1. Conocimientos básicos de instalaciones de aire acondicionado. TEMA 8 PEÓN ESPECIALISTA JCCM

Conocimientos básicos de instalaciones de aire acondicionado

Definición

Actualmente, los equipos de aire acondicionado se definen como máquinas térmicas o sistemas en los que un fluido compresible sufre una transformación para producir energía mecánica o viceversa, basándose en las leyes de la termodinámica. Un fluido es un medio que se deforma al aplicarle una fuerza infinitesimal, e incluye tanto líquidos como gases.

Estos equipos de aire acondicionado son máquinas térmicas que consumen energía mecánica o trabajo para extraer calor de un punto frío y transferirlo a un punto caliente. La zona donde se elimina el calor es el frío que se desea generar.

Tipos

Básicamente, existen dos tipos de sistemas de refrigeración: los de vapor y los de gas. En los sistemas de vapor, el refrigerante se vaporiza y condensa alternativamente en los distintos elementos del circuito. En los sistemas de gas, el refrigerante permanece siempre en estado gaseoso.

Dado que una bomba de calor es una máquina frigorífica que intercambia los focos de calor, la clasificación de los circuitos frigoríficos se hará según las bombas de calor.

1. Según el tipo de proceso:

Bombas de calor accionadas por compresor: El compresor está impulsado mecánicamente por un motor eléctrico, de gas, diésel u otro tipo.
Bombas de calor de accionamiento térmico o de absorción: El ciclo se impulsa mediante calor a altas temperaturas.

2. Según el medio de origen y destino de la energía: Esta clasificación es la más común y se denomina con dos palabras: la primera corresponde al medio del que se absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente).

Bombas de calor aire-aire: Son las más utilizadas, especialmente en climatización.
Bombas de calor aire-agua: Se usan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
Bombas de calor agua-aire: Aprovechan la energía contenida en el agua de ríos, mares, aguas residuales, etc., y ofrecen mejores rendimientos energéticos debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua durante el año.
Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, pero los emisores son radiadores de baja temperatura, fan-coils (sistema mixto de acondicionamiento y climatización que resulta ventajoso en edificios donde se necesita economizar espacio) o suelo radiante.
Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor del terreno. Son instalaciones poco comunes debido a su costo y la necesidad de grandes superficies de terreno.

3. Según la construcción: Según la forma en que se construye la máquina, esta puede ser:

Compacta: Todos los elementos que constituyen la máquina están alojados en una misma carcasa. Es una unidad de tratamiento del aire con producción propia de frío y calor, ensamblada y probada en fábrica como un conjunto único. La unidad está aislada térmica y acústicamente, y el revestimiento exterior permite un fácil acceso a sus componentes internos.
Split o partidas: Comprenden dos secciones: la unidad de tratamiento del aire, que incluye el evaporador con su ventilador y se instala dentro o cerca del espacio a refrigerar; y la unidad condensadora, que se instala fuera del espacio y contiene el compresor y el condensador. Están conectadas por conexiones frigoríficas y son silenciosas debido a la colocación del compresor en el exterior. El aire se puede suministrar directamente a través de rejillas en el equipo o distribuirse por conductos y rejillas.
Multi-split: Consisten en una unidad exterior y varias unidades interiores.

Clasificación de equipos de aire acondicionado según su funcionamiento

1. Según su funcionamiento:

Reversibles: Estos equipos pueden operar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración. Para lograr esto, solo necesitan invertir el sentido del flujo del fluido frigorífico mediante una válvula de cuatro vías.
No reversibles: Estos equipos solo funcionan en ciclo de refrigeración.
Termofrigobombas: Estos sistemas son capaces de producir frío y calor simultáneamente.

2. Según el medio de condensación: Esto se refiere al medio utilizado para enfriar el condensador, que puede ser aire o agua.

Condensación por aire: Los equipos utilizan el aire exterior para enfriar el condensador, impulsado por un ventilador que circula el aire de manera forzada. Su instalación es sencilla, ya que solo requieren una apertura en la parte exterior del local para tomar el aire del exterior y luego expulsarlo nuevamente una vez que está caliente.
Condensación por agua: Los equipos utilizan agua para enfriar el condensador. Si el agua se toma de una fuente natural como un río, pozo o mar, generalmente se pierde después de cumplir su función. Sin embargo, si el agua proviene de la red urbana y se desea conservarla, se puede utilizar una torre de refrigeración para recuperar el agua y enviarla de nuevo al condensador, repitiendo el ciclo. Las torres de refrigeración tienen un salto térmico mínimo de 3-4 ºC, y el ahorro de agua puede alcanzar hasta un 97% dependiendo de la cantidad de calor a disipar y el caudal en circulación.

Funcionamiento: Unidades de tratamiento de aire, ventiladores, bombas e intercambiadores

El calor fluye naturalmente de las áreas de alta temperatura a las de baja temperatura. Sin embargo, las máquinas frigoríficas y las bombas de calor pueden forzar el flujo de calor en la dirección opuesta utilizando una cantidad relativamente pequeña de trabajo. La máquina frigorífica puede considerarse como un motor térmico que opera al revés. Por ejemplo, en un sistema de aire acondicionado, el calor extraído del interior de la vivienda mediante los serpentines refrigerantes es trasladado al exterior. El motor realiza trabajo para hacer funcionar el compresor, y el calor se transfiere a los serpentines refrigerantes exteriores, donde es liberado al ambiente mediante la circulación de aire.

Es importante destacar que una máquina frigorífica también puede utilizarse como calentador. Para ello, el foco caliente debe ser la habitación y el foco frío el exterior. Este es el principio de funcionamiento de la bomba de calor, que es mucho más eficiente que el calentamiento equivalente generado por una resistencia eléctrica.

Una bomba de calor es idéntica a una máquina frigorífica, con la única diferencia de que los focos frío y caliente son intercambiables. Así, en invierno, el foco frío es el exterior y el caliente es el interior de la vivienda, necesitando trabajo para transferir calor del foco frío (exterior) al interior. En verano, el foco frío es el interior de la vivienda y el caliente es el exterior, necesitando trabajo para transferir calor del interior al exterior. Se puede decir que una bomba de calor siempre enfría, pero a veces enfría el interior de la vivienda y otras veces el exterior. Esto se logra intercambiando las funciones del condensador y el evaporador mediante válvulas reversibles de cuatro vías.

Además, las bombas de calor pueden transferir calor desde fuentes naturales de baja temperatura (foco frío), como el aire, el agua o la tierra, hacia los espacios interiores que se desean calefaccionar, o utilizarlo en procesos que requieren calor en edificaciones o industrias.

Bomba de calor de compresión mecánica

La mayoría de las bombas de calor operan con el ciclo de compresión de un fluido condensable. Sus componentes principales son: compresor, válvula de expansión, condensador y evaporador. El ciclo se desarrolla en las siguientes etapas:

En el evaporador, la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), lo que permite que el calor fluya de la fuente al fluido refrigerante, provocando la evaporación de este.
En el compresor, el vapor que sale del evaporador es comprimido, elevando su presión y temperatura.
El vapor caliente llega al condensador. En este intercambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio.
Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y temperatura del evaporador. En este punto, el fluido comienza de nuevo el ciclo entrando en el evaporador.

Algunas bombas de calor (reversibles) pueden proporcionar calefacción y refrigeración. Estas bombas reversibles incluyen una válvula de 4 vías que permite invertir la circulación del fluido refrigerante. De esta manera:

Se bombea calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefacción.
Se bombea calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.

El funcionamiento de una bomba de calor reversible en el ciclo de calefacción es el siguiente:

El compresor eleva la presión y temperatura del fluido refrigerante.
En el intercambiador situado en el interior del recinto a calefactar, el fluido cede el calor de su condensación al aire del recinto.
El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión, reduciendo su presión y temperatura, y evaporándose parcialmente.
En el intercambiador situado en el exterior, el fluido refrigerante completa su evaporación, absorbiendo calor del aire exterior, y retorna al compresor a través de una válvula de cuatro vías.

El funcionamiento de una bomba de calor reversible en el ciclo de refrigeración es el siguiente:

El compresor eleva la presión y temperatura del fluido refrigerante, que sigue su camino a través de la válvula de 4 vías.
En el intercambiador situado en el exterior, el fluido se condensa, cediendo su calor al medio exterior.
El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de expansión, reduciendo su presión y evaporándose parcialmente.
En el intercambiador situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido refrigerante completa su evaporación, absorbiendo calor del medio interior.

Bomba de calor de absorción

Las bombas de calor de absorción funcionan mediante energía térmica, lo que significa que la energía aportada al ciclo es térmica en lugar de mecánica, como ocurre en el ciclo de compresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos para absorber el fluido refrigerante. Las combinaciones de fluidos más utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinación con bromuro de litio como absorbente, o bien, amoníaco como refrigerante utilizando agua como absorbente.

Los ciclos de absorción son similares a los de compresión, pero en lugar de un compresor, utilizan un circuito de disoluciones que realiza la misma función, es decir, eleva la presión y la temperatura del fluido refrigerante en estado de vapor. El circuito de disoluciones está compuesto por un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión. El vapor a baja presión proveniente del evaporador es absorbido por el fluido absorbente en el absorbedor. El proceso de absorción genera calor. La disolución es bombeada a mayor presión hacia el generador, donde el fluido refrigerante entra en ebullición gracias a un aporte de calor externo. El refrigerante se condensa, separándose del absorbente. El refrigerante pasa a través del condensador, mientras que el absorbente se dirige de vuelta al absorbedor.

En este sistema, se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el absorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura y en la bomba se consume energía mecánica.

A continuación, se detallan algunos funcionamientos específicos de los equipos de aire acondicionado:

Funcionamientos específicos de equipos de aire acondicionado

A) De ventana

Estos equipos están diseñados específicamente para ser instalados en el hueco de una ventana, balcón o en una pared de la habitación. La parte que toma y expulsa el aire se coloca en el exterior, expuesta a la intemperie. La mayoría de estas unidades generan frío, aunque algunos modelos también pueden producir calor mediante una bomba de calor o un calefactor eléctrico. Su capacidad de enfriamiento varía entre 1250 y 6000 frigorías/hora, mientras que, con bomba de calor, pueden proporcionar entre 3150 y 6500 Kcal/hora.

Estos equipos funcionan mediante condensación por aire, es decir, el condensador es enfriado por aire exterior impulsado por un ventilador helicoidal. Esta parte queda fuera del edificio, expuesta al aire libre. El evaporador, con su correspondiente ventilador y el compresor, se coloca en el interior de la habitación a climatizar. El lugar ideal para la instalación es aquel donde el flujo de aire tratado cubra la mayor parte del espacio, evitando obstáculos en la dirección del soplado del aire y asegurando que no haya obstáculos a menos de dos metros de la parte trasera del aparato para evitar la recirculación del aire caliente.

B) Unidades compactas

Estas consolas son acondicionadores autónomos capaces de proporcionar calefacción mediante bomba de calor o resistencias eléctricas. Son fáciles de instalar en una pared, ya sea adosados o colgados, y requieren una toma de aire exterior en los modelos de condensación por aire, mediante un hueco en la pared. En los modelos de condensación por agua, basta con conectar las tuberías a la red general de agua.

Las unidades de condensación por aire tienen una capacidad de enfriamiento de hasta 8000 frigorías/hora, mientras que las de condensación por agua alcanzan hasta 5000 frigorías/hora. Estas unidades son muy populares en edificios ya construidos, viviendas, chalets y pequeños locales comerciales debido a su versatilidad y control individual.

C) Sistema partido

En estos sistemas, los elementos del circuito de refrigeración no forman un grupo compacto, sino que funcionan por separado. La unidad condensadora, que incluye el compresor y el condensador, se instala normalmente en el exterior, mientras que la unidad climatizadora, que contiene el evaporador y el ventilador, se coloca en el interior. Ambas unidades están conectadas mediante líneas de refrigerante, que generalmente están precargadas.

Se puede instalar una unidad por vivienda con distribución del aire mediante una red de conductos y descarga por rejillas, o utilizar múltiples unidades interiores, una por habitación, de tipo mural o consolas. Estos sistemas también pueden incorporar una bomba de calor y pueden producir más de 70,000 frigorías/hora.

Dentro de los sistemas partidos también se encuentran los llamados multisistemas o multi-split, que consisten en una unidad exterior con un solo compresor rotativo hermético, y mediante válvulas de expansión electrónicas, permiten que la potencia disponible se distribuya proporcionalmente a las unidades interiores, pudiendo conectar hasta cinco unidades interiores, llegando incluso hasta ocho. Estos modelos pueden ser de pared, suelo o techo, y están conectados a la unidad exterior por tuberías independientes, cuya capacidad de enfriamiento o calefacción depende de la longitud de las líneas de refrigerante.

La capacidad de refrigeración de la unidad interior varía según el uso requerido, y se elige en función del tiempo de funcionamiento. Todas las unidades interiores pueden encenderse o apagarse individualmente desde un cuadro de mandos central, con la adición de una tarjeta de circuito impreso en cada unidad interior.

D) Instalaciones centralizadas

Estas instalaciones se utilizan en edificios grandes o espacios que conforman un solo ambiente o volumen, como cines, teatros, polideportivos, salas de conciertos, etc. Tienen un sistema frigorífico que produce agua fría y otro que produce agua caliente. Esta instalación distribuye el frío y el calor mediante agua, enfriando o calentando el aire en las zonas a acondicionar, asegurando una zonificación adecuada para evitar grandes diferencias entre sectores.

Las instalaciones centralizadas (sistema convencional) consisten en una instalación central que agrupa todos los componentes del sistema. El aporte de frío, calor, humidificación y deshumidificación se realiza mediante el aire, con un ventilador que extrae el aire viciado y otro que impulsa el aire circulante. En el mismo tramo se intercalan la central frigorífica y la central calorífica. Si el sistema es para calefacción/refrigeración, podría componerse en el siguiente orden: entrada de aire (aspiración, mezcla y expulsión), filtros, batería de calor, batería de frío, humectación y ventilador, todo ello integrado en un chasis metálico monobloque conocido como central de tratamiento de aire. Estas centrales pueden ser de tipo unizona o multizona, con montaje en el suelo o techo, cubriendo una amplia gama de caudales.

Elementos de las instalaciones de aire acondicionado centralizadas

Ventiloconvectores o fancoils

Estos acondicionadores son ideales para edificios con numerosas habitaciones que necesitan un control individual de la temperatura. Son comunes en espacios unificados pero independientes, como locales o habitaciones. Los fancoils consisten en una batería de aletas (intercambiador de calor), una sección de motoventiladores (turbinas centrífugas) y una sección de filtros, todo agrupado en una estructura de chapa de acero.

Existen dos modelos principales: vertical (montaje en suelo o empotrado) y horizontal (montaje en techo o empotrado). La entrada de aire desde el exterior puede realizarse de cuatro maneras: directo del exterior al fan-coil, directo del exterior al interior del local, centralizada mediante una red de conductos sin tratamiento, y centralizada con tratamiento del aire exterior.

Se recomienda que en los sistemas de climatización mixtos agua-aire con unidades terminales, tanto ventiloconvectores como inductores y similares, la temperatura de impulsión del agua refrigerada en los circuitos secundarios sea igual o inferior en 1 ºC a la temperatura de rocío del local y nunca inferior a 9 ºC. El número de fan-coils necesarios para climatizar un local depende de los siguientes criterios:

Si el local o habitación es pequeño, basta con un solo ventiloconvector en la pared debajo de la ventana o, en algunos casos, en el falso techo de pasillos de acceso, como en habitaciones de hotel.
Si el local es grande, el radio de acción de un ventiloconvector, que está entre 3 y 5 metros, debe considerarse. Cuanto menor sea la separación entre fan-coils, más uniforme será la distribución de la energía térmica, aunque esto aumenta el número de unidades y, por tanto, el costo de instalación y mantenimiento.

Una vez conocida la potencia térmica necesaria, las condiciones climáticas a mantener y la temperatura del agua de entrada/salida del intercambiador, se puede seleccionar el tamaño del fan-coil según las características técnicas proporcionadas por los fabricantes para los distintos modelos.

Inductor

Es un acondicionador de aire estático similar a un fan-coil pero sin ventilador. Sus componentes son: caja de entrada de aire, registro para equilibrado, toberas para salida del aire y baterías de intercambio de calor. El inductor, ubicado en el espacio a acondicionar, recibe una cantidad de aire con cierta presión estática en la caja o plenum, y lo expulsa a alta velocidad a través de las toberas, transformando la presión estática en presión dinámica.

Centrales exteriores de tratamiento de aire

Estos son equipos autónomos, de condensación por aire, de tipo horizontal y monobloque, preparados para instalarse en terrazas o cubiertas planas de edificios, expuestos a la intemperie. Son ideales para acondicionar grandes espacios como hipermercados, industrias, etc.

Sistemas de caudal de aire variable

Este sistema ofrece múltiples soluciones tecnológicas y tiene un bajo costo de instalación y operación, además de un considerable ahorro de energía. Incluyen una estación central de climatización para el tratamiento del aire a impulsar, complementada con plantas enfriadoras y calefactoras según las necesidades. Dado que su característica distintiva es la variabilidad del caudal, los ventiladores de los climatizadores deben organizarse de manera que puedan adaptarse a las variaciones de caudal requeridas por el edificio, consumiendo la energía mínima necesaria para su funcionamiento.

La idea principal es la fluctuación de cargas, es decir, que en una parte del edificio se necesite acondicionamiento y en otra no, o que en ciertos momentos o bajo determinadas condiciones se requiera un volumen de aire específico.

Componentes de un sistema de aire acondicionado

1. Compresores

El compresor tiene la función de comprimir el gas refrigerante desde baja hasta alta presión. Está compuesto por un motor eléctrico y un sistema de compresión del gas. Según su construcción, los compresores pueden ser:

Herméticos: El motor y el compresor están encerrados dentro de una caja de chapa soldada. Son los más comunes para potencias de hasta 20 kW.
Semiherméticos: Similar al hermético, pero con una carcasa de fundición que se puede desmontar. Alcanzan mayores potencias.
Abiertos: El motor eléctrico está separado del compresor y se conecta mediante un acoplamiento o transmisión.

Según su mecanismo de compresión, los compresores pueden ser:

Alternativos: Tienen cigüeñal, cilindros, pistones, culata y válvulas. Son duraderos y resistentes, pero vibran y son más ruidosos. Las válvulas son láminas situadas en la culata que se abren para que entre el gas y se cierran en sentido contrario. Pueden tener de dos a ocho cilindros.
Rotativos: Comprimen el gas en una cámara circular cerrada por paletas. Son muy silenciosos y comunes en climatizadores domésticos pequeños. La compresión se produce al girar un rodillo móvil que estrecha la cámara hasta que el gas comprimido sale por una válvula que se abre por la presión interior.
Scroll o espiral: Son los más recientes y eficientes, con poco ruido y vibraciones. Fabricados en tipo hermético y potencias de hasta 100 kW. Consisten en dos espirales, una fija y otra móvil, que comprimen el gas al reducirse el espacio entre ellas.
De tornillo: Ideales para grandes potencias. Generalmente son semiherméticos, con uno o dos rotores. Utilizan aceite lubricante y requieren un sistema complejo con bomba, separadores y enfriadores.

2. Evaporador

Es la batería de intercambio de calor entre el refrigerante y el aire. Aquí, el refrigerante entra líquido y sale en estado de vapor. Está compuesto por un serpentín de tubos de cobre con aletas de aluminio muy juntas. Incluye un ventilador para forzar el aire a través del evaporador. Una bandeja en la base recoge el agua de condensación, que se drena fuera del sistema.

3. Condensador

Es la batería caliente que disipa calor, donde el gas caliente se condensa y sale en forma líquida. Similar en construcción al evaporador, pero un 30% más grande. En sistemas split, puede tener una forma curva para maximizar el uso del espacio.

4. Capilar

En equipos de hasta 10,000 frigorías/h, la expansión del líquido refrigerante se realiza mediante un tubo capilar de cobre de pequeño diámetro. Al atravesarlo, el líquido pierde presión debido al rozamiento con las paredes del tubo y se evapora al salir a baja presión. Es una tubería larga y estrecha sin partes móviles.

5. Válvulas de expansión

En equipos de mayor capacidad se utilizan válvulas de expansión termostáticas que regulan la cantidad de refrigerante que pasa por el orificio. El sensor de temperatura es un bulbo colocado al final del evaporador. Las válvulas termostáticas tienen un tiempo de respuesta elevado y no permiten un control programado eficiente. Los equipos modernos tipo inverter usan válvulas de expansión electrónicas que permiten un control más rápido y proporcional de la carga de refrigerante, con la capacidad de interrumpir el suministro y responder a un microprocesador que analiza las condiciones del ambiente y las presiones. Estas válvulas son electroválvulas que regulan el paso del refrigerante mediante impulsos y utilizan una sonda en lugar del bulbo.

6. Válvula inversora

Los equipos reversibles o bombas de calor utilizan una válvula de 4 vías para invertir el sentido de circulación del refrigerante. Esta válvula consiste en un cilindro con un pistón doble que se desplaza de un lado a otro por la presión del compresor. Una bobina conecta dos capilares a uno u otro lado del pistón, que se desplaza y cambia la conexión de los 4 tubos dos a dos. Los dos tubos centrales se conectan al compresor y los laterales al evaporador y condensador.

Otros componentes

Filtros y deshidratadores

Estos se instalan en la línea de líquido antes de la válvula de expansión. Su función es filtrar el refrigerante, retener la humedad y la acidez. En ocasiones, pueden llegar a obstruirse. Los filtros grandes son desmontables y tienen un cartucho interior recambiable. Los equipos de bomba de calor deben tener siempre filtros de doble dirección.

Electroválvulas de corte o solenoides

Estas se colocan en la línea de líquido para cortar el paso del refrigerante al evaporador. Funcionan como una llave de paso accionada por un electroimán.

Visores de líquido

Son útiles para determinar si falta refrigerante, ya que en tal caso se pueden observar burbujas en circulación. Se instalan en la tubería de líquido después del calderín.

Separadores de líquido

Estos se colocan antes de la entrada de aspiración del compresor para protegerlo de la entrada de gotas de refrigerante líquido, que podrían dañar las válvulas y pistones. Retienen los golpes de líquido que luego se evaporan en un recipiente cilíndrico.

Calderines

Acumulan refrigerante y pueden tener llaves de corte y prueba en la salida. Todos incorporan una válvula de seguridad que se abre al superar la presión de tarado.

Silenciadores

Se colocan en la descarga de los compresores rotativos para reducir el ruido.

Presostatos

Estos abren un contacto eléctrico cuando el sistema supera o no alcanza un determinado valor de presión. Los presostatos de baja presión se utilizan para arrancar el compresor según la presión de aspiración o para detener la máquina si falta presión en baja. Los presostatos de alta presión protegen el circuito de alta presión en caso de que la presión suba excesivamente, debido a la suciedad del condensador u otros problemas.

Termostatos

Estos dispositivos abren o cierran un contacto eléctrico cuando se alcanza la temperatura fijada.

Llaves de conexión

Se instalan en equipos partidos (splits) para conectar las tuberías de refrigerante que van de una unidad a otra. Estas llaves tienen válvulas de corte que se accionan mediante una llave hexagonal (Allen).

Torres de refrigeración

Definición

Las torres de refrigeración son sistemas diseñados para enfriar una corriente de agua a través de la vaporización parcial de esta, logrando un intercambio de calor sensible y latente con una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. El agua enfriada es recolectada y enviada nuevamente al condensador mediante una bomba para repetir el ciclo. En resumen, una torre de refrigeración es un intercambiador de calor de tipo evaporativo y de contacto directo, donde el calor se transfiere directamente entre el agua (fluido a enfriar) y el aire (fluido enfriador) sin la intervención de ningún otro medio.

Clasificación

Las torres de refrigeración se pueden clasificar según la forma de suministro de aire en:

1. Torres de circulación natural:

Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se utilizan en instalaciones pequeñas y dependen de los vientos predominantes para el movimiento del aire.
De tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades entre el aire más frío del exterior y el aire húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Son de gran tamaño y se utilizan en centrales térmicas.

2. Torres de tiro mecánico:

El agua caliente que llega a la torre se puede distribuir mediante boquillas aspersoras o compartimentos que permiten el paso del flujo de agua hacia abajo a través de orificios. El aire utilizado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre de dos maneras:

Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador ubicado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.
Tiro forzado: El aire es forzado por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Estas torres están especialmente sujetas a la recirculación del aire caliente y húmedo descargado, que puede entrar nuevamente en la toma del ventilador debido a la baja velocidad de descarga, lo que reduce la efectividad de la torre.

3. Otros tipos, como torres de flujo cruzado:

En estas torres, el aire entra por los lados y fluye horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y salen de la torre por la parte superior. Requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente.

Funcionamiento de las torres de refrigeración

Una parte del calor transmitido del agua al aire se debe a la diferencia de temperatura entre los dos fluidos, conocido como calor sensible. Sin embargo, la mayor parte de la transferencia de calor ocurre por el intercambio de masa o calor latente entre los dos fluidos mediante la evaporación de parte del agua, que pasa a la corriente de aire tomando el calor necesario del resto del agua, que se enfría.

El agua a refrigerar entra por la parte superior y desciende, mientras que el aire entra por la parte inferior y asciende. Estos flujos son opuestos, siguiendo el principio de contracorriente.

Para mejorar el contacto entre el agua y el aire, se coloca en el interior de la torre un panel con un aspecto similar al de un panal de abejas, llamado relleno, que facilita el intercambio de calor y masa. El relleno tiene como objetivo aumentar el tiempo y la superficie de contacto entre ambos fluidos. Existen dos enfoques para lograr esto: extender el agua en finas partículas sobre superficies (relleno laminar) o provocar la formación de gotas mediante choques del agua durante su caída (relleno de goteo).

La teoría de Merkel aborda la transferencia de masa y calor en una torre de enfriamiento a contracorriente. Considera el flujo de masa y energía desde el agua hacia la interfase y desde la interfase hacia la masa gaseosa.

Cuando el flujo atraviesa estas dos fronteras, cada una ofrece una resistencia a la transferencia de materia y energía, resultando en gradientes de temperatura, entalpía y humedad.

Por lo tanto, la transferencia total de calor es directamente proporcional a la diferencia entre la entalpía del aire saturado a la temperatura del agua y la entalpía del aire en el punto de contacto con el agua:

Q=K×S×(hw−ha)Q = K \times S \times (h_w – h_a)Q=K×S×(hw−ha)

Donde:

QQQ = Calor total transferido.
KKK = Coeficiente total de transferencia.
SSS = Área de transferencia.
hwh_whw = Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura del agua.
hah_aha = Entalpía de la mezcla gaseosa a la temperatura de bulbo húmedo.

Partes de una Torre de Enfriamiento

Según Carnicer, las partes principales de una torre de enfriamiento son:

Relleno: Es la sección de la torre donde se produce la mayor parte del enfriamiento.
Sistema distribuidor de agua: Reparte uniformemente el agua caliente sobre el relleno, maximizando la capacidad de intercambio térmico. Puede consistir en canales abiertos donde el agua cae por gravedad o tuberías de presión que pulverizan el agua.
Separador de gotas: Este componente se coloca antes de que el aire salga de la torre, evitando que pequeñas gotas de agua sean arrastradas fuera mediante cambios de dirección del flujo de aire.
Equipo mecánico de impulsión de aire: Su objetivo es generar el flujo de aire que se pondrá en contacto con el agua para enfriarla. Está compuesto por uno o varios ventiladores, sus respectivos motores de accionamiento y el sistema de transmisión motor-ventilador adecuado. Se utiliza el aire ambiente, por lo que debe ser lo más limpio posible.
Bandeja de almacenamiento de agua: Incluye una válvula de flotador para el control del nivel de agua y una cámara de entrada de aire forzado. Esta bandeja, junto con la estructura metálica, soporta todos los componentes de la torre.
Ventiladores: En las torres de tiro mecánico, los ventiladores pueden estar ubicados:
- En la parte inferior, soplando aire hacia el interior (tiro forzado).
- En la parte superior, aspirando el aire (tipo aspirado).
Los tipos de ventiladores incluyen:
- Ventiladores axiales: Fabricados en materiales como poliéster y aluminio.
- Ventiladores centrífugos: Utilizados en instalaciones donde se requiere un bajo nivel de ruido, como hoteles, hospitales, oficinas y complejos residenciales.

El rendimiento de las torres de enfriamiento depende de:

Las superficies de intercambio de calor instaladas.
La correcta distribución del agua.
La cantidad de aire aspirado.
El estado del aire exterior.

Parámetros de las Torres de Enfriamiento

Los parámetros básicos de una torre de enfriamiento son:

Temperatura del bulbo seco: Es la temperatura en el lugar donde está instalada la torre.
Humedad relativa: Es la relación entre la masa de vapor de agua presente en un metro cúbico de aire ambiente y la máxima masa de vapor que ese volumen de aire puede contener a la temperatura ambiente.
Temperatura del bulbo húmedo: Temperatura medida por un termómetro cuyo bulbo está rodeado por un trozo de tela mojada a través del cual pasa una corriente de aire.
Caudal de agua a circular o enfriar: Es el volumen total de agua por unidad de tiempo que necesita la unidad condensadora o la suma de los caudales si hay varias unidades.
Calor a disipar o carga térmica: Es el calor por unidad de tiempo que debe eliminarse, calculado como la masa de agua que circula multiplicada por el salto térmico.
Temperaturas de entrada del agua a la torre: Normalmente entre 30 y 35 ºC, o con temperaturas similares.
Salto térmico: Diferencia entre las temperaturas de entrada y salida del agua de la torre, estimada generalmente en 5 ºC, dependiendo del fabricante de la torre.

Tratamiento del Agua

El enfriamiento del agua en una torre de refrigeración se realiza aproximadamente en un 80% por evaporación y un 20% por intercambio térmico con el aire. Esto implica pérdidas por evaporación y arrastre de gotas. Además, la purga, que consiste en eliminar agua del circuito de manera continua o intermitente, también causa pérdidas.

Para compensar estas pérdidas, que oscilan entre el 3% y el 5% del caudal total, se debe añadir agua mediante un grifo con flotador, que mantiene un nivel constante en el depósito de recuperación de agua en la parte inferior de la torre.

El agua nueva que se introduce al circuito contiene sales, mientras que el agua evaporada es pura, lo que incrementa la concentración de sales en el sistema, provocando incrustaciones cuando se superan los límites de solubilidad.

Para evitar este problema, es esencial tratar el agua con un descalcificador que previene la formación de depósitos de cal, y aplicar productos que inhiben la corrosión. Generalmente, las torres de refrigeración están equipadas con sistemas de purga para reducir la concentración de impurezas. En cualquier caso, se recomienda consultar a especialistas en tratamientos de agua.

También es importante prevenir el crecimiento de algas mediante tratamientos biológicos, ya que la temperatura del agua favorece su desarrollo y puede obstruir las tuberías de circulación del agua.

Instalación

Las torres de refrigeración deben instalarse en exteriores, sobre el suelo, en la azotea de un edificio o en una ubicación más alta que el equipo de aire acondicionado para que el aire ambiente circundante sea lo más frío posible y se obtenga un mayor rendimiento. Es crucial asegurar un buen suministro de aire a los ventiladores.

Si se instalan en interiores, la ventilación debe estar canalizada hacia el exterior, y la aportación de aire ambiente debe ser adecuada.

Durante la instalación, se monta una bomba que aspira el agua fría de la torre y la envía al condensador. Esta bomba debe ser lo más silenciosa posible y conectarse a las tuberías con conos de entrada y salida y, eventualmente, con manguitos antivibratorios para evitar la transmisión de ruido. La presión proporcionada por la bomba debe considerar las pérdidas de carga del circuito de agua en:

Las tuberías de salida y retorno.
Codos, válvulas y otros accesorios.
El condensador.
La torre y su distribuidor de agua.

La velocidad de circulación del agua debe ser de entre 1 y 1.5 m/s, y el diámetro de las tuberías se determinará en función de esta velocidad.

Las pérdidas de carga se calculan en metros de columna de agua (m.c.a.) por cada 100 metros de tubería, y la velocidad (V) del líquido en la conducción se mide en metros por segundo.

Generalmente, el salto de temperatura (ΔT) entre la entrada y la salida del agua de condensación en las torres está entre 5 y 6 °C para máquinas frigoríficas de compresión, mientras que para enfriadoras de absorción puede llegar a 10 – 11 °C. Los caudales deben ajustarse para cumplir con los ΔT indicados.

En cuanto al tamaño de la torre a instalar, se estima que en planta ocupará aproximadamente un metro cuadrado por cada 21,400 frigorías/hora. Por lo tanto, la potencia de una torre de enfriamiento para máquinas frigoríficas de compresión se calcula con la fórmula:

P_torre=1.25×P_{maˊq. frig.P}_{\text{torre}} = 1.25 \times P_{\text{máq. frig.}}Ptorre=1.25×Pmaˊq. frig.

Mantenimiento

Las tareas de mantenimiento más comunes incluyen:

Aislamiento de Componentes: Es recomendable aislar el condensador y, ocasionalmente, la bomba utilizando válvulas manuales durante las reparaciones o tareas de mantenimiento, para evitar la necesidad de vaciar todo el sistema.
Drenaje de Componentes Expuestos: La bandeja y todas las tuberías que puedan estar expuestas a condiciones climáticas adversas deben ser drenadas si la torre no funciona durante el invierno, para prevenir la formación de hielo.
Revisión de la Bomba: Asegurarse de que la bomba esté funcionando correctamente.
Verificación de Estanqueidad: Comprobar que no haya fugas en la torre.
Ajuste de Circuitos de Purga y Desagüe: Revisar y ajustar los circuitos de purga y desagüe para asegurar su correcto funcionamiento.
Válvula de Flotador: Verificar el funcionamiento de la válvula de flotador en la bandeja de la torre.
Limpieza del Filtro: Limpiar el filtro ubicado en la bandeja de recogida de agua regularmente, ya que la suciedad en el filtro puede reducir el rendimiento del sistema.
Inspección de Pulverizadores: Asegurarse de que los pulverizadores estén siempre limpios y funcionando adecuadamente.
Estado de Separadores de Gotas y Relleno: Comprobar el estado de los separadores de gotas y el relleno, eliminando cualquier sustancia depositada sobre este último.
Limpieza de la Bandeja de Recogida de Agua: Vaciar y limpiar la bandeja de recogida de agua de forma periódica.
Revisión de Corrosión: Inspeccionar el estado de corrosión de la torre y aplicar pintura cuando sea necesario para prevenir la corrosión.
Revisión Anual Completa: Realizar una revisión completa del equipo una vez al año y efectuar las reparaciones necesarias.

Estas operaciones de mantenimiento son esenciales para asegurar el funcionamiento eficiente y prolongar la vida útil del sistema de refrigeración.