Entiende cómo funcionan las torres de enfriamiento, qué significan range y approach, cómo estimar evaporación y purga, y por qué el control de Legionella es esencial.
El agua se enfría, pero el calor debe llegar a algún lugar
Si evaporar una pequeña parte del agua permite enfriar el resto, ¿por qué las torres de enfriamiento son tan importantes para fábricas, edificios y centrales? Porque ofrecen un camino para rechazar calor hacia la atmósfera. El proceso atendido sigue produciendo energía térmica, que debe atravesar equipos, tuberías y una frontera final con el ambiente.
En climatización centralizada, una torre puede recibir el calor del condensador de un chiller. En una industria, puede atender un circuito de proceso mediante intercambiadores. En centros de datos, puede integrar la infraestructura que recibe calor de los circuitos de refrigeración. Estas aplicaciones comparten principios, pero no necesariamente la misma agua, temperatura, configuración o necesidad de gestión sanitaria.
La torre no crea frío: combina transferencia de calor y masa, principalmente mediante evaporación. Seguiremos esa física hasta los costos de agua, electricidad y mantenimiento. Un ejemplo didáctico de 500 kW organiza las cuentas; sus resultados no constituyen selección de equipos, pronóstico de desempeño de una instalación ni autorización para operar sin evaluación técnica.
Calor latente: poca masa puede transportar mucha energía
Para evaporarse, el agua necesita recibir energía. Cuando ese cambio de fase ocurre en la torre, parte de la energía procede de la propia corriente líquida, que puede disminuir su temperatura. El calor latente de vaporización expresa la energía necesaria por unidad de masa evaporada. Depende de las condiciones; adoptaremos 2.400 kJ/kg como aproximación didáctica declarada.
El aire en contacto con el agua también intercambia calor sensible y gana humedad. Un balance más completo sigue la entalpía del aire húmedo, los caudales y los estados de entrada y salida. Dividir toda la carga térmica entre el calor latente representa un modelo de rechazo exclusivamente latente; no demuestra que cada torre real evapore exactamente esa cantidad.
El relleno aumenta la superficie y el tiempo de contacto entre aire y agua. Distribuidores, ventiladores, entradas de aire y balsa ayudan a organizar los flujos. Depósitos, distribución desigual o recirculación del aire descargado pueden perjudicar el intercambio aunque la bomba continúe moviendo agua. El comportamiento térmico depende del conjunto, y no solamente de tener un ventilador.
SPX Cooling Technologies — Basic Theory and Practice(CTII-01A) →
NISTIR5078 — Thermodynamic Properties of Water, IAPWS-95 Tables →
Bulbo húmedo, range y approach: tres referencias diferentes
La temperatura de bulbo húmedo es una referencia psicrométrica esencial para el enfriamiento evaporativo. Depende del estado del aire y debe representar el aire que realmente entra en la torre. La temperatura de bulbo seco, habitual en los pronósticos meteorológicos, no la sustituye. Medir lejos de la instalación también puede ocultar recirculación local de aire caliente y húmedo.
Range es la diferencia entre la temperatura del agua caliente de entrada y la del agua fría de salida. Approach es la diferencia entre el agua fría de salida y el bulbo húmedo del aire de entrada. Son diferencias térmicas, expresadas en kelvin o numéricamente en grados Celsius. En el caso 35/29/24 °C, resultan 6 °C de range y 5 °C de approach.
Un approach menor exige una aproximación térmica más difícil, normalmente con mayor capacidad de intercambio, una torre mayor o más circulación de aire para condiciones comparables. No es, por sí solo, un certificado de eficiencia. Una torre evaporativa convencional finita no debe prometer approach nulo o negativo; el range resulta de la carga y del caudal.
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| Magnitud | Definición | Ejemplo didáctico |
|---|---|---|
| Bulbo húmedo | Referencia del aire de entrada | 24 °C |
| Range | Agua caliente − agua fría | 35 − 29 = 6 °C |
| Approach | Agua fría − bulbo húmedo | 29 − 24 = 5 °C |
Circuito abierto, circuito cerrado y tipos de tiro
En una torre de circuito abierto, el agua de circulación entra directamente en contacto con el aire. Esto favorece la transferencia de calor y masa, pero expone el circuito a impurezas y concentración de sales. La compatibilidad con los equipos depende de la calidad del agua, tratamiento, materiales y posibilidad de separar el proceso mediante un intercambiador.
En una torre evaporativa de circuito cerrado, el fluido de proceso circula dentro de un serpentín u otro elemento cerrado; agua de pulverización y aire enfrían su superficie externa. El proceso permanece separado de ese circuito de pulverización. Sin embargo, el agua externa puede generar aerosoles y exige control de Legionella. Circuito cerrado no significa ausencia automática de riesgo sanitario.
El tiro natural utiliza diferencias de densidad para promover el movimiento del aire. Las torres de tiro mecánico emplean ventiladores: en tiro inducido, aspiran aire a través de la torre; en tiro forzado, lo impulsan desde la entrada. Flujo cruzado y contracorriente describen la orientación relativa entre aire y agua. Estas clasificaciones se combinan y afectan acceso, distribución, ruido y mantenimiento.
Baltimore Aircoil — What is a Cooling Tower? →
Baltimore Aircoil — What is a Closed Circuit Cooling Tower? →
Ejercicio 1: ¿qué caudal transporta 500 kW?
Considere régimen permanente, agua con calor específico cp = 4,186 kJ/(kg·K), densidad aproximada de 1.000 kg/m³ y pequeñas variaciones de esas propiedades. La carga rechazada es Q = 500 kW, con entrada a 35 °C y salida a 29 °C. Como 1 kW equivale a 1 kJ/s, las unidades permiten calcular directamente el caudal másico.
La relación Q = ṁ × cp × ΔT proporciona ṁ = 500 / (4,186 × 6) = 19,9076 kg/s. La conversión volumétrica es V̇ = ṁ / ρ × 3.600 = 71,6675 m³/h, aproximadamente 71,7 m³/h. Es el agua que circula y transporta calor; no es el agua consumida o evaporada cada hora.
Con bulbo húmedo de 24 °C, la salida deseada de 29 °C establece un approach de 5 °C. Las cuentas organizan el deber térmico, pero no demuestran que una torre específica pueda cumplirlo. Eso exige capacidad en las condiciones de diseño, curvas del fabricante, distribución hidráulica, condiciones reales del aire y márgenes compatibles con la aplicación.
| Etapa | Operación | Resultado |
|---|---|---|
| Carga térmica | Q | 500 kW |
| Caudal másico | 500 / (4,186 × 6) | 19,9076 kg/s |
| Caudal circulante | 19,9076 × 3.600 / 1.000 | 71,6675 m³/h |
| Evaporación exclusivamente latente | 500 / 2.400 × 3.600 / 1.000 | 0,75 m³/h |
Ejercicio 2: estimar evaporación sin ocultar la hipótesis
Ahora suponga, solamente para este ejercicio, que los 500 kW se rechazan íntegramente como calor latente. La evaporación estimada es ṁevap = Q / hfg = 500 / 2.400 = 0,20833 kg/s. Se divide energía por segundo entre energía por kilogramo, obteniendo la masa evaporada por segundo dentro de un modelo energético deliberadamente simplificado.
La conversión correcta es E = 0,20833 × 3.600 / 1.000 = 0,75 m³/h. Multiplicar por 3.600 transforma segundos en horas; dividir entre la densidad transforma kilogramos en metros cúbicos. Una segunda división entre mil reduciría incorrectamente el resultado. Los 71,7 m³/h de circulación y los 0,75 m³/h de evaporación describen magnitudes distintas.
En operación real, la distribución entre transferencia sensible y latente depende del estado del aire, de los caudales y de la torre. El resultado es una estimación del modelo exclusivamente latente, no un consumo garantizado, medición o límite universal. Para diseñar y reconciliar consumos se necesitan balance psicrométrico apropiado, datos operativos y las demás pérdidas de agua.
Evaporación, arrastre, purga y reposición son caudales distintos
La evaporación transforma agua líquida en vapor y deja la mayor parte de las sales no volátiles en el líquido restante. Drift, o arrastre, es la salida de gotas líquidas con el aire; pueden transportar sales y microorganismos. Los eliminadores de gotas reducen ese arrastre, pero necesitan instalación, integridad y mantenimiento adecuados para cumplir su función.
Blowdown es la purga intencional de agua concentrada para controlar la acumulación de constituyentes. Make-up es el agua de reposición que compensa las salidas. En régimen permanente simplificado, sin fugas ni otras pérdidas, M = E + B + D: reposición igual a evaporación, purga y arrastre. Cualquier salida adicional debe incorporarse al balance.
Un medidor de reposición registra la entrada, mientras medir la purga ayuda a reconocer el destino del agua. Comparar solamente el agua comprada con una estimación de evaporación puede esconder fugas, desbordamientos o purga excesiva. Registrar períodos equivalentes, estados de operación y resolución de instrumentos convierte la impresión de consumo elevado en una hipótesis verificable.
DOE FEMP — Best Management Practice #10: Cooling Tower Management →
Ciclos de concentración: las sales explican la purga
Los ciclos de concentración, CoC, representan una relación entre la concentración de un constituyente conservativo en el agua circulante y en la reposición. La conductividad puede servir como indicador operativo cuando su interpretación sea compatible con la química del agua. Una lectura práctica no equivale a caracterización completa de sales, tratamiento o condición microbiológica.
Para régimen permanente, concentración uniforme, arrastre con la concentración de la balsa y evaporación sin sales no volátiles, el balance de soluto es M × Creposición = (B + D) × Ccirculación. Con CoC = Ccirculación / Creposición y M = E + B + D, obtenemos B = E / (CoC − 1) − D. El constituyente usado en este balance no debe precipitar ni recibir una adición química relevante.
La aproximación B ≈ E / (CoC − 1) solo es coherente cuando el arrastre es despreciable. Usarla y después sumar arrastre relevante a la reposición pierde la correspondencia exacta con el CoC elegido. Si la expresión produce purga negativa, entradas e hipótesis son incompatibles: una válvula no puede realizar un caudal de descarga negativo.
EPA WaterSense at Work — Section6.3 Cooling Towers →
DOE — Cooling Towers: Understanding Key Components and How to Improve Water Efficiency →
Ejercicio 3: ¿cuánto cambian los ciclos la reposición?
Mantenga E = 0,75 m³/h y desprecie inicialmente el arrastre. Para CoC = 2, la purga es 0,75 / (2 − 1) = 0,75 m³/h y la reposición es 1,50 m³/h. Con CoC = 6, la purga baja a 0,15 m³/h y la reposición a 0,90 m³/h. La evaporación permanece igual dentro del modelo.
La tabla muestra rendimientos decrecientes: pasar de dos a seis ciclos reduce bastante la purga, mientras pasar de seis a diez ahorra menos agua en términos absolutos. No existe un óptimo universal. Alcalinidad, dureza, sílice, cloruros, materiales, temperatura, restricciones de descarga y estrategia de tratamiento pueden limitar el aumento razonable de la concentración.
Con drift de 0,002% de la circulación, D = 71,6675 × 0,00002 = 0,001433 m³/h. A seis ciclos, B = 0,75 / 5 − 0,001433 = 0,148567 m³/h; M = 0,75 + 0,148567 + 0,001433 = 0,90 m³/h. Bajo esas hipótesis, el arrastre sustituye parte de la purga como salida de sales; no constituye una estrategia deseable de ahorro.
| CoC | Evaporación E (m³/h) | Purga B (m³/h) | Reposición M (m³/h) |
|---|---|---|---|
| 2 | 0,7500 | 0,7500 | 1,5000 |
| 3 | 0,7500 | 0,3750 | 1,1250 |
| 6 | 0,7500 | 0,1500 | 0,9000 |
| 10 | 0,7500 | 0,0833 | 0,8333 |
Electricidad auxiliar: optimizar toda la instalación
La evaporación ofrece una ruta térmica favorable, pero operar la torre no es energéticamente gratis. Los ventiladores mueven aire, las bombas vencen diferencias de presión y transportan agua, y tratamiento y control también requieren recursos. Reducir la temperatura de salida puede beneficiar al equipo atendido y exigir simultáneamente mayor esfuerzo de ventilación.
En condiciones ideales de semejanza y sistema aproximadamente fijo, las leyes de afinidad relacionan caudal con velocidad de giro y potencia con su tercera potencia. Esto ayuda a entender los accionamientos de velocidad variable, pero no garantiza ahorro cúbico en cualquier situación. Eficiencia del motor, accionamiento, curva del sistema, límites y cambios de régimen modifican el resultado.
La decisión debe observar el consumo conjunto: torre, bombas, chiller o proceso. Reducir la velocidad del ventilador puede ahorrar en la torre y aumentar el trabajo del compresor si el agua sale más caliente. Medir carga, temperaturas y potencia en diferentes condiciones meteorológicas ayuda a establecer controles y prioridades compatibles con el servicio requerido.
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Incrustación, corrosión, sedimentos y biopelícula
La concentración de sales puede favorecer depósitos cuando química y temperatura provocan precipitación. La incrustación añade resistencia a la transferencia térmica y puede perjudicar la distribución de agua. Aumentar CoC sin verificar el agua disponible puede cambiar un ahorro aparente de reposición por pérdida de desempeño, limpiezas frecuentes e indisponibilidad de la instalación.
La corrosión amenaza materiales, tuberías y superficies de intercambio. Los sedimentos acumulados y las biopelículas dificultan limpieza y control microbiológico. Un parámetro químico aislado dentro de su intervalo esperado no demuestra que toda la superficie esté limpia, íntegra o protegida. El diagnóstico depende de inspección, tendencias y evaluación del equipo responsable por el tratamiento.
Una rutina consistente combina revisión de distribución, balsa, relleno, eliminadores, filtros y zonas poco circuladas con registros de agua y mantenimiento. Productos, dosis y compatibilidad deben definirse para la instalación por profesionales responsables. Este ejemplo no prescribe biocida, inhibidor o concentración química: la misma receta puede resultar inadecuada al cambiar el agua o los materiales.
Legionella: controlar el agua y la dispersión de aerosoles
El CDC identifica las torres de enfriamiento como sistemas que pueden favorecer el crecimiento de Legionella y dispersarla mediante aerosoles. El control exige gestión continua del agua, incluyendo condiciones que favorecen crecimiento, sedimentos, biopelícula y eficacia del tratamiento. Agua templada no calcula por sí sola una probabilidad de enfermedad, y CoC no es un indicador sanitario suficiente.
Un programa de gestión del agua debe reconocer el sistema y sus puntos de control, definir límites y acciones correctivas, monitorizar y verificar su ejecución. Limpieza, desinfección, mantenimiento de eliminadores y atención a la ubicación respecto de tomas de aire integran la prevención. Frecuencias y procedimientos deben reflejar la instalación y las orientaciones aplicables, sin improvisar dosis.
La pluma blanca visible puede resultar de la condensación de vapor cuando el aire caliente y húmedo descargado se mezcla con el ambiente. No demuestra contaminación por Legionella. Tampoco la ausencia de pluma demuestra ausencia de gotas o seguridad sanitaria. Temperatura, arrastre y ciclos de concentración no convierten el laboratorio en un índice numérico de riesgo médico.
La operación segura empieza antes de limpiar
Inspeccionar o limpiar una torre implica peligros además del agua: partes móviles, electricidad, altura, químicos y posibles espacios de acceso restringido. Planificación, aislamiento de energías, autorización y medios de acceso deben corresponder a la tarea. Una instalación apagada desde la supervisión todavía necesita confirmar que ventiladores y otros equipos no puedan arrancar durante la intervención.
Evaluar ubicación y trayectorias de aerosoles ayuda a proteger usuarios, trabajadores y sistemas de ventilación. El CDC recomienda considerar tomas de aire y ocupantes al planificar torres. Distancias o procedimientos de referencias extranjeras no deben presentarse automáticamente como obligación legal brasileña; requisitos locales y condiciones efectivas requieren verificación en diseño y operación.
Después de paradas e intervenciones, el reinicio merece un procedimiento documentado: verificar limpieza, agua, tratamiento, circulación y funcionamiento de controles antes del servicio previsto. Los registros deben permitir reconocer desviaciones, responsables y acciones. Un certificado aislado o una fotografía de mantenimiento no sustituye la evidencia de que el programa sigue funcionando a lo largo del tiempo.
CDC — Controlling Legionella in Cooling Towers →
CDC — Overview of Water Management Programs →
| Qué verificar | Por qué importa | Evidencia útil |
|---|---|---|
| Agua y tratamiento | Depósitos, corrosión y control microbiológico | Registros, tendencias y acciones correctivas |
| Eliminadores y distribución | Arrastre y contacto aire–agua | Inspecciones y mantenimiento |
| Gestión del agua | Continuidad de controles sanitarios | Responsables, límites y verificaciones |
| Intervenciones | Energías, acceso y químicos | Procedimiento, aislamiento y autorización |
Usar el laboratorio como clase de balances
El laboratorio interactivo de esta página, también descargable de forma independiente, permite variar carga, temperaturas, bulbo húmedo, ciclos y porcentaje de arrastre. Observe primero unidades y validez de entradas. Si el agua caliente no supera la temperatura fría, o el approach es incompatible con una torre evaporativa convencional finita, revise el escenario antes de interpretar resultados.
Compare escenarios manteniendo constantes las demás variables: cambie CoC para observar la purga o la carga para seguir circulación y evaporación del modelo. El porcentaje de drift se aplica al caudal circulante, no a la reposición. Los avisos cualitativos reconocen hipótesis; no miden microorganismos, exposición, eficiencia certificada o necesidad de un producto químico específico.
El CSV registra los datos y resultados del ejemplo para verificar las cuentas sin ejecutar el laboratorio. El kit reúne materiales didácticos y créditos de imágenes. No hay conexión a instrumentos de campo: el lector introduce escenarios hipotéticos. Una selección real exige clima de diseño, requisitos del proceso, capacidad verificada, hidráulica y un plan de gestión del agua.
Laboratorio — calor y agua en la torre
Cambie las seis entradas y compare los balances. Los cálculos se ejecutan localmente en el navegador; no hay conexión a sensores.
Modelo educativo. No sustituye diseño, selección de torre ni plan de tratamiento del agua.
Entradas del ejemplo
Resultados calculados
- Range
- 6,0 K
- Approach
- 5,0 K
- Caudal másico de circulación
- 19,908 kg/s
- Caudal de circulación
- 71,667 m³/h
- Evaporación (hipótesis 100% latente)
- 0,750 m³/h
- Purga calculada
- 0,149 m³/h
- Arrastre de agua
- 0,001 m³/h
- Reposición total
- 0,900 m³/h
| Componente | Caudal (m³/h) |
|---|---|
| Evaporación (hipótesis 100% latente) | 0,750 |
| Purga calculada | 0,149 |
| Arrastre de agua | 0,001 |
| Reposición total | 0,900 |
Hipótesis y límites
Régimen permanente, sin fugas; agua con ρ = 1.000 kg/m³ y cp = 4,186 kJ/(kg·K). ṁevap = Q / hfg y E = 3,6 × ṁevap, con hfg = 2.400 kJ/kg, asignan toda la carga a la evaporación (ṁevap en kg/s; E en m³/h). La torre real también intercambia calor sensible; estos resultados no predicen el consumo medido.
B = E / (CoC − 1) − D; M = E + B + D. El arrastre D lleva agua con la misma concentración de sales del circuito. CoC es una relación de concentraciones, no el número de vueltas físicas del agua.
Un approach positivo solo es una condición necesaria en este modelo. El cálculo no verifica capacidad de la torre, caudal de aire, relleno, humedad de salida ni potencia auxiliar. Un approach menor exige más de la selección del equipo; no demuestra mayor eficiencia.
Control sanitario: estos valores no estiman presencia de Legionella, probabilidad de enfermedad ni protección personal. Se necesitan un programa de gestión del agua, tratamiento, limpieza, control del estancamiento y aerosoles y verificación por profesionales cualificados.
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Termodinámica, agua y salud pública en la misma decisión
En edificios, la torre puede rechazar calor de sistemas HVAC; en plantas químicas, refinerías y siderurgia, puede atender servicios auxiliares y circuitos de proceso. Las centrales térmicas y otras plantas de generación también emplean refrigeración para rechazar calor de sus ciclos. La configuración depende de la aplicación. En centros de datos, la cadena puede comenzar en un chip y terminar en la infraestructura exterior de rechazo; los artículos relacionados permiten seguir estos componentes.
Cuando una torre de enfriamiento funciona bien, parece invisible. Detrás de esa aparente simplicidad existe ingeniería de calor, agua, materiales, química y salud pública. Un buen resultado puede demostrarse: atender la carga térmica, explicar consumos, mantener integridad y sostener controles sanitarios documentados, sin transformar un ejemplo de clase en garantía de desempeño para una instalación real.
La paradoja del aire acondicionado →
Dimensionamiento de intercambiadores →
Preguntas frecuentes
¿Cómo funciona una torre de enfriamiento?
Rechaza calor del agua hacia el aire por transferencia de calor y masa, principalmente evaporando una fracción del agua. El sistema atendido aporta el calor; ventiladores y bombas pueden necesitar electricidad auxiliar.
¿Qué es range?
Es la diferencia entre el agua caliente de entrada y el agua fría de salida. En el ejemplo, 35 − 29 = 6 °C. Para carga y propiedades definidas, también depende del caudal circulante.
¿Qué es approach?
Es la diferencia entre el agua fría de salida y el bulbo húmedo del aire de entrada. Aquí, 29 − 24 = 5 °C. Reducirlo exige mayor capacidad de intercambio para condiciones comparables; no mide por sí solo la eficiencia global.
¿Qué caudal circulante transporta 500 kW en el ejemplo?
Con agua, cp = 4,186 kJ/(kg·K), range de 6 °C y densidad de 1.000 kg/m³, resulta 19,9076 kg/s o 71,6675 m³/h. No es el caudal de reposición.
¿Rechazar 500 kW siempre evapora 0,75 m³/h?
No. Ese valor asigna toda la carga al calor latente con hfg = 2.400 kJ/kg. La evaporación real depende de las condiciones psicrométricas y del balance sensible y latente de la instalación.
¿Qué son blowdown y make-up?
Blowdown es la purga intencional de agua concentrada. Make-up es la reposición total. En el balance simplificado sin fugas, M = E + B + D, incluyendo evaporación, purga y arrastre.
¿Cómo se calcula la purga incluyendo drift?
Para el balance conservativo adoptado, B = E / (CoC − 1) − D. Omitir D exige arrastre despreciable. Un resultado negativo indica condiciones incompatibles, no una descarga físicamente negativa.
¿Aumentar los ciclos de concentración siempre es mejor?
No. Puede reducir purga y reposición, pero química del agua, materiales, incrustación, corrosión, temperatura y tratamiento imponen límites. CoC no cuenta las pasadas por la torre ni indica seguridad microbiológica.
¿Una torre de circuito cerrado elimina el riesgo de Legionella?
No automáticamente. El fluido de proceso puede estar aislado, pero el circuito externo de pulverización de una torre evaporativa permanece expuesto al aire y puede generar aerosoles. Gestión del agua, limpieza y controles siguen siendo necesarios.
¿La pluma blanca o el laboratorio indican riesgo de enfermedad?
No. La pluma puede ser vapor condensado y no demuestra contaminación; su ausencia tampoco prueba seguridad. El laboratorio enseña balances sin medir microorganismos, exposición o probabilidad de enfermedad.
Referencias
- CDC — Controlling Legionella in Cooling TowersCDC
- CDC — Overview of Water Management ProgramsCDC
- DOE FEMP — Best Management Practice #10: Cooling Tower ManagementDOE FEMP
- EPA WaterSense at Work — Section6.3 Cooling TowersEPA WaterSense at Work
- DOE — Cooling Towers: Understanding Key Components and How to Improve Water EfficiencyDOE
- SPX Cooling Technologies — Cooling Tower Performance: Approach(TR-016)SPX Cooling Technologies
- SPX Cooling Technologies — Basic Theory and Practice(CTII-01A)SPX Cooling Technologies
- Baltimore Aircoil — What is a Cooling Tower?Baltimore Aircoil
- Baltimore Aircoil — What is a Closed Circuit Cooling Tower?Baltimore Aircoil
- NISTIR5078 — Thermodynamic Properties of Water, IAPWS-95 TablesNISTIR5078
- DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory — Variable-Speed FanDOE / LBNL
- Torre de enfriamiento de tiro inducido instalada en cubierta para HVAC — AloofmanishWikimedia Commons / Aloofmanish
- CC BY-SA 4.0Creative Commons
- Celda de torre de circuito abierto, con relleno y agua de circulación visibles — SAF (SAF1999)Wikimedia Commons / SAF (SAF1999)
- Detalle del ventilador de una torre Marley Aquatower — Steve JohnsonWikimedia Commons / Steve Johnson
- CC BY 2.0Creative Commons