miniaturadeimagen| Torre de refrigeración y descarga de agua de una central nuclear|250x250px La refrigeración por agua es un método de eliminación de calor de componentes y equipos industriales. La refrigeración por evaporación con agua suele ser más eficiente que la refrigeración por aire. El agua es económica y no tóxica; sin embargo, puede contener impurezas y causar corrosión.
La refrigeración por agua se utiliza habitualmente para enfriar motores de combustión interna de automóviles y centrales eléctricas. Los refrigeradores de agua que utilizan la transferencia de calor por convección se emplean en ordenadores personales de gama alta para reducir la temperatura de las CPU.
Otros usos incluyen el enfriamiento de aceite lubricante en bombas; para refrigeración en intercambiadores de calor; para la refrigeración de edificios en HVAC y enfriadores.
Mecanismo
Ventajas El agua es barata, no tóxica y está disponible en la mayor parte de la superficie terrestre. La refrigeración líquida ofrece mayor conductividad térmica que la refrigeración por aire. El agua tiene una capacidad calorífica específica inusualmente alta entre los líquidos comúnmente disponibles a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo que permite una transferencia de calor eficiente a distancia con bajos índices de transferencia de masa. El agua de refrigeración puede reciclarse a través de un sistema de recirculación o utilizarse en un sistema de refrigeración de un solo paso (OTC). La alta entalpía de vaporización del agua permite la opción de un enfriamiento evaporativo eficiente para eliminar el calor residual en torres o estanques de enfriamiento. Los sistemas de recirculación pueden ser abiertos si dependen de la refrigeración evaporativa o cerrados si la eliminación del calor se realiza en intercambiadores de calor con pérdidas evaporativas insignificantes. Un intercambiador de calor o condensador puede separar el agua de refrigeración sin contacto de un fluido que se está enfriando, o el agua de refrigeración de contacto puede incidir directamente en elementos como las hojas de sierra, donde la diferencia de fase permite una fácil separación. La normativa medioambiental hace hincapié en la reducción de las concentraciones de productos residuales en el agua de refrigeración sin contacto.
Desventajas El agua acelera la corrosión de las piezas metálicas y es un medio favorable para el crecimiento biológico. Los minerales disueltos en los suministros de agua natural se concentran por evaporación para dejar depósitos denominados incrustaciones. El agua de refrigeración suele requerir la adición de productos químicos para minimizar la corrosión y aislar los depósitos de incrustaciones y bioincrustaciones.
El agua contiene cantidades variables de impurezas procedentes del contacto con la atmósfera, el suelo y los recipientes. Los metales manufacturados tienden a revertir a minerales mediante reacciones electroquímicas de corrosión. El agua puede acelerar la corrosión de la maquinaria que se enfría, ya que es tanto un conductor eléctrico como un disolvente para los iones metálicos y el oxígeno. Las reacciones de corrosión proceden más rápidamente a medida que aumenta la temperatura. La conservación de la maquinaria en presencia de agua caliente se ha mejorado mediante la adición de inhibidores de la corrosión, incluidos zinc, cromatos y fosfatos. Los dos primeros tienen problemas de toxicidad; y el último se ha asociado con la eutrofización.Las concentraciones residuales de biocidas e inhibidores de la corrosión son potencialmente preocupantes para la OTC y la purga de los sistemas abiertos de recirculación de agua de refrigeración.Con la excepción de las máquinas con una vida útil corta, los sistemas de recirculación cerrados requieren un tratamiento o sustitución periódicos del agua de refrigeración, lo que plantea una preocupación similar sobre la eliminación final del agua de refrigeración que contiene productos químicos utilizados con los supuestos de seguridad medioambiental de un sistema cerrado. La bioincrustación se produce porque el agua es un entorno favorable para muchas formas de vida. Las características de flujo de los sistemas de recirculación de agua de refrigeración fomentan la colonización por organismos sésiles para utilizar el suministro circulante de alimentos, oxígeno y nutrientes. Las temperaturas pueden llegar a ser lo suficientemente altas como para albergar poblaciones termófilas. La bioincrustación de las superficies de intercambio de calor puede reducir los índices de transferencia de calor del sistema de refrigeración; y la bioincrustación de las torres de refrigeración puede alterar la distribución del flujo y reducir los índices de refrigeración por evaporación. La bioincrustación también puede crear concentraciones diferenciales de oxígeno que aumenten los índices de corrosión. Los sistemas OTC y de recirculación abierta son los más susceptibles a la bioincrustación. Las modificaciones temporales del hábitat pueden inhibir la bioincrustación. Las diferencias de temperatura pueden desalentar el establecimiento de poblaciones termófilas en instalaciones de funcionamiento intermitente; y los picos de temperatura intencionados a corto plazo pueden matar periódicamente a las poblaciones menos tolerantes. Los biocidas se han utilizado habitualmente para controlar las incrustaciones biológicas cuando se requiere un funcionamiento continuado de las instalaciones.
El cloro puede añadirse en forma de hipoclorito para reducir la bioincrustación en los sistemas de agua de refrigeración, pero posteriormente se reduce a cloruro para minimizar la toxicidad del agua de purga o de OTC que se devuelve a los entornos acuáticos naturales. El hipoclorito es cada vez más destructivo para las torres de refrigeración de madera a medida que aumenta el pH. Los fenoles clorados se han utilizado como biocidas o se han lixiviado de la madera conservada en torres de refrigeración. Tanto el hipoclorito como el pentaclorofenol tienen una eficacia reducida a valores de pH superiores a 8. Los biocidas no oxidantes pueden ser más difíciles de desintoxicar antes de liberar el agua de purga o de OTC a entornos acuáticos naturales.
Se han mantenido concentraciones de polifosfatos o fosfonatos con zinc y cromatos o compuestos similares en los sistemas de refrigeración para mantener limpias las superficies de intercambio de calor, de modo que una película de óxido de hierro (III) y Fosfato de zinc pueda inhibir la corrosión pasivando los puntos de reacción anódica y catódica.Estos aumentan la salinidad y los sólidos disueltos totales, y los compuestos de fósforo pueden proporcionar el nutriente esencial limitante para el crecimiento de algas que contribuyen a la bioincrustación del sistema de refrigeración o a la eutrofización de los entornos acuáticos naturales que reciben el agua de purga o de OTC. Los cromatos reducen la bioincrustación además de inhibir eficazmente la corrosión en el sistema de agua de refrigeración, pero la toxicidad residual en el agua de purga o de OTC ha fomentado la reducción de las concentraciones de cromatos y el uso de inhibidores de corrosión menos flexibles. La purga también puede contener cromo lixiviado de torres de refrigeración construidas con madera preservada con arseniato de cobre cromado.
Los sólidos disueltos totales o TDS (a veces llamados residuos filtrables) se miden como la masa de residuos que quedan cuando se evapora un volumen medido de agua filtrada.La salinidad mide la densidad del agua o los cambios de conductividad causados por los materiales disueltos. La probabilidad de formación de incrustaciones aumenta con el incremento del total de sólidos disueltos. Los sólidos comúnmente asociados a la formación de incrustaciones son el carbonato y el sulfato de calcio y magnesio. Las tasas de corrosión aumentan inicialmente con la salinidad en respuesta al aumento de la conductividad eléctrica, pero luego disminuyen después de alcanzar un pico a medida que los niveles más altos de salinidad disminuyen los niveles de oxígeno disuelto.
Algunas aguas subterráneas contienen muy poco oxígeno cuando se bombean de los pozos, pero la mayoría de los suministros naturales de agua incluyen oxígeno disuelto. La corrosión aumenta con el incremento de las concentraciones de oxígeno.El oxígeno disuelto se aproxima a los niveles de saturación en las torres de refrigeración. El oxígeno disuelto es deseable en el agua de purga o de OTC que se devuelve a entornos acuáticos naturales.
El agua se ioniza en cationes hidronio (H 3 O+) y aniones hidróxido (OH−). La concentración de hidrógeno ionizado (como agua protonada) en un sistema de agua de refrigeración se expresa como pH. Los valores bajos de pH aumentan la velocidad de corrosión, mientras que los valores altos de pH favorecen la formación de incrustaciones. El anfoterismo es poco común entre los metales utilizados en los sistemas de refrigeración por agua, pero la velocidad de corrosión del aluminio aumenta con valores de pH superiores a 9. La corrosión galvánica puede ser grave en sistemas de agua con componentes de cobre y aluminio. Se puede añadir ácido a los sistemas de agua de refrigeración para evitar la formación de incrustaciones si la disminución del pH compensa el aumento de la salinidad y de los sólidos disueltos.
Centrales eléctricas de vapor miniaturadeimagen| El Centro de Energía de Indian Point. Más de mil millones de huevos y larvas de peces mueren en su sistema de enfriamiento cada año. miniaturadeimagen| Toma de agua de refrigeración de una central nuclear Pocas aplicaciones de refrigeración se acercan a los grandes volúmenes de agua necesarios para condensar el vapor a baja presión de las centrales eléctricas. Document No. EPA/310-R-97-007. p. 79. Muchas instalaciones, sobre todo centrales eléctricas, utilizan millones de litros de agua al día para la refrigeración.EPA (2010). "Partial List of Facilities Subject to Clean Water Act 316(b)." La refrigeración por agua a esta escala puede alterar los entornos acuáticos naturales y crear otros nuevos. La contaminación térmica de ríos, estuarios y aguas costeras es un factor a tener en cuenta a la hora de ubicar este tipo de centrales. El agua devuelta a los entornos acuáticos a temperaturas superiores a las del agua receptora ambiente modifica el hábitat acuático al aumentar las tasas de reacción bioquímica y disminuir la capacidad de saturación de oxígeno del hábitat. Los aumentos de temperatura favorecen inicialmente un cambio de población de las especies que requieren la alta concentración de oxígeno del agua fría a las que disfrutan de las ventajas de las mayores tasas metabólicas del agua caliente.