1. Introducción: el método de enfriamiento influye en la eficiencia de compresión, el consumo de energía y el consumo energético global de la instalación
En el proceso de compresión multietapa de cloro, el enfriamiento entre etapas constituye una etapa tecnológica indispensable. Tras la compresión en la etapa precedente, la temperatura del gas aumenta significativamente. Si el gas entra en la etapa siguiente sin enfriamiento, se incrementará el consumo de energía, disminuirá la eficiencia volumétrica y, en casos graves, se verá afectada la seguridad operativa del conjunto. La tarea fundamental del enfriamiento entre etapas consiste en reducir la temperatura del cloro hasta un rango razonable antes de su entrada en la siguiente etapa de compresión. Actualmente, en la industria se emplean principalmente dos métodos: enfriamiento por agua y enfriamiento por aire. Ambos presentan diferencias notables en eficiencia de transferencia de calor, estructura de consumo energético, requisitos de mantenimiento y adaptabilidad ambiental.
2. Sistemas de enfriamiento por agua
Los sistemas de enfriamiento por agua suelen utilizar intercambiadores de calor de carcasa y tubos o de placas como equipos de enfriamiento, empleando agua de circulación o agua enfriada como medio refrigerante. El calor de compresión del cloro se transfiere al agua de enfriamiento mediante intercambio de calor a través de una pared divisoria.
La ventaja del sistema de enfriamiento por agua radica en que el coeficiente de transferencia de calor del agua es muy superior al del aire. Bajo una misma carga térmica, el área de intercambio de calor requerida es menor y el equipo resulta más compacto. En condiciones de temperatura estable del agua de enfriamiento, el enfriamiento por agua permite alcanzar una temperatura de descarga relativamente baja; normalmente puede enfriar el cloro entre etapas hasta 40 °C–50 °C o incluso menos, lo que favorece la reducción del consumo energético en las etapas posteriores de compresión. Asimismo, el efecto de enfriamiento del sistema por agua prácticamente no se ve afectado por las fluctuaciones de la temperatura ambiente, lo que le confiere una buena estabilidad operativa.
No obstante, el funcionamiento del sistema de enfriamiento por agua depende en gran medida del suministro normal del sistema de agua de circulación. Es necesario construir torres de enfriamiento, bombas de agua de circulación e instalaciones de tratamiento de agua como infraestructura de apoyo. Aunque el intercambiador de calor en sí puede resultar relativamente económico, la inversión integral de todo el sistema de agua no puede pasarse por alto. Durante la operación a largo plazo, el agua de enfriamiento presenta problemas de incrustaciones, corrosión y proliferación microbiana, lo que exige un tratamiento periódico de la calidad del agua y la limpieza de los intercambiadores; los costes de tratamiento de agua se convierten así en un gasto operativo continuo. En regiones frías, además, deben considerarse medidas de protección contra heladas para el sistema de agua de circulación durante el invierno.
3. Sistemas de enfriamiento por aire
Los sistemas de enfriamiento por aire utilizan aerorrefrigeradores de tubos aletados como equipos de enfriamiento. Varios ventiladores axiales fuerzan el paso del aire ambiente a través de los haces de tubos aletados, y el calor del cloro se elimina mediante transferencia de calor por convección.
La ventaja fundamental del sistema de enfriamiento por aire es que elimina por completo la dependencia de los recursos hídricos. Durante su funcionamiento no consume agua y no existen problemas relacionados con la calidad del agua, como incrustaciones o corrosión, lo que reduce considerablemente la carga de mantenimiento. El coste operativo corresponde principalmente al consumo eléctrico de los ventiladores, que suele ser inferior al consumo energético combinado de las bombas de agua de circulación y los ventiladores de la torre de enfriamiento en un sistema por agua. Para emplazamientos con escasez de agua o dificultades de captación, el enfriamiento por aire es la única opción viable.
Sin embargo, la capacidad de enfriamiento del sistema por aire se ve directamente afectada por la temperatura de bulbo seco del ambiente. Durante los períodos de alta temperatura en verano, al aumentar la temperatura del aire ambiente, también se eleva la temperatura del cloro a la salida del aerorrefrigerador, y el efecto de enfriamiento disminuye notablemente. Esto puede provocar una temperatura de entrada entre etapas del compresor excesivamente alta y un aumento del consumo energético. Para alcanzar la misma profundidad de enfriamiento, el área de intercambio de calor requerida por un aerorrefrigerador es muy superior a la de un intercambiador enfriado por agua, lo que da lugar a equipos voluminosos y a un aumento significativo de la superficie ocupada. Además, el funcionamiento simultáneo de múltiples ventiladores genera niveles de ruido relativamente elevados, por lo que se requieren medidas de aislamiento acústico y reducción de ruido.
4. Comparación del rendimiento integral y de los factores ambientales
Desde el punto de vista de la inversión inicial, si se comparan únicamente los equipos de intercambio de calor, el precio de un intercambiador enfriado por agua es inferior al de un haz de tubos aletados enfriado por aire. No obstante, si se incluye la inversión global del sistema de agua de circulación, la diferencia entre ambos se reduce. Desde la perspectiva de los costes operativos, los gastos acumulados a largo plazo de tratamiento de agua, reposición de agua y mantenimiento de equipos en un sistema por agua resultan considerables; el coste operativo de un sistema por aire corresponde principalmente al consumo eléctrico, con un mantenimiento sencillo y costes operativos a largo plazo relativamente bajos.
La influencia de la temperatura ambiente sobre ambos métodos difiere en su dirección. La capacidad de enfriamiento del sistema por aire está estrictamente limitada por la temperatura de bulbo seco del ambiente; en verano, con temperaturas elevadas, la temperatura del cloro a la salida puede superar los 60 °C, con el consiguiente aumento del consumo energético del compresor. La capacidad de enfriamiento del sistema por agua depende de la temperatura del agua a la salida de la torre de enfriamiento, más próxima a la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, y normalmente puede mantenerse entre 32 °C y 38 °C, conservando cierto margen incluso en las estaciones cálidas. En regiones áridas, los sistemas por agua se enfrentan a limitaciones de cupos de captación y a la presión del tratamiento de vertidos; en regiones de alta humedad, las ventajas de los sistemas por aire se refuerzan relativamente.
Para aplicaciones con temperaturas ambiente elevadas y requisitos estrictos de profundidad de enfriamiento, puede considerarse un esquema híbrido que combine enfriamiento por aire con preenfriamiento por aspersión de agua. Es decir, durante los períodos de alta temperatura se pulveriza una pequeña cantidad de agua atomizada en el aire de entrada del aerorrefrigerador; el calor absorbido por la evaporación del agua reduce la temperatura del aire de entrada y compensa la insuficiente capacidad de enfriamiento del sistema por aire. Este esquema opera en modo de enfriamiento por aire durante la mayor parte del tiempo y activa la asistencia por aspersión de agua solo durante los períodos de temperatura extremadamente alta, equilibrando la conservación del agua y la adaptabilidad a altas temperaturas.
5. Recomendaciones de selección
En plantas con abundantes recursos hídricos y un control estricto del consumo energético del compresor, debe darse prioridad al esquema de enfriamiento por agua. El enfriamiento por agua puede proporcionar de forma estable una temperatura de entrada entre etapas relativamente baja y reducir eficazmente el consumo energético en la compresión multietapa de alta presión.
En emplazamientos situados en zonas con escasez de agua o sujetos a restricciones estrictas de captación y vertido por políticas ambientales, debe seleccionarse el esquema de enfriamiento por aire. Aunque el enfriamiento por aire tiene una profundidad de enfriamiento limitada durante los períodos de alta temperatura estival, un diseño razonable del margen de intercambio de calor y la adopción de tecnologías de intensificación de la transferencia de calor mediante tubos aletados pueden satisfacer los requisitos de la mayoría de las condiciones operativas.
Para grandes trenes de compresores de cloro, puede considerarse una estrategia de enfriamiento híbrida con el enfriamiento por aire como modo principal y asistencia por aspersión de agua durante los períodos de temperatura extremadamente alta, equilibrando de forma integral el uso de agua y el consumo energético. Independientemente del método elegido, debe realizarse un cálculo termoeconómico detallado en función de la temperatura media anual, la temperatura máxima, las condiciones de la fuente de agua y los precios de la electricidad y del agua en el emplazamiento de la planta, con el fin de determinar el esquema de enfriamiento óptimo a lo largo de todo el ciclo de vida.
