Beneficios del enfriamiento evaporativo: torres de refrigeración y condensadores evaporativos

Este procedimiento de enfriamiento evaporativo se aplica en la industria desde hace más de 100 años, si bien, se viene utilizando desde la antigüedad para obtener en los recintos habitados condiciones higrotérmicas de bien estar. Fue utilizado extensamente por los romanos y por los árabes en sus palacios, donde la Alhambra con sus fuentes de agua, no solo en los patios sino incluso en el interior de algunos aposentos constituyen un notable ejemplo de su aplicación. Se trata, por tanto, de un proceso técnicamente bien conocido y sencillo de aplicar.

Sin embargo, en los últimos años, la imputación injustificada y no probada a equipos basados en este principio, tales como las torres de enfriamiento y condensadores evaporativos, de ser causantes de brotes de legionelosis y la alarma social generada en torno a esta situación ha generado una tendencia creciente de utilizar equipos alternativos tales como los dispositivos de condensación mediante enfriamiento por aire, que presentan numerosas e importantes desventajas. Hecho que se pondrá de manifiesto en lo que sigue.

Principio de funcionamiento del enfriamiento evaporativo

El enfriamiento evaporativo es un proceso natural que utiliza el agua como refrigerante y que se aplica para transmitir a la atmósfera el calor excedente de diferentes procesos y máquinas térmicas. En él se basa el funcionamiento de diferentes equipos, entre ellos, los ya mencionados como son las torres de enfriamiento y los condensadores evaporativos, frecuentemente utilizados para la condensación del gas refrigerante en las instalaciones frigoríficas destinadas a diferentes aplicaciones: refrigeración industrial, comercial, aire acondicionado, calefacción (por bomba de calor), etc....

En estas instalaciones los equipos de enfriamiento evaporativo liberan el calor de condensación de las máquinas frigoríficas transfiriéndolo a la atmósfera mediante la evaporación de una reducida cantidad de agua. Este proceso se hace efectivo gracias al establecimiento de un contacto máximo y directo entre el agua en circulación y una corriente de aire mediante una sección (relleno, batería) con la que se intenta maximizar la superficie y tiempo de contacto entre dichos fluidos favoreciendo el intercambio de calor y masa entre ellos.

Los equipos de enfriamiento evaporativo, con independencia de cuales sean sus modalidades y características específicas, incorporan: una superficie de intercambio de calor y masa, humedecida mediante un dispositivo de distribución de agua, un sistema de ventilación (natural o forzada) encargado de favorecer y, en su caso, forzar el paso del aire ambiente a través de la sección de intercambio de calor y masa, y diferentes componentes auxiliares tales como la balsa colectora de agua, bomba de recirculación, eliminadores de gotas e instrumentos de control.

En el mercado existe una gran variedad de equipos de enfriamiento evaporativo que permiten a cualquier usuario elegir la combinación de rendimientos, disipación de energía y vida útil que mejor se ajuste a sus necesidades. Se trata de una amplia gama de productos de diferentes dimensiones que utilizan diversos materiales de construcción, con variadas disposiciones y tipos de ventiladores conforme a necesidades específicas y que incorporan los accesorios necesarios para su correcto funcionamiento.

Principales aplicaciones

Los equipos de enfriamiento evaporativo se utilizan para casi todas las aplicaciones industriales que requieren refrigeración en la medida que facilitan y optimizan muchos de los procesos y operaciones llevadas a cabo en la industria, incrementan el ahorro de energía y proporcionan otros importantes beneficios si se les compara con sus alternativas, todo ello con una interacción respetuosa con el medioambiente.

Ventajas del enfriamiento evaporativa

Los equipos de enfriamiento evaporativo, según se desprende de la tabla anterior, son adecuados para casi todas las aplicaciones en las que se requiere refrigeración. Sin ellos muchos de los procesos generados en estas instalaciones no podrían realizarse o lo harían con un rendimiento sensiblemente inferior. De manera que se produciría un mayor consumo de recursos naturales como el petróleo, gas natural, agua y una mayor amenaza para el medioambiente, como consecuencia del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero por las centrales térmicas de producción de energía eléctrica y por incremento de la contaminación acústica.

Ahorro energético

La cantidad de agua evaporada en el proceso de enfriamiento evaporativo y, como consecuencia, la transferencia de calor, está condicionada por la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente que, precisamente en verano, cuando las necesidades de refrigeración son más elevadas es sensiblemente inferior a la temperatura de bulbo seco. De esta forma, los equipos de refrigeración evaporativa consiguen temperaturas de agua inferiores a las logradas con los equipos enfriados por aire, cuyo rendimiento si que se ve limitado de acuerdo con la temperatura del bulbo seco del ambiente. La posibilidad de conseguir temperaturas de enfriamiento de agua en nuestras zonas climáticas de hasta +25ºC o incluso inferiores, permite el empleo de intercambiadores de calor intermedios lo que significa que el fluido procesado puede enfriarse en circuito cerrado hasta +30ºC o menos . Mientras que con los equipos de enfriamiento refrigerados por aire, que dependen de la temperatura ambiente de bulbo seco, las temperaturas mínimas que pueden lograrse son muy superiores, pudiendo llegar hasta los 50ºC. En muchos casos, estas temperaturas son tan elevadas que el proceso es inviable o lo es con un rendimiento muy bajo y además requieren mayores cantidades de energía para la evacuación o disipación del calor del proceso.

En efecto, los equipos de enfriamiento evaporativo ahorran energía. En primer lugar, las temperaturas más bajas de enfriamiento del agua aseguran el funcionamiento del proceso y reducen el consumo de energía del mismo; en segundo lugar, el equipo es altamente eficaz energéticamente debido al uso de transferencia de calor latente de evaporación, lo que permite, la eliminación de una cantidad superior de calor a la lograda con el uso de una transferencia tradicional de calor sensible, es decir, requiere un caudal de aire hasta cuatro veces menor que el que necesita un proceso de enfriamiento por aire. Así, con esta tecnología la condensación de las instalaciones frigoríficas de refrigeración y de aire acondicionado cabe realizarla a una temperatura que puede oscilar entre 6 y 18 K menos que en el caso de condensación por aire.

Esto hace que la presión en el sector de alta del circuito frigorífico sea muy inferior y disminuya la relación de compresión. Consiguientemente disminuye el trabajo de compresión y la energía eléctrica absorbida por el motor de accionamiento del compresor. De suerte que la energía necesaria para hacer funcionar una máquina frigorífica con unas prestaciones concretas que condensa con un equipo evaporativo, puede reducirse del 20 al 80 por ciento, e incluso, a veces, más que si esa misma máquina condensara por aire. Para ilustrar este aserto en la tabla nº 2 se realiza una comparación de consumos de energía eléctrica entre diferentes sistemas de aire acondicionado.

Consumo Enfriadores de agua con condensación por agua y torres de recuperación: 378 kW. Ahorro = 36% respecto de enfriadores con condensación por enfriamiento con aire.

Consumo Enfriadores de agua con condensadores mediante condensación evaporativa: 323 kW. Ahorro = 45% respecto de enfriadores con condensación por enfriamiento con aire.

Por otra parte, como se requiere impulsar, aproximadamente, una cuarta parte de aire, en comparación con un equipo de enfriamiento por aire, el consumo de energía de los motores de accionamiento de ventiladores es muy inferior.

Por último, cabe señalar que se producen menos pérdidas energéticas en el transporte desde la central generadora hasta el punto de consumo, al ser menor la energía eléctrica necesaria.

Inversión más reducida

Las instalaciones frigoríficas que condensan con esta tecnología requieren una inversión menor en comparación con aquellas que condensen por aire y tengan que conseguir idénticas prestaciones.

Al disminuir la temperatura de condensación aumenta la producción frigorífica volumétrica. Lo cual significa que para producir el mismo efecto frigorífico se requieren componentes menos caros: un compresor menor, un motor eléctrico de accionamiento menor, un condensador menor, menos ventiladores (menor producción de ruido y menor coste de insonorización). Además estos equipos son de 4 a 5 veces menos voluminosos y pesados que los condensadores por aire lo cual abarata la estructura de soportación y su ubicación e incluso, a veces, la posibilitan.

Para producir el mismo efecto frigorífico se requerirá un valor absoluto de las puntas de demanda de energía eléctrica menor, lo que supone un ahorro de inversión en centrales generadoras y en las correspondientes líneas de distribución.

Sobre este particular la Comisión Técnica de Anefryc ha estimado, con un supuesto optimista, que sustituir las torres y condensadores evaporativos de las instalaciones de refrigeración y de aire acondicionado actualmente existentes en España supondría incrementar la potencia eléctrica generada necesaria en aproximadamente 2.839 MW, lo cual equivaldría a construir, para asumir tal incremento de demanda eléctrica, tres centrales nucleares de tipo medio o siete centrales térmicas de ciclo combinado. Hecho que, sin duda, agravaría los ya serios problemas de suministro eléctrico que tiene España.

Impacto ambiental menor

El enfriamiento evaporativo utilizado en las instalaciones frigoríficas de refrigeración y de aire acondicionado con condensación por agua, resulta ser una tecnología respetuosa con el entorno ya que produce un impacto medioambiental menor que sus alternativas.

Menor impacto por efecto invernadero

El menor consumo energético en el lugar de destino y las menores pérdidas de energía en el transporte de dicha energía acarrean menos emisiones de CO2 en la producción de la correspondiente energía eléctrica. Es el denominado efecto invernadero indirecto de las instalaciones frigoríficas. Téngase en cuenta que 1 kWh de energía eléctrica consumida procedente de centrales térmicas puede suponer, si se utiliza carbón, cerca de 1 kg de CO2 emitido a la atmósfera; en el caso de una central de ciclo combinado producir 1 kWh serían 0,4 Kg de CO2 emitidos a la atmósfera. En el supuesto, mencionado más arriba, utilizado por la Comisión Técnica de Anefryc, se estima que el incremento de emisiones de CO2 ser&iacu te;a de 11.250 kT de CO2/año equivalente al 3,44% de las emisiones de C O2 en España en el año 2002 y que se correspondería con casi 3 veces el CO2 equivalente emitido en el año 2002 por fugas accidentales de HFC.

Supone, además, menor riesgo de fugas de refrigerantes fluorados de efecto invernadero como consecuencia de la menor temperatura y consiguiente menor presión de condensación, es decir, el denominado efecto invernadero directo, producido por la fuga de refrigerantes fluorados (HCFC y HFC).

La menor temperatura de condensación posibilita, además, la aplicación de tecnologías de bajo impacto ambiental utilizadas extensa y tradicionalmente en la industria (instalaciones frigoríficas con NH3, aplicación del CO2 a bajas temperaturas asociado con NH3 en sistemas de producción de frío en cascada).

Menor consumo de agua

En cuanto a las pérdidas de agua, en el lugar de la aplicación, los equipos evaporativos utilizados en instalaciones frigoríficas reutilizan más del 95% del agua que movilizan en su funcionamiento. Una pequeña cantidad se evapora, disipando el calor de condensación, otra se evacua para evitar la concentración de sales, y una parte ínfima es arrastrada, por el aire impulsado, en forma de aerosoles.

El agua consumida indirectamente, es decir, en origen es menor que en el caso de la condensación por aire, puesto que una central generadora de electricidad consume aproximadamente 100 l de agua por cada kWh producido. Considerando ambos consumos de agua (directo e indirecto), para producir el mismo frío una instalación que condensa por aire consume del orden del 55% más de agua que en el caso que se utilice condensación por enfriamiento con agua recuperada por una torre de refrigeración.

Bajo ciertas condiciones climáticas, cuando el aire de salida de la torre se descarga húmedo y templado, en el aire ambiente más frío se genera un penacho visible. Éste es producido por el vapor de agua puro condensado y en suspensión, similar a las nubes y totalmente inofensivo. La industria dispone de varios medios para minimizar o incluso eliminar dicho penacho.

Menor impacto acústico

La contaminación acústica por estos equipos de refrigeración evaporativa es reducida debido a que requieren un menor caudal de aire que los equipos de condensación por aire.

Seguridad frente a la legionella

Las torres de refrigeración de agua y condensadores evaporativos (mantenidos adecuadamente desde el punto de vista mecánico y sanitario) constituyen una tecnología segura. La injustificada vinculación de diferentes brotes de legionella a los equipos de enfriamiento y condensación evaporativos, así como la existencia de una legislación restrictiva, están propiciando el uso indiscriminado de los dispositivos de condensación por aire que, sin embargo, presentan los inconvenientes indicados anteriormente.

Sin embargo, lo cierto es que los equipos de refrigeración evaporativa sólo son susceptibles de desarrollar la bacteria "legionella pneumophila", es decir, aumentar la concentración de la misma en el agua que recircula, si el agua que recibe de la red está contaminada y el equipo no se mantiene de forma adecuada, tal y como exige la ley.

Para que uno de estos equipos sea responsable de un brote de legionelosis se debe producir una cadena de acontecimientos muy improbable:

Llegada de una colonia virulenta de Leginella Pneumophila a través de la red de suministro de agua.

Funcionamiento en condiciones incontroladas, tales que permitan la multiplicación de la bacteria hasta umbrales peligrosos.

Descarga de una corriente de aire con microgotas contaminadas en suspensión, que puedan llegar hasta donde se encuentran personas.

Que un número suficiente de estas microgotas sean inhaladas por personas susceptibles de contraer la enfermedad (inmunodeprimidas).

Si cualquiera de estos eslabones se rompe la posibilidad de la aparición de un brote son nulas. Cumpliendo el R.D. 865/2003 de 4 de julio por el que se establecen los criterios higiénico-sanitarios para la prevención de la legionelosis, los eslabones 2 y 3 se rompen. Por este motivo, ANEFRYC solicita un mayor control de los equipos, y exige una evaluación rigurosa por parte de las autoridades sanitarias del origen de los brotes, así como un dictamen explícito del grado de cumplimiento del R.D. por parte de los equipos implicados en dichos brotes.

La industria de la refrigeración evaporativa

En Europa existen más de treinta fabricantes con más de cincuenta plantas de fabricación de estos equipos que proporcionan, en su totalidad, trabajo a 7.000 empleados, consiguiendo una facturación media anual superior a los quinientos millones de euros. Los fabricantes europeos más importantes de equipos de enfriamiento evaporativo están asociados en el Grupo de Trabajo 9 "Torres de Enfriamiento" de la Asociación Eurovent-Cecomaf. Este grupo centra su labor en la importancia medioambiental de la seguridad y eficacia de los sistemas de disipación de calor para que la tecnología de enfriamiento evaporativo proporcione soluciones efectivas. El grupo ha participado en la redacción de los Estándares Europeos y en el programa "La mejor tecnología cute;a obtenible" lanzado por la Comisión Europea, y también ha elaborado varios documentos técnicos entre los que destacan el "Código de prácticas recomendadas para mantener su instalación eficiente y segura".

La refrigeración por agua constituye un mercado en constante crecimiento a nivel europeo y mundial, tanto en lo relativo al número de instalaciones (en la actualidad existen más de quinientas mil con equipos de enfriamiento evaporativo en Europa) como en lo que se refiere al número de empresas suministradoras de dichos servicios. El uso del enfriamiento evaporativo está, además, respaldado por una notable industria manufacturera que elige el enfriamiento evaporativo en casi todas las aplicaciones que han de disipar calor y que ha mostrado su preocupación ante las restricciones impuestas a estos equipos y que ponen en peligro el progreso industrial responsable.

Conclusiones

La disminución de costes derivados de la disminución de los diferentes consumos, impactos e inversiones correspondientes a los conceptos analizados tienen gran incidencia en los costes de producción en diferentes sectores, como es el caso del sector alimentario, con la consiguiente repercusión con la competitividad de sus empresas frente a otros proveedores sujetos a legislaciones menos restrictivas.

Por otra parte, el mayor consumo energético es un hecho que a nivel individual quizás el usuario podrá asumir, pero que a nivel macroeconómico puede producir un gran desequilibrio de la balanza comercial exterior, dada nuestra dependencia de combustibles foráneos. Además, las implicaciones del ahorro energético cobran especial importancia en un momento en que la Unión Europea señala a España como el país que peor balance arroja en el cumplimiento de los objetivos de Kioto sobre emisiones de gases contaminantes.

La refrigeración evaporativa no sólo se muestra como una tecnología respetuosa con el medio ambiente sino que, además, ha sido capaz de adaptarse a las nuevas exigencias del entorno. Estos equipos han ampliado su vida útil gracias a la utilización de materiales resistentes a la corrosión, se han desarrollado superficies de intercambio más eficaces, los niveles sonoros se han reducido mediante el uso de ventiladores más silenciosos y eventualmente de amortiguadores de ruido y, por último, se han creado modelos sofisticados de modo que el rendimiento térmico de los equipos puede predecirse bajo una amplia variedad de condiciones de funcionamiento.

En un presente en que el ahorro de energía es fundamental para el equilibrio medio ambiental, y para la competitividad industrial, su importancia se multiplica. La utilización racional de los equipos que funcionan con este principio es beneficioso para el usuario, el medio ambiente y por extensión para el conjunto de la sociedad. Se trata, en definitiva, de una tecnología segura (si se realiza un mantenimiento mecánico y sanitario adecuado), respetuosa con el medio ambiente y más económica que sus alternativas.