ES2831125T3

ES2831125T3 - Procedimiento y aparato de minimización de agua para su uso con dispositivos de enfriamiento por evaporación

Info

Publication number: ES2831125T3
Application number: ES15840093T
Authority: ES
Inventors: Paul Dinnage
Original assignee: Munters Corp
Current assignee: Munters Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2021-06-07
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: EP3191768A1; KR102436188B1; CA2960957A1; BR112017004829A2; BR112017004829B1; AU2015315034B2; AU2015315034A1; WO2016040625A1; JP6836501B2; KR20170052640A; MX2017003264A; IL251084A0; EP3191768B1; CA2960957C; SG11201701947QA; EP3191768A4; JP2017527768A; CN107076439B; US20160069577A1; IL251084B

Abstract

Un sistema de enfriamiento por evaporación (300) que comprende: una unidad de enfriamiento primaria (100, 200) que utiliza un líquido de enfriamiento que fluye a través de un medio de intercambio de calor primario para enfriar el aire de suministro que fluye a través del medio de intercambio de calor primario, la unidad de enfriamiento primaria que incluye una línea de suministro (312) para suministrar el líquido de enfriamiento al medio de intercambio de calor primario, un depósito de retorno (310) para recolectar el líquido de enfriamiento suministrado al medio de intercambio de calor primario, y una bomba (314) para recircular el líquido de enfriamiento recolectado en el depósito de regreso a la línea de suministro (312); una línea de purga (321) configurada para purgar una parte del líquido de enfriamiento recirculante de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200), la línea de purga (321) que está conectada directamente a la línea de suministro (312) en una posición aguas abajo de la bomba (314); y una unidad de enfriamiento secundaria dispuesta aguas arriba de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) con respecto a una dirección de flujo del aire de suministro, comprendiendo la unidad de enfriamiento secundaria un medio de intercambio de calor secundario configurado para recibir el líquido de enfriamiento purgado de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) a través de la línea de purga (321).

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y aparato de minimización de agua para su uso con dispositivos de enfriamiento por evaporación

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención está dirigida a mejoras en los sistemas de enfriamiento por evaporación, sistemas de acondicionamiento que utilizan las leyes de la termodinámica para enfriar un líquido. Específicamente, un cambio de un líquido de una fase líquida a una fase de vapor puede resultar en una reducción de la temperatura debido al calor de vaporización involucrado en el cambio de fase.

2. Técnica relacionada de antecedentes

En un enfriador por evaporación típico, el agua cruda se suministra a o se recircula a través de un intercambiador de calor y se vaporiza mediante la extracción de calor del aire de suministro que fluye a través del intercambiador de calor. Las formas más fácilmente disponibles de agua cruda incluyen varios contaminantes, principalmente sales y minerales disueltos. En un sistema de enfriamiento por evaporación recirculante, el exceso de agua suministrada al intercambiador de calor que no se ha evaporado se recolecta en un depósito y luego se bombea de regreso al intercambiador de calor. A medida que el agua se evapora debido al intercambio de calor, permanecen minerales y sales disueltos en el agua cruda, lo que aumenta su concentración a medida que disminuye el volumen de agua. Se suministra agua de reposición al sistema para compensar el agua evaporada, pero las sales y los minerales permanecen y pueden depositarse en el intercambiador de calor como selladores si la concentración es demasiado alta.

Para aliviar las altas concentraciones de selladores, la mayoría de los dispositivos de enfriamiento por evaporación que usan agua incorporan una purga de agua para drenar para controlar el contenido de sal y minerales en el depósito. Las técnicas para determinar una cantidad efectiva de purga son variadas y bien conocidas. En general, la cantidad de purga depende del nivel de contaminación mineral en el agua bruta y de la química del agua, pero varía desde aproximadamente un 10 % del agua bruta para agua muy dulce hasta un 50 % o más del agua bruta donde el contenido de minerales es alto. Incluso cuando se utiliza un tratamiento químico para extender la solubilidad de los minerales, aún se requiere purga para reemplazar el agua saturada con minerales con agua dulce para evitar la formación de incrustaciones dentro del procedimiento de evaporación.

La Figura 3 representa un esquema de un enfriador por evaporación directo típico 100. El agua u otro líquido de enfriamiento adecuado se recircula desde un depósito 110 a través de una línea de suministro 112 hasta un distribuidor 116 mediante el uso de una bomba 114. El distribuidor 116 distribuye uniformemente el agua suministrada sobre un intercambiador de calor, como una almohadilla de evaporación 118. El aire de suministro 124 pasa a través de la almohadilla, donde se enfría y humidifica para salir como aire frío 126. El agua alimentada desde el distribuidor 16 fluye hacia abajo y a través de la almohadilla y se evapora cuando se encuentra con el aire caliente de suministro 124. Un chorro de purga controlado por la válvula 120, por ejemplo, se retira del sistema a través de la línea de purga o de drenaje 121 al drenaje 122 para controlar la acumulación de minerales en el agua. Se agrega agua de reposición fresca según sea necesario desde el suministro de agua 1 2 8 para reemplazar el agua evaporada y purgada. El agua de reposición puede controlarse mediante una válvula de flotador u otro dispositivo sensor del nivel de líquido (no mostrado) proporcionado en el depósito 110.

La Figura 4 representa un enfriador por evaporación indirecto típico, en este caso un enfriador de líquido 200. El enfriador de líquido 200 incluye una carcasa 202 que tiene entradas de aire 204 y una salida de aire 206. Un sumidero 210 que funciona como depósito se dispone en la parte inferior de la carcasa 202. Un intercambiador de calor 218, que tiene una entrada de líquido 218-1 y una salida de líquido 218-2, se dispone encima del sumidero 210. El agua u otro refrigerante adecuado se extrae del sumidero 210 a través de la línea de suministro 212 mediante el uso de una bomba 214. El agua bombeada se suministra a un cabezal de rociado 216, que rocía el agua sobre el intercambiador de calor 218 para extraer calor del intercambiador de calor. El agua rociada se recolecta en el sumidero 210. Como en el enfriador por evaporación directo, para controlar la concentración de sales y minerales en el agua de enfriamiento, se proporciona una válvula de purga 220 en la línea de suministro 212 para purgar el agua de enfriamiento a través de la línea de purga 221 al drenaje 222. El aire se extrae a través de las entradas de aire 204 y sale a través de la salida de aire 206 mediante el uso de un ventilador 230 impulsado por un motor 232 a través de una correa. El líquido a enfriar se suministra al intercambiador de calor 218 a través de la entrada 218-1 y se descarga a través de la salida 218-2.

En funcionamiento, como se muestra en la Figura 4, primero pasa el aire frío 226 sobre la superficie exterior del intercambiador de calor 218, a través del cual fluye un líquido caliente para enfriarse. El líquido a enfriar puede ser un líquido como el agua, o un gas, como el aire. El intercambiador de calor 218 se rocía con un chorro de agua recirculada mediante el uso de la línea de suministro 212, la bomba 214 y el cabezal de rociado 216 y se genera simultáneamente una corriente de aire que fluye sobre la superficie húmeda del intercambiador para evaporar el agua y producir el enfriamiento del líquido primario dentro del intercambiador de calor. Como en el caso del sistema de evaporación directa, se requiere una purga o agua del sumidero de recirculación para evitar la acumulación de minerales. Se añade agua de reposición del suministro 228 para reponer el agua evaporada y purgada.

En los sistemas de enfriamiento por evaporación directos e indirectos, el agua purgada se dirige al drenaje y, de otra manera, no se usa. Esto puede resultar en un desperdicio sustancial de agua de enfriamiento. Este desperdicio puede aumentar significativamente el costo del funcionamiento del sistema y también representar una carga significativa en los suministros de agua, particularmente en áreas donde el agua dulce es escasa.

El documento US 4,007,241 A divulga una combinación de procedimiento y aparato de humidificación y enfriamiento.

Una sección de humidificación, que incluye una línea de reciclaje de líquido, se dispone fuera de la sección de enfriamiento de líquido. El aire se dirige a la sección de humidificación donde se humidifica antes de pasar a la sección de enfriamiento.

El documento FR 2230950 A1 divulga un procedimiento que combina elementos de una torre de enfriamiento convencional, que enfría el agua por evaporación, y una batería de enfriamiento convencional que transfiere calor al aire de enfriamiento sin pérdida por evaporación.

El documento US2011/0192179 divulga un sistema de enfriamiento por evaporación de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario de la invención

La presente invención puede mejorar la eficiencia y efectividad de los sistemas de enfriamiento por evaporación mediante la utilización de agua de enfriamiento purgada en un procedimiento de enfriamiento complementario, La presente invención puede utilizar el agua de purga para proporcionar una parte del trabajo de evaporación y reducir la pérdida de agua por el drenaje y por lo tanto la cantidad total de agua consumida por el sistema de enfriamiento por evaporación,

La presente invención puede proporcionar una alternativa al tratamiento previo del agua o al tratamiento químico como un medio para reducir los requisitos del agua de purga y, por tanto, el uso total de agua. Puede usarse solo o junto con otras técnicas.

En un aspecto de la presente invención, un sistema de enfriamiento por evaporación incluye una unidad de enfriamiento primaria que utiliza un líquido de enfriamiento que fluye a través de un medio de intercambio de calor primario para enfriar el aire de suministro que fluye a través del medio de intercambio de calor primario, una línea de purga y una unidad de enfriamiento secundaria dispuesta aguas arriba de la unidad de enfriamiento primaria con respecto a una dirección de flujo del aire de suministro. La unidad de enfriamiento primaria incluye una línea de suministro para suministrar el líquido de enfriamiento al medio de intercambio de calor primario, un depósito de retorno para recolectar el líquido de enfriamiento suministrado al medio de intercambio de calor primario y una bomba para recircular el líquido de enfriamiento recolectado en el depósito de regreso a la línea de suministro. La línea se configura para purgar una parte del líquido de enfriamiento recirculante de la unidad de refrigeración primaria, la línea que está directamente conectada a la línea de suministro en una posición aguas abajo de la bomba. La unidad de enfriamiento secundaria incluye un medio de intercambio de calor secundario configurado para recibir el líquido de enfriamiento purgado de la unidad de enfriamiento primaria a través de la línea de purga.

En otro aspecto de la presente invención, un procedimiento para enfriar aire de suministro en un sistema de enfriamiento por evaporación incluye suministrar líquido de enfriamiento a un medio primario de intercambio de calor; purgar una parte del líquido de enfriamiento suministrado al medio de intercambio de calor primario; suministrar el líquido de enfriamiento purgado a un medio de intercambio de calor secundario; y hacer fluir el aire de suministro a través del medio de intercambio de calor primario y el medio de intercambio de calor secundario, Estos y otros aspectos y ventajas resultarán evidentes cuando se lea la descripción siguiente junto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento por evaporación de una primera realización de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva de los medios de deshidratación modificados utilizados en la presente invención.

La Figura 3 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento por evaporación directo típico.

La Figura 4 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento por evaporación indirecto típico.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes

En un sistema de la presente invención, el agua de purga de un enfriador por evaporación se utiliza para enfriar el aire que ingresa a una sección de evaporación de un sistema de enfriamiento por evaporación típico, tal como el sistema descrito anteriormente con respecto a las Figuras 3 y 4. Esto se logra al pasar el agua purgada sobre un medio de deshidratación, que en sí mismo es una sección de enfriamiento por evaporación directa. El medio de deshidratación enfría y humidifica el aire antes de ingresar un procedimiento de enfriamiento por evaporación principal descrito anteriormente.

El dispositivo de enfriamiento por evaporación que sigue al medio de deshidratación puede ser de cualquier tipo, incluido, como se discutió anteriormente, el tipo de evaporación directa donde el agua se evapora al aire como un medio para enfriar el aire y el tipo de evaporación indirecta donde el agua se evapora a un chorro de aire como un medio para enfriar un tercer líquido contenido en un intercambiador de calor que se humedece en la zona de enfriamiento por evaporación, e incluso una torre de enfriamiento, donde el agua se evapora a un chorro de aire como un medio para enfriar un suministro de agua.

La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema de enfriamiento por evaporación de una primera realización de la presente invención. El sistema de enfriamiento por evaporación 300 utiliza uno de los enfriadores por evaporación directos o indirectos típicos descritos con respecto a las Figuras 2 y 3, que se usa como un aparato de enfriamiento primario. El aparato de enfriamiento primario seleccionado se muestra esquemáticamente con los números de referencia 100, 200 en la Figura 1. Como en los aparatos de enfriamiento por evaporación típicos, el sistema de la primera realización de la presente invención incluye un sumidero o depósito 310, una línea de suministro 312, una bomba 314 y un distribuidor o cabezal de rociado 342. Estos componentes se usan para suministrar agua u otro líquido de enfriamiento adecuado al evaporador primario del aparato, es decir, la almohadilla de evaporación 118 o el intercambiador de calor 218.

Para reducir la concentración de minerales y sales en el agua de enfriamiento, el sistema de la realización actual utiliza una válvula de purga 320 y una línea de purga 321 para purgar una fracción del agua de enfriamiento. Al purgar una fracción del agua de enfriamiento, se puede minimizar la cantidad residual de minerales y sales en el líquido de enfriamiento, que evita de esta manera que se desarrollen incrustaciones en la almohadilla de ^{evaporación primaria 118 o el intercambiador de calor}218^,

Como en los ejemplos típicos de enfriamiento por evaporación, en la presente realización, el agua de enfriamiento fluye hacia abajo por la almohadilla de evaporación primaria 118 o el intercambiador de calor 218 y se recolecta en el sumidero 310 para ser recirculado por la bomba 314 de regreso al distribuidor o cabezal de rociado 342. A medida que el nivel de agua en el sumidero disminuye debido a la evaporación y el purgado, se puede suministrar agua de reposición al sumidero o depósito 310 desde el suministro de agua 328, que está controlado por una válvula de flotador (no mostrada) o cualquier otro dispositivo adecuado,

Como se indicó anteriormente, la cantidad de purga de la línea de suministro 312 se determina mediante la válvula de purga 320. En la presente realización, la válvula de purga 320 es variable y controlable por un controlador 330. El controlador 330 puede ser cualquier microcontrolador de sistemas adecuado. Los parámetros de la válvula de purga se pueden predeterminar y ajustar de acuerdo con las condiciones del sistema. Como ejemplo, se puede proporcionar un medidor o sensor 332 de sólidos disueltos totales (TDS) en algún lugar del circuito de agua de enfriamiento recirculante, como en el sumidero 310, para determinar la cantidad de sólidos disueltos en el líquido de enfriamiento. Se puede analizar una señal del medidor de TDS 332 al controlador 330 de modo que el controlador 330 controle la válvula de purga 320 para purgar un mayor porcentaje de agua de enfriamiento a medida que aumenta la cantidad de sólidos detectados.

A diferencia de los típicos sistemas de enfriamiento por evaporación de las Figuras 3 y 4, el agua purgada de la línea de suministro 312 a la línea de purga 321 no fluye directamente al drenaje 322. Más bien, el agua purgada se alimenta desde la línea de purga 321 al medio de evaporación auxiliar o almohadilla 340 a través del distribuidor 342. Los medios de evaporación auxiliares 340 también se denominan medios de deshidratación o medios de sacrificio. El medio de evaporación auxiliar 340 está dispuesto aguas arriba del aparato de enfriamiento por evaporación 100, 200 con respecto al flujo de aire a enfriar. El flujo de aire 323 que ingresa al medio de evaporación auxiliar 340 se enfría y humidifica como un chorro de aire 324 que pasa a través de la almohadilla de evaporación primaria 118 o el intercambiador de calor 218. El aire que fluye a través del aparato de enfriamiento por evaporación primario 100, 200 se enfría y humidifica adicionalmente en un procedimiento de enfriamiento por evaporación principal y se expulsa como flujo de aire de escape 326. Al preenfriar el aire mediante el uso de un medio de evaporación auxiliar 340 antes de entrar en el procedimiento de enfriamiento por evaporación primario, se usa agua purgada que generalmente se desperdiciaría para drenar para enfriar previamente el aire y permitir una eficiencia y efectividad mejoradas del sistema de enfriamiento por evaporación.

El agua de purga que pasa sobre el medio de deshidratación 340 se reduce en volumen y aumenta en contenido mineral a medida que se evapora. Cuando esto ocurra, se depositarán incrustaciones sobre el medio de deshidratación 340. En función del ajuste de la válvula de purga 320, el volumen de agua puede reducirse a cero a través de la evaporación completa antes de salir del medio de deshidratación 340. Cualquier agua que no se evapore y pase completamente a través del medio de deshidratación 340 no se devuelve al sumidero, sino que se dirige al drenaje 322. Esta agua residual tendrá un contenido mineral muy alto y habrá dejado una cantidad sustancial de minerales y sales en el medio evaporativo. Por tanto, los medios finalmente se volverán pesados con paredes engrosadas y con incrustaciones y necesitarán reemplazo o limpieza.

En ese sentido, se prefiere un medio o almohadilla de enfriamiento por evaporación de baja eficiencia desechable o que se pueda limpiar 340 que pretrata (preenfría) el aire que entra en el dispositivo de enfriamiento por evaporación primario y es humedecido por el agua de purga. El medio está diseñado para ser desechable o poderse limpiar, ya que los minerales se depositarán en la superficie a medida que el agua se evapora. Las aberturas en los medios están diseñadas con una dimensión de poro lo suficientemente grande como para compensar la contracción que se produce a medida que avanza la acumulación de incrustaciones.

Preferentemente, la eficiencia de bulbo húmedo del medio de pretratamiento se selecciona para que la mayor parte del agua de purga se evapore antes de que pueda salir del medio. En función de la proporción de agua de purga a agua de reposición en el sistema de enfriamiento por evaporación, la eficiencia del bulbo húmedo del medio debe estar entre aproximadamente 10 y 50 %; cuanto mayor sea la tasa de purga, mayor será la eficiencia evaporativa requerida.

Puede que no sea práctico evaporar el agua del medio de sacrificio o la almohadilla en todo momento. Esto podría deberse más notablemente no al apresto del medio, como se describe en detalle a continuación, sino a los efectos de transición del sistema en el que se aplica un exceso de agua de forma intermitente al medio de sacrificio y no todo se evapora. Podría haber muchas razones para esto. Las razones más notables se relacionan con el tiempo de respuesta del sistema de control. Generalmente, un sistema de control purgará el agua en base a la tasa de evaporación que haya ocurrido en el pasado. Si. por ejemplo, la humedad del aire aumenta rápidamente hasta la saturación, el controlador aún intentará purgar el agua al medio de sacrificio, pero el aire no tendrá capacidad para evaporar el agua y eliminar los sólidos. Otro ejemplo es cuando la distribución del agua en los medios de evaporación no es lo suficientemente homogénea, posiblemente debido a problemas de mantenimiento. En estas condiciones, es posible que las áreas con flujos de distribución de agua superiores a los de diseño no puedan evaporar por completo el flujo, lo que da como resultado abrir el paso de la purga en áreas del medio. Durante estos momentos, especialmente cuando el sistema ha sido diseñado para evaporar completamente el agua de purga, puede ser mejor dirigir el exceso de agua de alto contenido mineral de regreso al sumidero principal.

Si se hace esto, se deben tomar precauciones adicionales. Si las situaciones anteriores existen durante un período de tiempo suficiente, la purga en sí no podrá eliminar suficientes sólidos del sistema recirculado. La almohadilla de sacrificio también puede comenzar a actuar para eliminar selectivamente las sales minerales de menor solubilidad, como las sales a base de calcio y sílice, sin precipitar sales de mayor solubilidad, como las sales a base de sodio o cloruro, u otros contaminantes en el suministro de agua que puedan tener regulaciones relativas a la concentración máxima posible para verter en un chorro de aguas de desecho.

En los sistemas diseñados como estos, para proteger contra la acumulación de estos minerales altamente solubles, se puede instalar un sistema de purga secundario que dirige el agua directamente al drenaje. Esta purga debe estar en base a un segundo criterio de purga diferente de la purga primaria descrita anteriormente. Ejemplos del procedimiento de control serían operar la purga de manera tradicional en momentos en que el TDS está por encima de un segundo nivel de concentración más alto, o si la purga primaria no ha podido responder y corregir la concentración de TDS durante un período determinado de tiempo, o cuando se detecta la presencia de la concentración de uno de los minerales altamente solubles y cuando se purga para drenar cuando excede un umbral determinado.

Los ciclos de concentración (CoC) es una medida que compara el nivel de sólidos del agua en recirculación con el nivel de sólidos del agua de reposición cruda original. Por ejemplo, si el agua circulante tiene cuatro veces la concentración de sólidos que el agua de reposición, entonces los ciclos de concentración son 4. Para un ciclo dado de concentración, se puede calcular la eficiencia preferida del enfriador por evaporación previo al tratamiento. Para ilustrar este punto, las siguientes tablas indican las tasas de evaporación y las tasas de purga dado un sistema que trata 1.699 m3/ h (1.000 scfm) de aire con un medio de evaporación con un índice de eficiencia del 85 %.

La Tabla 1 describe las condiciones del aire a medida que cambian cuando el aire viaja primero desde una entrada con condiciones de bulbo seco de 35 °C (95 °F) y bulbo húmedo de 23,9 °C (75 °F) a través de un medio de evaporación con una eficiencia del 85 %. En esta tabla no hay almohadilla de deshidratación, por lo que la eficiencia de esa almohadilla se da como 0 %.

Tabla 1

En la tabla anterior, la eficiencia Evaporativa (de Evaporación) o la Eficiencia de Bulbo Húmedo se define como (temperatura del aire que ingresa - temperatura del aire que sale de un intercambiador evaporativo adiabático) -(temperatura del aire que ingresa - temperatura del bulbo web del aire que ingresa). Por definición común, la tasa de purga para un Ciclo de Concentración definido se puede calcular mediante la fórmula Purga = Tasa de Evaporación/(CoC -1). En el ejemplo anterior, el aire se enfría y se humidifica desde 35 °C (95 °F) db, 23,9 °C (75 °F) wb, 14,1 g/kg (99 gr/lb) a 25,6 °C (78 °F) db, 23,9 °C (75 °F) wb y 18,1 g/kg (127 gr/lb). El enfriamiento por evaporación da como resultado una evaporación de 8,1 kg/h (17,9 libras por hora). Para mantener los Ciclos de Concentración deseados a 2,2, es necesario llevar al drenaje 6,8 kg/h (14,9 lbs/hr) de agua.

En un segundo ejemplo, el sistema está equipado con una almohadilla de deshidratación con un índice de eficiencia del 25 %. La siguiente tabla muestra los resultados del aire que viaja a través del sistema.

Tabla 2

(continuación)

En este ejemplo, el aire se expone primero a la almohadilla de deshidratación donde su temperatura se reduce primero de 35 °C (95 °F) a 32,2 °C (90 °F) y su humedad aumenta de 14,1 g/kg (99 gr/lb) a 15,3 g/kg (107 gr/lb) antes de que ingrese al intercambiador de enfriamiento por evaporación directo primario. En el intercambiador, su temperatura y humedad se reducen aún más a 25 °C (77 °F) y 18,3 g/kg (128 gr/lb). Como la almohadilla de deshidratación ha realizado parte del trabajo de enfriamiento por evaporación, la cantidad de agua evaporada en el intercambiador primario se ha reducido de 8,1 kg/h (17,9 lbs/h) a 6,1 kg/h (13,5 lbs/h). Para mantener el sumidero del intercambiador primario con Ciclos de Concentración de 2,2, se deben purgar 5,1 kg/h (11,2 lbs/h). Esta agua, sin embargo, no va al drenaje, sino que se alimenta a la almohadilla de deshidratación, donde se evaporan 2,4 kg (5,2 lbs). Los 2,7 kg/h restantes (6,0 libras por hora) se llevan al drenaje y el CoC resultante se incrementa de 2,2 a 4,1.

En un tercer ejemplo, la eficiencia del medio de deshidratación se incrementa aún más al 35 %.

Tabla 3

En este ejemplo, al aumentar la eficiencia de la almohadilla de deshidratación, la tasa de evaporación del intercambiador primario se reduce aún más a 5,3 kg/h (11,7 lbs/hr), lo que resulta en una purga al medio de deshidratación de 4,4 kg/h (9,7 lbs/hr), de los cuales se evaporan 3,3 kg (7,3 lbs). Los restantes 1,1 kg/h (2,4 lbs/h) de agua que salen del medio de deshidratación y van al drenaje representan un CoC de 9 para el enfriador por evaporación neto.

Para llevar el análisis a su conclusión, el aumento de la eficiencia de evaporación del medio de deshidratación al 42 % da como resultado que no quede agua para ir al drenaje y un CoC resultante acercándose al infinito.

Tabla 4

Como se muestra en estos ejemplos, al adaptar la eficiencia de deshidratación al CoC y la carga evaporativa principal, se puede hacer que la tasa de evaporación del pretratamiento coincida con la tasa de purga del evaporador principal. Alternativamente, pueden usarse medios de mayor eficiencia para asegurar que se evapore más o toda el agua, pero a costa de una mayor caída de presión y un mayor costo de capital.

En los ejemplos anteriores, la eficiencia evaporativa total del sistema aumentó mediante la adición de almohadillas de deshidratación cada vez más eficaces. Otro enfoque consiste en reducir la eficiencia del intercambiador primario a medida que aumenta la eficiencia de la almohadilla de deshidratación. En el siguiente ejemplo, la combinación de una eficiencia de la almohadilla de deshidratación del 39 % junto con una eficiencia del intercambiador primario del 77 % da como resultado que el aire se acondicione a 25,6 °C (78 °F) bd como en el Ejemplo 1, pero sin agua de purga resultante.

Tabla 5

(continuación)

Se creó un prototipo inicial para probar el procedimiento y el dispositivo prototípico. Un módulo de enfriador por evaporación diseñado para tratar 16.900 m3/h (10.000 scfm) de aire se colocó al aire libre en el clima caluroso de verano en San Antonio, TX. El enfriador incluía un medio enfriador por evaporación, en particular, Munters GLASdek 7060, medio de enfriamiento por evaporación de relleno estructurado profundo de 20,3 cm (8") como la almohadilla de enfriamiento por evaporación primaria, un sumidero con válvula de llenado flotante, una bomba de recirculación para aplicar agua de forma continua a la parte superior de la almohadilla GLASdek y un ventilador para llevar aire a través del enfriador. El sistema también estaba equipado con un controlador de conductividad y una válvula de purga para controlar los sólidos totales disueltos (TDS) del sumidero.

Se utilizó el análisis de agua para el distrito de agua de San Antonio (SAWS) para realizar una evaluación del índice de escala de Puckorius para determinar los ciclos apropiados de concentración (CoC). La Tabla 6 a continuación establece los valores contenidos en el informe de calidad del agua de SAWS:

Tabla 6

Dada la evaluación del índice de escala de Puckorius en la Tabla 7 a continuación, se decidió establecer los Ciclos de Concentración para la prueba en 2,2. Se eligió el valor de 2,2 porque está ligeramente por encima del ideal, pero aún es estable y proporcionaría una larga vida útil del intercambiador primario sin incrustaciones.

En el momento de la prueba, el TDS del agua entrante se midió en 250 ppm, por lo que el controlador de conductividad se estableció en 550 ppm para lograr el CoC deseado. El sistema se ejecutó con medidores de agua tanto en las líneas de llenado como en las de purga para confirmar que una cantidad apropiada de agua, aproximadamente el 45 %, se purgaba para mantener el TDS del sumidero en 550 ppm.

A continuación, el sistema se equipó con un medio de enfriamiento por evaporación CELdek 7060 de 2 pulgadas de profundidad en el chorro de aire de entrada como medio de enfriamiento por evaporación auxiliar. También se pueden utilizar otros tipos de medios de evaporación, como almohadillas Aspen hechas de tejido al azar de madera Aspen; sin embargo, las consideraciones de diseño favorecerían el uso de un relleno evaporativo estructurado como CELdek debido a la baja caída de presión y las aberturas de aire de tamaño uniforme que proporcionarán una acumulación de incrustaciones consistente y repetible con un efecto insignificante en la caída de presión del aire. El agua de purga que se usó para controlar el TDS del sumidero principal se dirigió a la parte superior de este medio. Se midió el agua que salió de la parte inferior de las almohadillas y se dirigió al drenaje.

Se analizó el comportamiento evaporativo de los medios auxiliares (medios de deshidratación). Sobre la mayor parte de la cara del medio, el agua se evaporó completamente de la superficie del medio antes de que pudiera salir por la parte inferior para drenar, mientras que en las áreas donde el suministro de agua distribuido hacia la parte superior del medio estaba por encima del promedio, una parte del agua llegaría a la parte inferior del medio y drenaría. A pesar de esta deficiencia, la cantidad neta de agua que sale de la almohadilla para drenar se redujo del 45 % (CoC 2,2) a aproximadamente el 10 % (CoC 10).

El peso del medio se puede monitorear a lo largo del tiempo para medir la acumulación de incrustaciones y determinar cuánto tiempo se podrá usar antes de que sea necesario reemplazarlo o limpiarlo. En el ejemplo, después de una semana de funcionamiento, no se apreciaron acumulaciones de incrustaciones en los medios auxiliares. Después de un mes, se pudo ver una ligera incrustación, pero sin bloqueo de los conductos de aire de los medios. La estimación del peso de la incrustación que puede contener el medio CELdek y los ahorros de purga de agua indican que el medio puede proporcionar un enfriamiento en toda la temporada (3,6 meses) sin reemplazo. También se pueden usar medios con contenido de retención de incrustaciones mayores, o medios producidos a partir de materiales poliméricos u otros materiales que se puedan limpiar,

En el ejemplo, el agua purgada no se distribuyó uniformemente en la parte superior del medio auxiliar (deshidratación). Sin embargo, preferentemente, la distribución del agua de purga a la parte superior del medio de deshidratación se hace lo más uniforme posible para que el flujo a través de la cara sea uniforme y no se produzca canalización. La canalización del flujo de agua permite que el exceso de flujo salga como purga del sistema en las áreas de alto flujo, lo que es perjudicial para el rendimiento del sistema,

Además, preferentemente el medio de deshidratación se forma como una matriz de pequeñas secciones de medio modular 340-1, como se muestra en la Figura 2. Las secciones de medios modulares 340-1 se montan preferentemente con un mecanismo que les permite ser fácilmente intercambiables, como el marco 341. Como la profundidad del medio es pequeña, la resistencia del medio para resistir la fuerza del flujo de aire es baja. Las secciones más pequeñas y moduladas en marcos simples permitirán un soporte completo de los medios y proporcionarán la intercambiabilidad. Adicionalmente, al modular la cara de los medios, solo aquellas secciones con el mayor contenido de incrustaciones necesitarían ser reemplazadas, lo que reduce los costos continuos. Esto es importante ya que se espera que en el medio superior aparezcan incrustaciones más fácilmente y, por lo tanto, necesite reemplazarse con más frecuencia.

Se debe señalar que, en las aplicaciones de modernización, el medio de deshidratación se puede agregar a la cara de entrada del enfriador por evaporación primario existente. Esto, por supuesto, crea una caída de presión adicional y con ello costos operativos adicionales. Para los sistemas diseñados con el medio de deshidratación como parte del sistema inicial, el rendimiento evaporativo del medio de deshidratación se puede incluir en el rendimiento del sistema, lo que reduce así la necesidad de rendimiento en la superficie evaporativa primaria. De tal manera, el sistema podría diseñarse sin un aumento sustancial en la caída de presión mientras aumenta el CoC, lo que reduce así el uso de agua en un factor importante.

Un procedimiento de control implica detectar la ubicación de una línea entre lo húmedo y lo seco en el medio de deshidratación. Idealmente, el medio debe estar húmedo casi hasta su borde inferior, con la parte más baja seca. La humedad del medio se puede determinar más fácilmente mediante un sensor 350 que mide la temperatura del medio, directa u ópticamente, o mide la temperatura del aire que sale del medio.

Otro método de control es dimensionar la eficiencia del medio de deshidratación por encima de la requerida por el análisis del CoC adecuado para la calidad del agua dada. El agua de purga se puede alimentar al medio de deshidratación a una velocidad que solo permita que el agua de purga alcance el borde de salida del medio. La presencia de agua se puede controlar mediante el procedimiento de temperatura descrito anteriormente o mediante el uso de un sistema de detección de presencia de agua. Como la eficiencia del medio de deshidratación fue sobredimensionada, se habrá extraído más agua de purga del sumidero principal de la necesaria y el nivel de minerales del sumidero estará por debajo del contenido máximo especificado.

Se debe señalar que algunos sistemas de enfriamiento por evaporación no incluyen un sumidero ni bomba de recirculación. En cambio, se aplica agua dulce a la sección de evaporación y cualquier exceso de agua que no se evapora en el procedimiento se dirige al drenaje. Estos sistemas de "un solo paso" aplican intencionalmente el exceso de agua para que los minerales en el agua no excedan un umbral que permitirá la formación de incrustaciones a medida que el agua se evapora en el procedimiento. Por tanto, idealmente el agua que sale del sistema tiene un contenido mineral casi saturado y un volumen pequeño. En estos casos, el exceso de agua que sale del sistema con un alto contenido de minerales se puede utilizar de la misma manera que el agua de purga en los ejemplos anteriores. Puede usarse para tratar el medio de deshidratación para reducir o eliminar su volumen de la misma manera que el agua de purga descrita en el ejemplo de agua recirculada. Por lo tanto, el término "purgar" puede usarse para connotar tanto la purga de una parte de líquido de enfriamiento que recircula a través de una unidad de enfriamiento primaria, así como también la recogida del líquido de enfriamiento "de un solo paso" restante y el suministro del líquido recolectado a la unidad de enfriamiento secundaria.

El sistema de enfriamiento auxiliar de la presente invención no es para su uso exclusivo con enfriadores por evaporación directos e indirectos. Cualquier sistema que genere purga o líquido residual y que pueda beneficiarse de la utilización de ese líquido en un procedimiento de preacondicionamiento puede incluirse dentro del ámbito de la invención. Se debe señalar que, en los sistemas de evaporación indirecta, la carga de calor y, por tanto, la tasa de evaporación primaria no depende necesariamente de las condiciones ambientales del aire en el que se evapora el agua. En estos sistemas, el calor se transfiere desde una carga de calor dentro del intercambiador a un segundo chorro de aire, el chorro de aire depurador. Cuando el aire depurador (o de enfriamiento) está seco, tendrá una gran capacidad para evaporar el agua de purga del medio de sacrificio a medida que el aire pasa sobre él en el camino hacia el intercambiador de calor de enfriamiento. Cuando el aire depurador tiene una humedad relativa alta, la cantidad de agua de purga que puede evaporarse en el medio de sacrificio es limitada. En este caso, una almohadilla de sacrificio con una eficiencia de evaporación muy alta puede ser insuficiente para evaporar toda el agua de purga.

Por tanto, para los sistemas de evaporación indirecta en los que la carga que se enfría se desacopla de las condiciones del aire de sacrificio, no se puede calcular una eficacia óptima del medio de sacrificio. Por tanto, puede ser beneficioso aumentar la eficiencia de la almohadilla de evaporación hasta en un 95 %, ya que la tasa de agua de purga es proporcional a la carga evaporativa que ahora es probablemente más alta que el potencial de evaporación adiabático disponible del chorro de aire de enfriamiento.

Así, se han mostrado y descrito nuevos y útiles sistemas de enfriamiento por evaporación. Aunque la presente invención se ha ejemplificado con fines de ilustración y descripción al hacer referencia a ciertas realizaciones específicas, será evidente para los expertos en la técnica que son posibles diversas modificaciones, alteraciones y equivalencias de los ejemplos ilustrados.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de enfriamiento por evaporación (300) que comprende:

una unidad de enfriamiento primaria (100, 200) que utiliza un líquido de enfriamiento que fluye a través de un medio de intercambio de calor primario para enfriar el aire de suministro que fluye a través del medio de intercambio de calor primario, la unidad de enfriamiento primaria que incluye una línea de suministro (312) para suministrar el líquido de enfriamiento al medio de intercambio de calor primario, un depósito de retorno (310) para recolectar el líquido de enfriamiento suministrado al medio de intercambio de calor primario, y una bomba (314) para recircular el líquido de enfriamiento recolectado en el depósito de regreso a la línea de suministro (312);

una línea de purga (321) configurada para purgar una parte del líquido de enfriamiento recirculante de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200), la línea de purga (321) que está conectada directamente a la línea de suministro (312) en una posición aguas abajo de la bomba (314); y

una unidad de enfriamiento secundaria dispuesta aguas arriba de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) con respecto a una dirección de flujo del aire de suministro, comprendiendo la unidad de enfriamiento secundaria un medio de intercambio de calor secundario configurado para recibir el líquido de enfriamiento purgado de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) a través de la línea de purga (321).

2. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) comprende un enfriador por evaporación directo o un enfriador por evaporación indirecto.

3. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el medio de intercambio de calor secundario comprende un medio de enfriamiento por evaporación (340).

4. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el medio de intercambio de calor secundario es de forma modular, cada módulo del medio de intercambio de calor secundario que es reemplazable individualmente.

5. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un controlador (330) para controlar la magnitud de la parte del líquido de enfriamiento recirculante purgado de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200).

6. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el controlador (330) detecta una condición del agua recirculada y, en consecuencia, controla la magnitud de la parte del líquido de enfriamiento recirculante purgado de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200).

7. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende además un sensor (332) usado para controlar la magnitud del líquido purgado de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) al detectar una medida menor a la que el líquido de enfriamiento purgado por la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) llega al medio de intercambio de calor secundario y el controlador (330) controla la velocidad del flujo de agua sobre el intercambiador secundario de manera que la medida más baja alcanza un nivel predeterminado.

8. El sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se selecciona el medio de intercambio de calor secundario y la parte del líquido de enfriamiento recirculante purgada de la unidad de enfriamiento primaria (100, 200) se controla de manera que toda la parte purgada del líquido de enfriamiento se evapora en la unidad de refrigeración secundaria.

9. Un procedimiento de enfriamiento del aire de suministro en un sistema de enfriamiento por evaporación (300) de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento:

suministrar líquido de enfriamiento a través de una línea de suministro (312) a un medio de intercambio de calor de evaporación primario;

purgar una parte del líquido de enfriamiento suministrado al medio de intercambio de calor de evaporación primario a través de la línea de suministro (312) directamente a una línea de purga (321);

suministrar el líquido de enfriamiento purgado a un medio de intercambio de calor de evaporación secundario y hacer fluir el aire de suministro a través del medio de intercambio de calor de evaporación primario y el medio de intercambio de calor de evaporación secundario.

10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el líquido de enfriamiento se recolecta y recircula a través del medio de intercambio de calor de evaporación primario y el purgado purga la parte del líquido de enfriamiento recirculante del medio de intercambio de calor de evaporación primario.

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además controlar la magnitud de la parte del líquido de enfriamiento recirculante purgado del medio primario de intercambio de calor de evaporación.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el medio de intercambio de calor por evaporación secundario comprende un medio de enfriamiento por evaporación (340) y la evaporación del líquido de enfriamiento suministrado al medio de enfriamiento por evaporación se usa para preenfriar el aire que fluye a través del medio de enfriamiento por evaporación antes de fluir a través del medio primario de intercambio de calor de evaporación.

13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además detectar una extensión menor a la que llega el líquido de enfriamiento purgado del medio de intercambio de calor de evaporación primario y suministrado al medio de intercambio de calor de evaporación secundario.