los causados
por el relleno o empaque, de la torre de
enfriamiento, que si bien es el medio físico
por medio del cual se logra un mejor y
mayor tiempo de contacto entre las
corrientes de aire y agua, puede causar
excesiva perdida de carga lo cual dificultara
el pasaje del agua con la consiguiente
inundación de la torre. Este aumento en la
caída de presión causara principalmente
que el caudal de aire sea pobre o nulo, por
lo tanto no se lograra el enfriamiento
adecuado de la corriente de agua. En este
caso, además de no lograr el enfriamiento,
la potencia consumida en los ventiladores
puede aumentar o incluso pueden
producirse daños en el ventilador.
Otro inconveniente es el bloqueo por
exceso de agua, que se produce cuando
por aumento excesivo de su caudal el aire
disminuye marcadamente su flujo debido a
un aumento de la resistencia de pasaje por
el relleno
como consecuencia de la
disminución de la sección del pasaje.
Tambien puede producirse un bloqueo por
exceso de aire, se produce cuando el
aumento del caudal de aire es tal que el
agua no fluye en forma adecuada por el
relleno, siguiendo caminos preferenciales,
disminuyendo el intercambio de calor en
forma apreciable.
Estos
problemas
rara
vez
son
diagnosticados a tiempo en un sistema
convencional. En un sistema de torres de
enfriamiento optimizado, estas situaciones
son rápidamente identificadas, corregidas
con acciones sobre los elementos finales de
control, y debidamente reportadas, antes
de que tengan consecuencias en la
producción de la planta, con lo que se
obtienen ventajas obvias desde el punto de
vista de operación y mantenimiento.
Reducción de carga de mantenimiento en
equipos.
Un sistema de control no puede definirse
como inteligente si no tiene en cuenta las
características de los elementos físicos que
lo componen. La mayor parte de las tareas
de mantenimiento correctivo se producen
por fallas en equipos a raíz de su utilización
en puntos de operación que exceden los
rangos de seguridad especificados por los
fabricantes. La disculpa que brindan en
generalmente
los
ingenieros
de
mantenimiento es clara y cierta: no es
posible mantener en buen estado lo que no
se puede ver.
Para un sistema de torres de enfriamiento,
los elementos que necesitan mantenimiento
son ventiladores, bombas de agua, el
sistema de distribución de agua, entre otros,
cuya inspección puede ser compleja en
condiciones de operación. No obstante, un
sistema de control inteligente puede darse
cuenta tanto de la degradación de sus
elementos como de si se están utilizando
fuera de su especificación. Por ejemplo, una
reducción en el coeficiente de transferencia
de calor, estimado indirectamente de las
variables medidas con la torre en operación,
es un claro signo de degradación del
sistema, pudiendo ser provocado por
corrosión o incrustaciones en las toberas y
tuberías del sistema de distribución de
agua, una degradación en el relleno, o bien
por presencia de obstrucciones en las
tomas o salidas de aire. Si bien el sistema
de control no puede solucionar por si mismo
estos problemas, puede indicarle al área de
mantenimiento los puntos clave donde debe
centrar su esfuerzo, antes de que los
efectos de esta degradación comprometan
la producción de la planta.
Reducción del trabajo de supervisión por
aumento en la confiabilidad
Al igual que en los intercambiadores
naturales, las variaciones meteorológicas
afectan la performance de la torre. Las
variables meteorológicas cuyo impacto es
más importante en el funcionamiento de la
torre son la temperatura y la humedad
relativa del aire; en menor medida, la
presión atmosférica y la velocidad y
dirección de los vientos pueden ocasionar
efectos notables. La temperatura ambiente y
la humedad relativa presentan cambios
cíclicos con frecuencia diaria (por el ciclo
día–noche) y de frecuencia estacional
(variaciones verano-invierno, o estación
seca – estación húmeda). El efecto de estas
dos variables se condensa en la
temperatura de bulbo húmedo, que es la
temperatura de equilibrio dinámico que se
alcanza en la superficie del agua cuando el
flujo del calor transferido a la superficie por
convección se iguala con el flujo de masa
transferida fuera de la superficie. La
humedad tiende a aumentar hacia la noche
y a disminuir por la mañana, mientras que la
temperatura
ambiente
tiene
un
comportamiento opuesto. Sin embargo,
existen diversas condiciones climáticas que
pueden afectar estas tendencias (por
ejemplo, presencia de precipitaciones,
nubes, o meteoros especiales como frentes
tropicales o polares, vientos, etc.).
Pero no sólo la performance de la torre
puede verse comprometida por las
variaciones climáticas. La torre forma parte
de un circuito de intercambio energético con
la planta. Por efecto de cambios en niveles
o tipos de producción, de habilitaciones de
servicios
que
requieran
agua
de
enfriamiento, y eventualmente por las
variaciones en la temperatura del medio
ambiente, la temperatura del agua caliente
que proviene del proceso puede variar. En
el proceso pueden haber pérdidas o
filtraciones, con lo que la composición
química del agua puede variar, e incluso
fomentar el crecimiento de algas u otros
organismos. Estas variaciones en la calidad
del agua pueden disminuir notablemente la
transferencia de calor en la torre e incluso
facilitar la degradación de sus componentes
por oxidación, corrosión o incrustación de
elementos extraños en el ducto de
enfriamiento.
Por estas razones, es evidente que las
torres
de
enfriamiento
necesitan
supervisión. En un sistema de torres de
enfriamiento no automatizado, la tarea del
operador es, en general, encender o apagar
ventiladores de acuerdo con la demanda de
frío de la planta. El único conocimiento que
se supone posee el operador podría
resumirse en la siguiente proposición: “si se
necesita más frío, enciendo otro ventilador;
si se necesita menos frío, apago un
ventilador”. En general se considera a la
torre como una caja negra, y no se tienen
en cuenta las variaciones en la temperatura
de bulbo húmedo, aunque la experiencia
hace que los operadores de las torres de
enfriamiento conozcan el hecho de que en
los días más húmedos y calurosos, las
torres tienden a necesitar más ventiladores
encendidos.
La mayoría de los sistemas automáticos
liberan al operador la toma de decisión, pero
el esquema de control tiene la misma lógica,
“si se necesita más frío, enciendo otro
ventilador; si se necesita menos frío, apago
un ventilador”. Muy raramente se tiene en
cuenta el conocimiento y la experiencia de
los operadores, ni la medición de la
temperatura de bulbo húmedo en la toma de
decisión de control. Un sistema de torres de
enfriamiento optimizado puede tener en
cuenta las variaciones climáticas y de
demanda de proceso, resultando en un
control más confiable y por ende con menor
carga de supervisión.
Aumento en Calidad
Es evidente que si el sector que tiene a
cargo el gerenciamiento de las torres de
enfriamiento está comprometido con la
calidad de los servicios que el sector
provee, se deben implementar políticas que
aseguren la uniformidad del servicio. En
otras palabras, las torres de enfriamiento no
sólo deben enfriar, sino hacerlo bien. En un
sistema
de
torres
de
enfriamiento
optimizado la calidad es una propiedad
inherente, puesto que en cada decisión de
control se toma en cuenta la demanda de la
planta, las limitaciones propias de las torres,
las condiciones atmosféricas, y en todo
momento se monitorean indirectamente las
variables no medidas y se descubren
posibles situaciones de peligro para los
equipos y para el medio ambiente. La
eliminación de problemas comunes y la
detección temprana de fallas evitan la
discontinuidad en la provisión del servicio de
agua fría; la robustez del sistema de control
asegura la estabilidad de los caudales,
temperaturas y composición del agua de
refrigeración; el uso de técnicas de
optimización permite además elegir la mejor
decisión de control, involucrando tanto
aspectos económicos directos (costo de la
energía electrica consumida en bombas y
ventiladores, costos de agua consumida,
demanda de producción, entre otras) como
indirectos (mantenimientos reactivos, multas
por demandas energéticas o impacto
ecológico, entre otras), y priorizando
siempre la satisfacción de la demanda frío
de planta.
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Enfriamiento, no dude en contactarse con nosotros.
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