Ciclos de Concentración en Torres de Enfriamiento

Ciclo de concentración en agua de enfriamiento

CDC o ciclo de concentración es la abreviación o nombre que se usa  para el consumo de agua de enfriamiento. Esta cifra especifica cuan a menudo se usa agua fresca previa purga o sangramiento de la torre de enfriamiento.

Lo que esto significa, en detalle, es que en un sistema de enfriamiento de agua hay torres de enfriamiento en las que parte del agua se pierde por evaporación. Por medio de esta evaporación el agua se enfría gracias al efecto refrigerante de la evaporación. 

El agua fresca que se añade a la torre de enfriamiento contiene una cierta cantidad de minerales. Estos minerales no pueden evaporarse con el agua sino que se quedan en el agua de enfriamiento. Con el tiempo, la concentración de minerales en el agua de enfriamiento va creciendo. Como estos minerales van a producir incrustaciones y obstrucciones en el sistema, esta agua debe ser reemplazada. Esto se logra por medio de lo que se conoce como purgas o sangramiento, en el cual parte de esa agua de enfriamiento, altamente concentrada, es drenada del sistema y reemplazada con agua fresca, la cual contiene menos cantidad de minerales y, por lo tanto, hace bajar la concentración en el agua de enfriamiento. 

El ciclo de concentración especifica la relación entre la concentración de minerales en el agua de alimentación  y la concentración de minerales en el agua de enfriamiento. De modo que, si suponemos que el agua de alimentación tiene 100 de TSD y el agua de enfriamiento tiene 400 de  TSD, el CDC será 4.

La conductividad del agua y los ciclos de concentración

El control químico del agua de enfriamiento, comienza con los ciclos de concentración, o el número de veces que las sales disueltas en el agua de reposición (MU) se concentran por evaporación (E) del sistema de enfriamiento. Este parámetro es obtenido frecuentemente midiendo la conductividad del agua de enfriamiento (CW) y dividiéndolo por la conductividad del agua de reposición. Los ciclos pueden también pueden calcularse utilizando parámetros como cloruros y sólidos disueltos, los cuales son comunes en el agua de reposición y de enfriamiento, y no se espera que sean afectados de forma significativa por la adición del tratamiento químico. Otra forma de determinar los ciclos de concentración, si los medidores adecuados están instalados, es dividiendo la cantidad de agua de reposición por la purga. El control de los ciclos de concentración es crítico en los sistemas que utilizan agua dura en la reposición, ya que ningún programa químico puede prevenir la formación de incrustaciones cuando los niveles de sales disueltas son excesivos. Los ciclos son controlados mediante la descarga, o purga, de agua concentrada del Sistema y reemplazada con agua fresca. Referenciada como purga (BD), este desperdicio mantiene la concentración de sólidos disueltos en el Sistema de enfriamiento, a niveles donde no ocurrirá precipitación.

¿Por qué ciclos?

Una pregunta común es, “¿Por qué se utilizan tratamientos químicos para operar a ciclos elevados cuando frecuentemente no hay precipitación cuando se opera a ciclos bajos?” La mejor respuesta es que a ciclos elevados, se reducen significativamente los requerimientos de reposición y purga, reduciendo los costos de agua fresca y de disposición del drenaje. En materia de corrosión, incrementar los ciclos de modo de que el agua sea menos corrosiva, es una forma barata de mejorar el control de la corrosión. Otro punto es que la operación a ciclos altos, permite la utilización de inhibidores de corrosión que son demasiado costosos para ser empleados a ciclos con elevada purga. En algunas oportunidades, los niveles de sales disueltas son tan elevados, que los inhibidores de incrustación deben ser utilizados simplemente para poder emplear el agua para enfriamiento. En esos casos incrementar los ciclos reduce el costo del inhibidor de incrustaciones al punto en el que se convierte económicamente viables. Encontramos que la operación de las torres de enfriamiento entre 3 y 6 ciclos, es el rango más económico. Otras causas que obligan la operación de torres a ciclos más altos son los requerimientos ambientales y la escasez de agua fresca para reposición. Por ejemplo, el costo de manejo del desagüe de una planta se redujo de $100,000 a $10,000 simplemente por incrementar los ciclos de concentración de la torre de 3 a 6 ciclos, reduciendo la cantidad de purga a la mitad.

La Economía de los Ciclos

'Ciclos de economía máxima' es el valor de los ciclos con los cuales el costo total de operación del programa es el más bajo. Este valor es determinado en base al costo del agua, cloaca, purga, y tratamiento químico para cada aplicación. Se puede encontrar una combinación única de parámetros operacionales que consisten en ciclos, química del inhibidor, dosificación del inhibidor, reposición y purga, que generan los costos de operación más bajos. Generalmente los ciclos de concentración de economía máxima, son controlados por el índice de saturación del carbonato de calcio del agua recirculada. Se genera un modelo del agua ciclada entre 2 y 10 ciclos, utilizando un análisis del agua de reposición, y se determinan los índices de saturación (IS) para cada ciclo. Los ciclos de concentración que corresponden con los IS de 1,0, 2,0 y 3,0, se utilizan como puntos de quiebre en la determinación del costo de las sustancias químicas requeridas para prevenir las incrustaciones a los ciclos mencionados. Los costos del agua de reposición, disposición de la purga, y la sustancia química de inhibición requerida se calculan a estos valores de IS y se comparan para determinar los ciclos de economía máxima.

Cálculo del Índice de Saturación (IS)

1). P1 = log (calcio * 2.5 * alcalinidad total)

2). P2 = (temperatura máxima del agua del sistema, F * 0.00912) + P1

3). P3 = ((log (conductividad * 0.8) * 0.1) + 12.27

4). pH saturación = P3 – P2

5). IS = pH del agua ciclada - pH saturación

El pH del agua ciclada puede estimarse mediante la conversión del pH del agua de reposición utilizando la operación inversa del logaritmo, 10^pH, obteniendo el valor “ real”. Luego multiplique el valor “real” por los ciclos de concentración y obtenga el nuevo valor de pH utilizando la operación de logaritmo. La mayoría de los sistemas de enfriamiento operan con valores de IS entre 0,5 y 3,5. No siempre es posible el cálculo de los ciclos de economía máxima, debido a la falta de información. En la mayoría de los casos hemos encontrado que usando un programa químico que permita la operación de la torre entre 3 y 6 ciclos, se obtienen costos de operación cercanos al valor mínimo absoluto.

Método de Control de Ciclos

Hay dos métodos Buenos de control de los ciclos de concentración de un sistema de enfriamiento: purga proporcional a la reposición y purga basada en conductividad.

Control de purga proporcional a la reposición.
Este control es en realidad muy simple; se mide la cantidad de agua de reposición que entra a la torre y se usa el valor acumulado para activar un temporizador, que abrirá la válvula de purga por un tiempo determinado. Por ejemplo, si 1000 galones de agua de reposición entran a un sistema que opera a 5 ciclos, el temporizador operaría una válvula de flujo de purga regulado a 10 gpm durante 20 minutos, para descargar del sistema los 200 galones requeridos para mantener los 5 ciclos.

Control de purga basado en conductividad (la cual es proporcional al nivel de sales disueltas) del agua de enfriamiento
Cuando la conductividad alcanza un nivel de control predeterminado, una válvula automática se activa y agua con un contenido alto de sales disueltas es drenada del sistema de enfriamiento. Al reemplazar el agua purgada con agua fresca de reposición, se reduce la conductividad del agua del sistema, lo cual desactiva la válvula de purga. Comparando los dos métodos de control, hemos determinado que el método proporcional es más económico y fácil de mantener y operar, mientras que el método de la conductividad es más resistente a las fugas de agua y cambios en la calidad de agua de la reposición. Un problema con el control de los ciclos basado en conductividad es que, cuando el agua de reposición tiene dureza, cuando se producen incrustaciones el calcio y la alcalinidad se reducen. El controlador lee esta situación como una reducción de los ciclos y reduce la purga para incrementarlos. El incremento de ciclos genera más incrustaciones, agravando la situación. Este escenario revela la posibilidad de que el control por conductividad, efectivamente incremente los ciclos de concentración si se generan incrustaciones, agravando la situación. Esta situación es más común de lo que se pensaba y debe ser considerada al seleccionar el método de control de los. El agua concentrada de una torre puede contener; insectos muertos, hojas y semillas, las cuales pueden acumularse en la válvula de purga y taparla. Para prevenir este problema, se recomienda la utilización de una válvula motorizada como la Yamatho YS20S, las cuales tienen un orificio grande que tolera el paso de materiales suspendidos en el agua.

Fuentes:

1. Zaffalon, A. (2018) Fundamentos de Torres de Enfriamiento - Conductividad.  https://www.yamathosupply.com/blogs/news/75726468-fundamentos-de-torres-de-enfriamiento-conductividad
2. Agua-dulce.org. Refrigeración y calefacción. http://ecodes.org/archivo/proyectos/agua-dulce/htm/consejosdeahorro/refrigeracion_calefaccion.html
3. CDC – ciclo de concentración en agua de enfriamiento. http://www.merus.es/gl-coc