Chladící věž - Cooling tower

Typická odpařovací chladicí věž s nuceným tahem a otevřenou smyčkou odvádějící teplo ze vodní smyčky kondenzátoru průmyslové chladicí jednotky

Hyperboloidové věže s mokrým chlazením s přirozeným tahem v elektrárně Didcot (Velká Británie)

Mokré chladicí věže s nuceným tahem (výška: 34 metrů) a mokrá chladicí věž s přirozeným tahem (výška: 122 metrů) ve Westfalenu v Německu.

„ Kamuflovaná “ mokrá chladicí věž s přirozeným tahem v Drážďanech (Německo)

Chladicí věže je odnímání tepla zařízení, které zmetků odpadního tepla do atmosféry přes chladicí z chladicího proudu, obvykle proud vody na nižší teplotu. Chladicí věže mohou buď použít odpařování vody k odstranění procesního tepla a ochlazení pracovní tekutiny na teplotu vzduchu vlhkého teploměru, nebo v případě chladicích věží s uzavřeným okruhem nebo suchých chladicích věží spoléhat na chlazení pracovní tekutiny výhradně vzduchem přiblížit teplotu vzduchu suchého teploměru pomocí radiátorů .

Mezi běžné aplikace patří chlazení cirkulující vody používané v ropných rafinériích , petrochemických a jiných chemických závodech , tepelných elektrárnách , jaderných elektrárnách a systémech HVAC pro chlazení budov. Klasifikace je založena na typu sání vzduchu do věže: hlavními typy chladicích věží jsou chladicí věže s přirozeným tahem a indukovaným tahem .

Velikost chladicích věží se liší od malých střešních jednotek až po velmi velké hyperboloidní struktury (jako na sousedním obrázku), které mohou mít výšku až 200 metrů (660 stop) a 100 metrů (330 stop) v průměru, nebo obdélníkové struktury, které mohou být více než 40 metrů (130 stop) vysoký a 80 metrů (260 stop) dlouhý. Hyperboloidní chladicí věže jsou často spojovány s jadernými elektrárnami , ačkoli se používají také v některých uhelných elektrárnách a do určité míry v některých velkých chemických a jiných průmyslových závodech. Ačkoli jsou tyto velké věže velmi nápadné, drtivá většina chladicích věží je mnohem menších, včetně mnoha jednotek instalovaných na budovách nebo v jejich blízkosti, které odvádějí teplo z klimatizace .

Dějiny

Rytina z roku 1902 „Barnardovy bezchlazovací věže s vlastním chlazením“, rané velké odpařovací chladicí věže, která se spoléhala spíše na přirozený tah a otevřené strany než na ventilátor; voda, která má být ochlazena, byla nastříkána shora na radiální obrazec svislých rohoží z drátěného pletiva.

Chladicí věže vznikly v 19. století vývojem kondenzátorů pro použití s parním strojem . Kondenzátory používají relativně chladnou vodu, různými způsoby, ke kondenzaci páry vycházející z válců nebo turbín. To snižuje protitlak , což zase snižuje spotřebu páry, a tím i spotřebu paliva, a současně zvyšuje výkon a recykluje vodu z kotle. Kondenzátory však vyžadují dostatek chladicí vody, bez které jsou nepraktické. Přestože využití vody není u lodních motorů problém , pro mnoho pozemních systémů představuje významné omezení.

Na přelomu 20. století se používalo několik odpařovacích metod recyklace chladicí vody v oblastech, kde chybí zavedené zásobování vodou, a také v městských oblastech, kde obecní vodovody nemusí mít dostatečné zásoby; spolehlivý v době poptávky; nebo jinak adekvátní ke splnění potřeb chlazení. V oblastech s dostupnou půdou měly systémy podobu chladicích rybníků ; v oblastech s omezenou pevninou, například ve městech, měly podobu chladicích věží.

Tyto rané věže byly umístěny buď na střechy budov, nebo jako volně stojící stavby, zásobované vzduchem fanoušky nebo spoléhající na přirozené proudění vzduchu. Americká učebnice strojírenství z roku 1911 popsala jeden návrh jako „kruhovou nebo obdélníkovou skořepinu světelné desky - ve skutečnosti je komínový svazek hodně svisle zkrácený (20 až 40 stop vysoký) a příčně velmi zvětšený. Nahoře je sada distribuční žlaby, do kterých musí být čerpána voda z kondenzátoru; z nich stéká dolů po „rohožích“ vyrobených z dřevěných lamel nebo tkaných drátěných sít, které vyplňují prostor uvnitř věže. “

Hyperboloid chladicí věže byl patentován nizozemskými inženýry Frederik van Iterson a Gerard Kuypersem v roce 1918. První hyperboloid chladicí věže byly postaveny v roce 1918 poblíž Heerlen . První ve Spojeném království byly postaveny v roce 1924 v elektrárně Lister Drive v anglickém Liverpoolu , aby chladila vodu používanou v uhelné elektrárně.

Odhaduje se, že spotřeba chladicí vody vnitrozemskými zpracovateli a elektrárnami sníží dostupnost energie pro většinu tepelných elektráren do roku 2040–2069.

V roce 2021 vědci představili metodu pro zachycení páry. Pára je nabíjena pomocí iontového paprsku a poté zachycena v drátěném pletivu s opačným nábojem. Čistota vody překročila standardy pitnosti EPA .

Klasifikace podle použití

Topení, větrání a klimatizace (HVAC)

Dvě chladicí věže HVAC na střeše nákupního centra (Darmstadt, Hesensko, Německo)

Chladicí věž FRP instalovaná na střeše

Buňka chladicí věže s příčným průtokem s výplňovým materiálem a cirkulující vodou viditelná

K odstranění („odmítnutí“) nežádoucího tepla z chladiče se používá chladicí věž HVAC (topení, větrání a klimatizace) . Kapalinou chlazené chladiče jsou obvykle energeticky účinnější než vzduchem chlazené chladiče kvůli odvádění tepla do vody z věže při teplotách blízkých vlhkým baňkám . Vzduchem chlazené chladiče musí odvádět teplo při vyšší teplotě suchého teploměru , a proto mají nižší průměrnou účinnost reverzního- Carnotova cyklu . V oblastech s horkým klimatem používají velké kancelářské budovy, nemocnice a školy obvykle jako součást klimatizačních systémů jednu nebo více chladicích věží. Průmyslové chladicí věže jsou obecně mnohem větší než věže HVAC. Použití HVAC chladicí věže spáruje chladicí věž s kapalinou chlazeným chladičem nebo kapalinou chlazeným kondenzátorem. Tuna vzduchotechniky je definován jako odstranění 12.000 britských tepelných jednotek za hodinu (3,5 kW). Ekvivalent tuny na straně chladicí věž ve skutečnosti odmítá asi 15.000 britských tepelných jednotek za hodinu (4,4 kW) vzhledem k další odpadní teplo-ekvivalent energie potřebné k pohonu kompresoru chladicí jednotky. Tato ekvivalentní tona je definována jako odvádění tepla při chlazení 3 amerických galonů za minutu (11 litrů za minutu) nebo 1 500 liber za hodinu (680 kg/h) vody o 5,6 ° C o 10 ° F, což činí 15 000 britských tepelné jednotky za hodinu (4,4 kW), za předpokladu chladicího koeficientu výkonu (COP) 4,0. Tento COP odpovídá poměru energetické účinnosti (EER) 14.

Chladicí věže se také používají v systémech HVAC, které mají více tepelných čerpadel s vodním zdrojem, které sdílejí společnou vodní smyčku potrubí . V tomto typu systému voda cirkulující uvnitř vodní smyčky odebírá teplo z kondenzátoru tepelných čerpadel, kdykoli tepelná čerpadla pracují v režimu chlazení, poté se externě namontovaná chladicí věž používá k odebírání tepla z vodní smyčky a odmítání to do atmosféry . Naproti tomu když tepelná čerpadla pracují v režimu vytápění, kondenzátory odebírají teplo ze smyčkové vody a odvádějí ji do prostoru, který má být vytápěn. Když se vodní smyčka používá primárně k dodávce tepla do budovy, chladicí věž se normálně vypne (a může být vypuštěna nebo zazimována, aby se zabránilo poškození mrazem) a teplo se dodává jinými prostředky, obvykle ze samostatných kotlů .

Průmyslové chladicí věže

Průmyslové chladicí věže pro elektrárnu

Průmyslové chladicí věže pro zpracování ovoce

Průmyslové chladicí věže lze použít k odebírání tepla z různých zdrojů, jako jsou stroje nebo zahřívaný technologický materiál. Primárním využitím velkých průmyslových chladicích věží je odstranění tepla absorbovaného v oběhových chladicích vodních systémech používaných v elektrárnách , ropných rafinériích , petrochemických závodech, závodech na zpracování zemního plynu, závodech na zpracování potravin, polovodičích zařízeních a dalších průmyslových zařízení, jako jsou kondenzátory destilačních kolon, pro chlazení kapaliny při krystalizaci atd. Rychlost cirkulace chladicí vody v typické 700 MW uhelné elektrárně s chladicí věží činí asi 71 600 kubických metrů za hodinu (315 000 amerických galonů na minutu) a cirkulující voda vyžaduje doplnění přívodní vody asi 5 procent (tj. 3 600 metrů krychlových za hodinu, což odpovídá jedné metru krychlové každou sekundu).

Pokud by stejná továrna neměla chladicí věž a používala by průtokovou chladicí vodu, vyžadovalo by to asi 100 000 metrů krychlových za hodinu. Velký příjem chladicí vody obvykle zabije miliony ryb a larev ročně, protože organismy narážejí na sací obrazovky . Velké množství vody by muselo být kontinuálně vráceno do oceánu, jezera nebo řeky, ze které byla získána, a kontinuálně znovu dodáváno do závodu. Vypouštění velkého množství horké vody může navíc zvýšit teplotu přijímající řeky nebo jezera na nepřijatelnou úroveň pro místní ekosystém. Zvýšené teploty vody mohou zabíjet ryby a jiné vodní organismy (viz tepelné znečištění ), nebo také mohou způsobit nárůst nežádoucích organismů, jako jsou invazivní druhy zebra mušlí nebo řas . Chladicí věž místo toho slouží k odvádění tepla do atmosféry a difúze větru a vzduchu šíří teplo na mnohem větší plochu, než může horká voda distribuovat teplo v těle vody. Odpařovací chladicí vodu nelze použít k následným účelům (jinde než k dešti), zatímco chladicí vodu pouze pro povrch lze použít znovu. Některé uhelné a jaderné elektrárny nacházející se v pobřežních oblastech využívají průtočnou oceánskou vodu. Ale i tam vyžaduje výstup vypouštěcí vody na moři velmi pečlivý design, aby se předešlo problémům s životním prostředím.

Ropné rafinerie mají také velmi velké systémy chladicích věží. Typická velká rafinerie zpracovávající 40 000 metrických tun ropy denně (300 000 barelů (48 000 m ³ ) denně) cirkuluje kolem 80 000 metrů krychlových vody za hodinu systémem chladicí věže.

Nejvyšší chladicí věže na světě jsou dvě 202 metrů (663 stop) vysoké chladicí věže Kalisindh Thermal Power Station v Jhalawar , Rajasthan, Indie.

Pole postavená chladicí věž

Klasifikace podle sestavení

Typ balíčku

Pole postavené chladicí věže

Chladicí věž Brotep-Eco

Balící chladicí věž

Tyto typy chladicích věží jsou z výroby předem smontovány a lze je jednoduše přepravovat na nákladních automobilech, protože se jedná o kompaktní stroje. Kapacita věží balíkového typu je omezená, a proto je obvykle upřednostňují zařízení s nízkými požadavky na odvádění tepla, jako jsou potravinářské závody, textilní závody, některé závody na chemické zpracování nebo budovy jako nemocnice, hotely, nákupní centra, automobilové závody atd.

Vzhledem k jejich častému používání v obytných oblastech nebo v jejich blízkosti je ovládání hladiny zvuku relativně důležitější otázkou u chladicích věží typu balení.

Pole postavený typ

Zařízení, jako jsou elektrárny, ocelárny, ropné rafinerie nebo petrochemické závody, obvykle instalují chladicí věže postavené na poli kvůli jejich větší kapacitě pro odvádění tepla. Pole postavené věže mají obvykle mnohem větší rozměry než chladicí věže balíkového typu.

Typický pole postaveny chladicí věže má protahované plast zesílený vlákny (FRP) strukturu, z plastu vyztuženého vlákny bednění , mechanickou jednotku pro průvanu a drift eliminátor.

Metody přenosu tepla

Pokud jde o použitý mechanismus přenosu tepla , hlavní typy jsou:

• mokré chladicí věže nebo odpařovací chladicí věže fungují na principu odpařovacího chlazení . Pracovní chladicí kapalina (obvykle voda) je odpařená tekutina a je vystavena živlům.
• chladicí věže s uzavřeným okruhem (nazývané také chladiče kapalin a adiabatické chladicí věže ) procházejí pracovní chladicí kapalinou velkým výměníkem tepla , obvykle radiátorem , na který se stříká čistá voda a aplikuje se ventilátorem vyvolaný tah. Výsledný výkon přenosu tepla se blíží výkonu mokré chladicí věže s výhodou ochrany pracovní tekutiny před expozicí prostředí a kontaminací. Alternativně se voda stříká do vstupujícího vzduchu nebo se přivádí do „plnícího média“, aby se vzduch ochladil, než přejde do radiátorů.
• suché chladicí věže (nebo suché chladiče ) jsou chladicí věže s uzavřeným okruhem, které pracují přenosem tepla přes výměník tepla, který odděluje pracovní chladicí kapalinu od okolního vzduchu, například v radiátoru, s využitím konvekčního přenosu tepla. Nepoužívají odpařování.
• hybridní chladicí věže jsou chladicí věže s uzavřeným okruhem, které mohou přepínat mezi mokrým a suchým provozem. To pomáhá vyvážit úspory vody a energie v různých povětrnostních podmínkách.

V mokré chladicí věži (nebo chladicí věži s otevřeným okruhem) lze teplou vodu ochladit na teplotu nižší, než je teplota suchého teploměru okolního vzduchu, pokud je vzduch relativně suchý (viz rosný bod a psychrometrie ). Jak je okolní vzduch nasáván kolem proudu vody, malá část vody se odpařuje a energie potřebná k odpaření této části vody se odebírá ze zbývající hmotnosti vody, čímž se snižuje její teplota. Pro odpařenou vodu je absorbováno přibližně 420 kilojoulů na kilogram (970 BTU/lb) tepelné energie. Výsledkem odpařování jsou podmínky nasyceného vzduchu, čímž se teplota vody zpracovávané věží sníží na hodnotu blízkou teplotě mokrého teploměru , která je nižší než okolní teplota suchého teploměru , což je rozdíl určený počáteční vlhkostí okolního vzduchu.

K dosažení lepšího výkonu (více chlazení) se používá médium zvané výplň ke zvětšení povrchu a doby kontaktu mezi proudy vzduchu a vody. Splash výplň sestává z materiálu, umístěného na přerušení průtoku vody způsobuje stříkání. Výplň filmu je tvořena tenkými vrstvami materiálu (obvykle PVC ), po kterém teče voda. Obě metody vytvářejí zvětšenou povrchovou plochu a dobu kontaktu mezi tekutinou (vodou) a plynem (vzduchem), aby se zlepšil přenos tepla.

Metody generování proudění vzduchu

Přístupové schody na úpatí masivní hyperboloidní chladicí věže dávají tušit její měřítko (Velká Británie).

Pokud jde o nasávání vzduchu skrz věž, existují tři typy chladicích věží:

• Přirozený tah - Využívá vztlak přes vysoký komín. Teplý a vlhký vzduch přirozeně stoupá díky rozdílu hustoty ve srovnání se suchým a chladnějším venkovním vzduchem. Teplý vlhký vzduch je při stejném tlaku méně hustý než sušší. Tento vztlak vlhkého vzduchu vytváří vzhůru proud vzduchu skrz věž.
• Mechanický tah -Používá motoricky poháněné motory ventilátorů k vynucení nebo nasávání vzduchu skrz věž.
  • Indukovaný tah - Mechanická věž s ventilátorem na výtlaku (nahoře), která táhne vzduch skrz věž. Ventilátor indukuje horkého vlhkého vzduchu z výboje. To produkuje nízké vstupující a vysoké výstupní rychlosti vzduchu, což snižuje možnost recirkulace, při které vystupující vzduch proudí zpět do sání vzduchu. Toto uspořádání větrák/ploutev je také známé jako protahování .
  • Nucený tah - Mechanická tažná věž s ventilátorem na vstupu. Ventilátor tlačí vzduch do věže a vytváří vysoké vstupní a nízké výstupní rychlosti vzduchu. Nízká výstupní rychlost je mnohem náchylnější k recirkulaci. S ventilátorem na přívodu vzduchu je ventilátor náchylnější ke komplikacím způsobeným mrazivými podmínkami. Další nevýhodou je, že návrh nuceného tahu obvykle vyžaduje více motorových koní než ekvivalentní návrh indukovaného tahu. Výhodou návrhu nuceného tahu je jeho schopnost pracovat s vysokým statickým tlakem . Taková nastavení lze instalovat ve stísněnějších prostorách a dokonce i v některých vnitřních situacích. Tato geometrie ventilátoru/žeber je také známá jako profouknutí .
• Přirozený tah podporovaný ventilátorem - hybridní typ, který vypadá jako nastavení přirozeného tahu, ačkoli proudění vzduchu je podporováno ventilátorem.

Hyperboloidní (někdy nesprávně známé jako hyperbolické ) chladicí věže se staly konstrukčním standardem pro všechny chladicí věže s přirozeným tahem kvůli jejich strukturální pevnosti a minimálnímu využití materiálu. Hyperboloidní tvar také pomáhá při zrychlování proudění vzduchu směrem nahoru a zlepšuje účinnost chlazení. Tyto návrhy jsou populárně spojovány s jadernými elektrárnami . Tato asociace je však zavádějící, protože stejný typ chladicích věží se často používá i ve velkých uhelných elektrárnách. Naopak ne všechny jaderné elektrárny mají chladicí věže a některé místo toho chladí své výměníky tepla jezerní, říční nebo oceánskou vodou.

V hybridních chladicích věžích byla pozorována tepelná účinnost až 92%.

Kategorizace prouděním vzduch-voda

Křížový tok

Mechanická chladicí věž s příčným tokem používaná v aplikaci HVAC

Balíček chladicí věže s příčným tokem

Obvykle nižší počáteční a dlouhodobé náklady, většinou kvůli požadavkům na čerpadlo.

Crossflow je konstrukce, ve které je proud vzduchu směrován kolmo k proudu vody (viz diagram vlevo). Proud vzduchu vstupuje do jedné nebo více svislých ploch chladicí věže, aby se setkal s výplňovým materiálem. Voda proudí (kolmo na vzduch) gravitací výplní. Vzduch pokračuje skrz náplň a tím kolem proudu vody do otevřeného objemu přetlaku. A konečně, ventilátor vytlačuje vzduch ven do atmosféry.

Distribuce nebo horké vodní nádrž se skládá z hluboké pánvi s otvory nebo tryskami v jeho spodní části se nachází v blízkosti vrcholu příčným věže. Gravitace rozděluje vodu tryskami rovnoměrně napříč výplňovým materiálem. Cross Flow V/s Counter Flow

Výhody crossflow designu:

• Gravitační rozvod vody umožňuje menší čerpadla a údržbu při používání.
• Beztlakový sprej zjednodušuje variabilní průtok.

Nevýhody konstrukce s křížovým tokem:

• Více náchylné k zamrznutí než protiproudé provedení.
• Variabilní průtok je v některých podmínkách k ničemu.
• Více náchylné k usazování nečistot v náplni než protiproudé provedení, zejména v prašných nebo písčitých oblastech.

Protiproud

Sprchy uvnitř chladicí věže

Chladicí věž s protiproudým balíčkem s nuceným tahem

V protiproudém provedení je proud vzduchu přímo opačný k proudu vody (viz diagram vlevo). Proud vzduchu nejprve vstupuje do otevřené oblasti pod plnicím médiem a poté je nasáván svisle. Voda je rozstřikována tlakovými tryskami v blízkosti horní části věže a poté proudí dolů náplní, proti proudu vzduchu.

Výhody konstrukce protiproudu:

• Díky distribuci postřikové vody je věž odolnější vůči mrazu.
• Rozpad vody ve spreji zefektivňuje přenos tepla.

Nevýhody protiproudého provedení:

• Obvykle vyšší počáteční a dlouhodobé náklady, především kvůli požadavkům na čerpadlo.
• Obtížné použití proměnlivého průtoku vody, protože vlastnosti postřiku mohou být negativně ovlivněny.
• Typicky hlučnější, kvůli větší výšce pádu vody ze spodní části náplně do nádrže studené vody

Společné aspekty

Společné aspekty obou návrhů:

• Interakce proudu vzduchu a vody umožňují částečné vyrovnání teploty a odpaření vody.
• Vzduch, nyní nasycený vodní párou, je odváděn z horní části chladicí věže.
• Ke shromažďování a uchovávání chlazené vody po její interakci s proudem vzduchu se používá „sběrná nádrž“ nebo „nádrž na studenou vodu“.

Jak příčný, tak protiproudý design lze použít v chladicích věžích s přirozeným tahem a v mechanických tahech.

Materiálová bilance mokré chladicí věže

Kvantitativně je materiálová bilance kolem mokrého systému odpařovacích chladicích věží řízena provozními proměnnými objemového průtoku doplňovacího média , ztrátami odpařováním a větráním, rychlostí odběru a cykly koncentrace.

V sousedním diagramu je voda čerpaná z povodí věže chladicí vodou vedenou procesními chladiči a kondenzátory v průmyslovém zařízení. Studená voda absorbuje teplo z horkých procesních proudů, které je třeba chladit nebo kondenzovat, a absorbované teplo ohřívá cirkulující vodu (C). Teplá voda se vrací na vrchol chladicí věže a stéká dolů přes výplňový materiál uvnitř věže. Jak stéká dolů, kontaktuje okolní vzduch stoupající vzhůru věží buď přirozeným tahem, nebo nuceným tahem pomocí velkých ventilátorů ve věži. Tento kontakt způsobí, že se malé množství vody ztratí jako vítr nebo unášení (W) a část vody (E) se odpaří . Teplo potřebné k odpaření vody je získáváno ze samotné vody, která vodu ochlazuje zpět na původní teplotu v povodí a voda je poté připravena k recirkulaci. Odpařená voda zanechává své rozpuštěné soli za sebou ve velké části vody, která nebyla odpařena, čímž se zvyšuje koncentrace soli v cirkulující chladicí vodě. Aby se zabránilo příliš vysoké koncentraci soli ve vodě, část vody se odtáhne nebo odfoukne (D) k likvidaci. Doplnění sladké vody (M) je dodáváno do povodí věže, aby se kompenzovala ztráta odpařené vody, ztráty vody větrem a odběrové vody.

Ventilátorem indukovaný tah, protiproudá chladicí věž

Pomocí těchto průtokových rychlostí a koncentračních dimenzionálních jednotek:

Vodní bilance kolem celého systému je pak:

M = E + D + W

Vzhledem k tomu, že odpařená voda (E) neobsahuje žádné soli, rovnováha chloridů v systému je:

MX _M = DX _C + WX _C = X _C ( D + W )

${\ displaystyle MX_ {M} = DX_ {C}+WX_ {C} = X_ {C} (D+W)}$

a proto:

${\ Displaystyle {X_ {C} \ over X_ {M}} = {\ text {Cykly koncentrace}} = = {M \ over (D+W)} = {M \ over (ME)} = 1+ {E \ over (D+W)}}$

Ze zjednodušené tepelné bilance kolem chladicí věže:

${\ displaystyle E = {C \ Delta Tc_ {p} \ over H_ {V}}}$

kde:
H V	= latentní výparné teplo vody = 2260 kJ / kg
ΔT	= teplotní rozdíl vody od vrcholu věže ke dnu věže, ve ° C
c p	= měrné teplo vody = 4,184 kJ / (kg ° C) ${\ displaystyle \ cdot}$

Ztráty větrem (nebo driftem) (W) je množství celkového průtoku vody věží, které je unášeno proudem vzduchu do atmosféry. Z velkých průmyslových chladicích věží lze při absenci údajů výrobce předpokládat, že:

W = 0,3 až 1,0 procenta C pro chladicí věž s přirozeným tahem bez eliminátorů unášení větrem

W = 0,1 až 0,3 procenta C pro chladicí věž s indukovaným tahem bez eliminátorů unášení větrem

W = asi 0,005 procenta C (nebo méně), pokud má chladicí věž eliminátory unášení větrem

W = asi 0,0005 procent C (nebo méně), pokud má chladicí věž eliminátory unášení větrem a používá jako doplňovací vodu mořskou vodu.

Cykly koncentrace

Cyklus koncentrace představuje akumulaci rozpuštěných minerálů v recirkulační chladicí vodě. Vypouštění odběru (nebo odfukování) se používá hlavně k řízení hromadění těchto minerálů.

Chemie doplňovací vody, včetně množství rozpuštěných minerálů, se může velmi lišit. Doplňovací vody s nízkým obsahem rozpuštěných minerálů, jako jsou ty z povrchových vod (jezera, řeky atd.), Bývají agresivní vůči kovům (korozivní). Doplňovací vody ze zásob podzemní vody (například ze studní ) mají obvykle vyšší obsah minerálů a mají sklon k tvorbě vodního kamene (ukládání minerálů). Zvýšení množství minerálů přítomných ve vodě cyklováním může způsobit, že voda bude méně agresivní vůči potrubí; Nadměrné množství minerálů však může způsobit problémy se škálováním.

Vztah mezi cykly koncentrace a průtoky v chladicí věži

Jak se cykly koncentrace zvyšují, voda nemusí být schopna udržet minerály v roztoku . Když byla rozpustnost těchto minerálů překročena, mohou se vysrážit jako minerální pevné látky a způsobit problémy s ucpáváním a výměnou tepla v chladicí věži nebo tepelných výměnících . Teploty recirkulační vody, potrubí a povrchů pro výměnu tepla určují, zda a kde se budou z recirkulační vody vysrážet minerály. Profesionální poradce pro úpravu vody často vyhodnotí doplňovací vodu a provozní podmínky chladicí věže a doporučí vhodný rozsah pro cykly koncentrace. Přijatelné rozmezí cyklů koncentrace může ovlivnit použití chemikálií na úpravu vody, předběžná úprava, jako je změkčení vody , úprava pH a další techniky.

Koncentrační cykly ve většině chladicích věží se obvykle pohybují od 3 do 7. Ve Spojených státech mnoho vodních zdrojů využívá studniční vodu, která má významné množství rozpuštěných pevných látek. Na druhou stranu, jeden z největších zásob vody pro New York City má povrchový zdroj dešťové vody s poměrně nízkým obsahem minerálů; chladicí věže v tomto městě se proto často mohou soustředit na 7 nebo více cyklů soustředění.

Vzhledem k tomu, že vyšší cykly koncentrace představují méně doplňující vody, úsilí o zachování vody se může soustředit na zvyšování cyklů koncentrace. Vysoce upravená recyklovaná voda může být účinným prostředkem ke snížení spotřeby pitné vody v chladicí věži v oblastech, kde je pitná voda vzácná.

Údržba

Vyčistěte viditelné nečistoty a úlomky ze studené vodní nádrže a povrchů jakýmkoli viditelným biofilmem (tj. Slizem).

Dezinfekční a jiné chemické hladiny v chladicích věžích a vířivkách by měly být průběžně udržovány a pravidelně monitorovány.

Měly by být prováděny pravidelné kontroly kvality vody (konkrétně hladin aerobních bakterií) pomocí dipslidů, protože přítomnost jiných organismů může podporovat legionelu produkcí organických živin, které potřebuje k růstu.

Chladicí věž Chemikálie na úpravu vody

Kromě úpravy cirkulující chladicí vody ve velkých průmyslových systémech chladicích věží, aby se minimalizovalo usazování vodního kamene a zanášení , by měla být voda filtrována, aby se odstranily částice, a také by měla být dávkována biocidy a algaecidy, aby se zabránilo růstu, které by mohly narušovat kontinuální tok vody. Za určitých podmínek může biofilm mikroorganismů, jako jsou bakterie, houby a řasy, růst v chladicí vodě velmi rychle a může snížit účinnost přenosu tepla v chladicí věži. Biofilm lze omezit nebo mu zabránit použitím chloru nebo jiných chemikálií. Běžnou průmyslovou praxí je používat dva biocidy, jako jsou oxidační a neoxidační typy, k vzájemnému doplňování silných a slabých stránek a k zajištění širšího spektra napadení. Ve většině případů se používá kontinuální nízkoúrovňový oxidační biocid, poté se střídá s periodickou šokovou dávkou neoxidujících biocidů.

Inhibitory koroze

Jedním z hlavních problémů, s nimiž se chladicí věže potýkají, je koroze a degradace kovových částí v důsledku přirozeného rozpadu vytvářejícího rez a sloučeniny, které kov rozkládají. Časem koroze oslabí mechanické části vodárenské věže a způsobí poruchy, kontaminaci vody použité ve věži.

Algaecidy a biocidy

Algaecidy, jak by jejich název mohl napovídat, jsou určeny k hubení řas a dalších příbuzných rostlinných mikrobů ve vodě. Biocidy mohou redukovat ostatní živé hmoty, které zůstávají, zlepšovat systém a udržovat čistou a efektivní spotřebu vody v chladicí věži. Jednou z nejběžnějších možností, pokud jde o biocidy pro vaši vodu, je brom.

Inhibitory měřítka

Mezi problémy, které způsobují největší poškození a namáhání systémů vodárenské věže, patří škálování. Když se v určité oblasti hromadí nežádoucí materiál nebo kontaminující látka ve vodě, může vytvářet usazeniny, které časem rostou. To může způsobit problémy od zúžení potrubí až po úplné ucpání a selhání zařízení.

Spotřeba vody v chladicí věži pochází z unášení, odvzdušnění, ztráty odpařováním, voda, která je v důsledku ztráty okamžitě doplněna do chladicí věže, se nazývá doplňovací voda. Funkce doplňovací vody je zajistit, aby stroje a zařízení běžely bezpečně a stabilně.

Legionářská nemoc

Legionella pneumophila (zvětšení 5000 ×)

Mnoho mikroskopických organismů, jako jsou bakteriální kolonie, houby a řasy, může snadno prospívat v rámci středně vysokých teplot přítomných uvnitř chladicí věže.

Dalším velmi důležitým důvodem pro použití biocidů v chladicích věžích je prevence růstu legionel , včetně druhů, které způsobují legionelózu nebo legionářskou chorobu, zejména L. pneumophila nebo Mycobacterium avium . Různé druhy Legionella jsou příčinou legionářské choroby u lidí a přenos probíhá prostřednictvím expozice aerosolům - vdechování kapiček mlhy obsahující bakterie. Mezi běžné zdroje legionelly patří chladicí věže používané v otevřených recirkulačních systémech odpařovací chladicí vody, systémy teplé vody pro domácnost, fontány a podobné rozšiřovače, které se napojují na veřejný vodovod. Mezi přírodní zdroje patří sladkovodní rybníky a potoky.

Francouzští vědci zjistili, že bakterie Legionella cestovaly vzduchem až 6 kilometrů (3,7 mil) vzduchem z velké kontaminované chladicí věže v petrochemickém závodě v Pas-de-Calais ve Francii. Při tomto vypuknutí zemřelo 21 z 86 lidí, kteří měli laboratorně potvrzenou infekci.

Drift (nebo vítr) je termín pro vodní kapky procesního toku, které mohou unikat ve výboji chladicí věže. Eliminátory unášení se používají k udržení rychlostí driftu typicky na 0,001–0,005% cirkulujícího průtokového množství. Typický eliminátor unášení poskytuje více směrových změn proudění vzduchu, aby se zabránilo úniku kapiček vody. Dobře navržený a dobře namontovaný eliminátor unášení může výrazně snížit ztráty vody a potenciál expozice chemikáliím Legionella nebo vody. Také přibližně každých šest měsíců zkontrolujte podmínky eliminátorů driftu a ujistěte se, že nejsou žádné mezery umožňující volný tok nečistot.

Mezi USA Centra pro kontrolu a prevenci nemocí (CDC) nedoporučuje zdravotnická zařízení pravidelně testovat pro pneumophila Legionella bakterie. Plánované mikrobiologické monitorování Legionelly zůstává kontroverzní, protože jeho přítomnost nemusí nutně znamenat potenciální příčinu onemocnění. CDC doporučuje agresivní dezinfekční opatření pro čištění a údržbu zařízení, o nichž je známo, že přenášejí legionelu , ale nedoporučuje pravidelně naplánované mikrobiologické testy na bakterie. Plánované sledování pitné vody v nemocnici však může být zvažováno v určitých prostředích, kde jsou osoby vysoce náchylné k nemocem a úmrtnosti na infekci Legionella (např. Transplantační jednotky krvetvorných kmenových buněk nebo transplantační jednotky pevných orgánů). Po vypuknutí legionelózy se zdravotníci shodují na tom, že monitorování je nezbytné k identifikaci zdroje a vyhodnocení účinnosti biocidů nebo jiných preventivních opatření.

Studie prokázaly výskyt legionel u 40% až 60% chladicích věží.

Terminologie

Naplňte talíře ve spodní části chladicí věže elektrárny Iru (Estonsko). Věž je zavřená a odhaluje četné vodní stříkací hlavy.

• Windage or Drift - Kapky vody, které jsou odváděny z chladicí věže s odpadním vzduchem. Driftové kapičky mají stejnou koncentraci nečistot jako voda vstupující do věže. Rychlost driftu je typicky snížena použitím přepážkových zařízení, nazývaných eliminátory driftu, kterými musí vzduch procházet po opuštění zón plnění a rozprašování věže. Drift lze také snížit použitím teplejších vstupujících teplot chladicí věže.

• Blow-out -Kapičky vody vyfukované větrem z chladicí věže, obvykle do otvorů pro vstup vzduchu. Voda může být také ztracena, bez větru, stříkáním nebo mlžením. K omezení těchto ztrát se používají zařízení jako větrná clona, ​​žaluzie, deflektory proti stříkající vodě a odváděče vody.

• Plume - Proud nasyceného odpadního vzduchu opouštějící chladicí věž. Chochol je viditelný, když vodní pára, která obsahuje, kondenzuje při kontaktu s chladnějším okolním vzduchem, jako nasycený vzduch v dechu mlhy v chladném dni. Za určitých podmínek může oblak chladicí věže představovat pro své okolí nebezpečí zamlžování nebo námrazy. Všimněte si, že voda odpařená v procesu chlazení je „čistá“ voda, na rozdíl od velmi malého procenta unášených kapiček nebo vody vyfukované ze vstupů vzduchu.

• Odtah nebo odkalování- Část proudu cirkulující vody, která je odstraněna (obvykle vypouštěna do odtoku), aby se udrželo množství celkových rozpuštěných pevných látek (TDS) a dalších nečistot na přijatelně nízké úrovni. Vyšší koncentrace TDS v roztoku může být důsledkem vyšší účinnosti chladicí věže. Nicméně čím vyšší je koncentrace TDS, tím větší je riziko vzniku vodního kamene, biologického růstu a koroze. Množství odluhu je primárně určeno měřením elektrickou vodivostí cirkulující vody. Biologickému růstu, tvorbě vodního kamene a korozi lze zabránit chemikáliemi (respektive biocidem, kyselinou sírovou, inhibitorem koroze). Na druhou stranu jediným praktickým způsobem, jak snížit elektrickou vodivost, je zvýšení množství odkalovacího výboje a následně zvýšení množství čisté doplňovací vody.

• Nulové odvzdušnění chladicích věží , nazývané také nulové odluhování chladicích věží , je proces, který výrazně snižuje potřebu odvzdušňování vody zbytkovými pevnými látkami ze systému tím, že umožňuje vodě zadržovat v roztoku více pevných látek.

• Doplnění- voda, která musí být přidána do oběhového vodního systému, aby se kompenzovaly ztráty vody, jako je odpařování, ztráta unášením, vyfukování, odfukování atd.

• Hluk - Zvuková energie vyzařovaná chladicí věží a slyšitelná (zaznamenaná) v dané vzdálenosti a směru. Zvuk je generován nárazem padající vody, pohybem vzduchu ventilátory, lopatkami ventilátorů pohybujícími se ve struktuře, vibracemi konstrukce a motory, převodovkami nebo hnacími řemeny.

• Přístup -Přístup je rozdíl teplot mezi teplotou chlazené vody a teplotou vlhkého teploměru vstupujícího vzduchu (twb). Vzhledem k tomu, že chladicí věže jsou založeny na principech odpařovacího chlazení, maximální účinnost chladicí věže závisí na teplotě vlhkého teploměru vzduchu. Teplota mokrého teploměru je typ měření teploty, které odráží fyzikální vlastnosti systému se směsí plynu a páry, obvykle vzduchu a vodní páry

• Rozsah - Rozsah je teplotní rozdíl mezi vstupem teplé vody a výstupem studené vody.

• Výplň - Uvnitř věže jsou přidány výplně, které zvětšují kontaktní povrch a prodlužují dobu kontaktu mezi vzduchem a vodou a zajišťují lepší přenos tepla. Účinnost věže závisí na výběru a množství výplně. Lze použít dva typy výplní:
  • Výplň typu filmu (způsobuje šíření vody do tenkého filmu)
  • Stříkající voda (rozbíjí padající proud vody a přerušuje její vertikální postup)

• Full-Flow Filtration -Full-flow filtrace nepřetržitě filtruje částice z celého toku systému. Například ve 100tunovém systému by byl průtok zhruba 300 gal/min. Byl by vybrán filtr, který by vyhovoval celému průtoku 300 gal/min. V tomto případě je filtr obvykle instalován za chladicí věží na výtlačné straně čerpadla. I když je to ideální způsob filtrace, u systémů s vyšším průtokem to může být nákladné.

• Side-Stream Filtration-Filtrování postranního proudu, přestože je populární a efektivní, neposkytuje úplnou ochranu. Při boční filtraci se část vody kontinuálně filtruje. Tato metoda funguje na principu, že kontinuální odstraňování částic udrží systém čistý. Výrobci obvykle dodávají filtry postranního proudu na smyku, kompletní s pumpou a ovládacími prvky. U systémů s vysokým průtokem je tato metoda nákladově efektivní. Správné dimenzování systému filtrace postranního proudu je zásadní pro dosažení uspokojivého výkonu filtru, ale diskutuje se o tom, jak správně dimenzovat systém bočního proudu. Mnoho inženýrů upravuje systém tak, aby nepřetržitě filtroval vodu z povodí chladicí věže rychlostí odpovídající 10% celkového průtoku cirkulace. Pokud je například celkový průtok systémem 1 200 gal/min (400 tunový systém), je specifikován systém bočního proudu 120 gal/min.

• Cyklus koncentrace -maximální povolený multiplikátor pro množství různých látek v cirkulující vodě ve srovnání s množstvím těchto látek v doplňovací vodě.

• Ošetřené dřevo - strukturální materiál pro chladicí věže, který byl do značné míry opuštěn na počátku dvacátých let minulého století. I přes svou krátkou životnost se stále příležitostně používá kvůli nízkým počátečním nákladům. Životnost ošetřeného dřeva se velmi liší v závislosti na provozních podmínkách věže, jako je četnost odstávek, úprava cirkulující vody atd. Za správných pracovních podmínek je odhadovaná životnost ošetřených dřevěných konstrukčních prvků asi 10 let.

• Vyluhování - Ztráta chemikálií na ochranu dřeva mycím účinkem vody protékající chladicí věží dřevěné konstrukce.

• Pultruded FRP -Běžný konstrukční materiál pro menší chladicí věže, plast vyztužený vlákny (FRP) je známý svou vysokou odolností proti korozi. Pultruded FRP se vyrábí pomocí technologie pultruze a stal se nejběžnějším konstrukčním materiálem pro malé chladicí věže. Ve srovnání s železobetonem, který se stále používá pro velké stavby, nabízí nižší náklady a vyžaduje menší údržbu.

Výroba mlhy

Mlha vyráběná elektrárnou Eggborough

Za určitých okolních podmínek lze vidět oblaky vodní páry vystupující z výbojů z chladicí věže a lze je zaměňovat za kouř z ohně. Pokud je venkovní vzduch nasycený nebo téměř nasycený a věž do vzduchu přidává více vody, může být vypouštěn nasycený vzduch s kapičkami kapalné vody, což je vnímáno jako mlha. Tento jev se obvykle vyskytuje v chladných a vlhkých dnech, ale v mnoha klimatech je vzácný. Mlha a mraky spojené s chladícími věžemi lze popsat jako homogenní, stejně jako u jiných mraků umělého původu, jako jsou kondenzáty a lodní stopy .

Tomuto jevu lze zabránit snížením relativní vlhkosti nasyceného vzduchu. Za tímto účelem je v hybridních věžích nasycený vypouštěný vzduch smíchán s ohřátým vzduchem s nízkou relativní vlhkostí. Část vzduchu vstupuje do věže nad úrovní eliminátoru unášení a prochází výměníky tepla. Relativní vlhkost suchého vzduchu se okamžitě snižuje ještě více, protože se zahřívá při vstupu do věže. Vypouštěná směs má relativně nižší relativní vlhkost a mlha je neviditelná.

Znečištění emisemi soli

Když jsou mokré chladicí věže s doplňkem mořské vody instalovány v různých průmyslových odvětvích nacházejících se v pobřežních oblastech nebo v jejich blízkosti, unášení jemných kapiček emitovaných z chladicích věží obsahuje téměř 6% chloridu sodného, ​​který se usazuje na okolních pozemcích. Toto ukládání sodných solí na blízké zemědělské/vegetační půdy je může v závislosti na povaze půdy přeměnit na sodné solné nebo zásadité zásadité půdy a zvýšit sodnost podzemních a povrchových vod. Problém ukládání soli z takových chladicích věží se zhoršuje tam, kde nejsou uloženy nebo nejsou implementovány národní normy pro regulaci znečištění, aby se minimalizovaly emise driftu z mokrých chladicích věží pomocí make-upu z mořské vody.

V driftu z chladicích věží mohou být přítomny dýchatelné suspendované částice o velikosti menší než 10 mikrometrů (µm). Větší částice o velikosti větší než 10 µm jsou obecně odfiltrovány v nosu a krku řasinkami a hlenem, ale částice menší než 10 µm, označované jako PM ₁₀ , se mohou usadit v průduškách a plicích a způsobit zdravotní problémy. Podobně částice menší než 2,5 µm (PM _2,5 ) mají tendenci pronikat do oblastí výměny plynu v plicích a velmi malé částice (méně než 100 nanometrů) mohou procházet plícemi, aby postihly jiné orgány. Přestože jsou celkové emise částic z mokrých chladicích věží s doplňováním sladké vody mnohem nižší, obsahují více PM ₁₀ a PM _2,5 než celkové emise z mokrých chladicích věží s doplňováním mořské vody. Je to dáno menším obsahem soli v driftu sladké vody (pod 2 000 ppm) ve srovnání s obsahem soli v driftu mořské vody (60 000 ppm).

Používejte jako komín spalin

Stoh spalin uvnitř mokré chladicí věže s přirozeným tahem

Připojení spalinového komína do mokré chladicí věže s přirozeným tahem

Velké hyperboloidní chladicí věže z konstrukční oceli pro elektrárnu v Charkově (Ukrajina)

U některých moderních elektráren vybavených čištěním spalin , jako je elektrárna Großkrotzenburg a elektrárna Rostock , se chladicí věž používá také jako komín na spaliny (průmyslový komín), což šetří náklady na samostatnou konstrukci komína. V zařízeních bez čištění spalin mohou nastat problémy s korozí v důsledku reakcí surových spalin s vodou za vzniku kyselin .

Někdy jsou chladicí věže s přirozeným tahem konstruovány z konstrukční oceli namísto betonu (RCC), když doba výstavby chladicí věže s přirozeným tahem překračuje dobu výstavby zbytku závodu nebo místní půda má nízkou pevnost, aby snesla těžké hmotnost chladicích věží RCC nebo ceny cementu jsou v místě vyšší, aby se rozhodlo pro levnější chladicí věže s přirozeným tahem vyrobené z konstrukční oceli.

Provoz v mrazivém počasí

Některé chladicí věže (například menší klimatizační systémy budov) jsou sezónně odstaveny, vyčerpány a zazimovány, aby se zabránilo poškození mrazem.

V zimě další místa nepřetržitě provozují chladicí věže s vodou 4 ° C (39 ° F) opouštějící věž. V chladném podnebí se často používají ohřívače umyvadel, věžové okna a další metody ochrany proti zamrznutí. Provozní chladicí věže s poruchami mohou během velmi chladného počasí zamrznout. Mrazení obvykle začíná v rozích chladicí věže se sníženým nebo žádným tepelným zatížením. Silné mrazivé podmínky mohou vytvářet rostoucí objemy ledu, což má za následek zvýšené strukturální zatížení, které může způsobit strukturální poškození nebo kolaps.

Aby se zabránilo zamrznutí, používají se následující postupy:

• Během mrazivého počasí se nedoporučuje používat obtokové systémy s modulací vody. V takových situacích by flexibilita řízení motorů s proměnnými otáčkami, dvourychlostních motorů a/nebo dvoustupňových motorů měla být považována za požadavek.
• Neprovozujte věž bez dozoru. Ke sledování podmínek věže mohou být nainstalovány dálkové senzory a alarmy.
• Neprovozujte věž bez tepelného zatížení. K udržení vody v pánvi věže na teplotě nad bodem mrazu lze použít umyvadla. Tepelná stopa („topná páska“) je odporový topný článek, který je instalován podél vodovodního potrubí, aby se zabránilo zamrznutí v chladném podnebí.
• Udržujte projektovaný průtok vody přes výplň věže.
• Manipulujte nebo snižte proudění vzduchu, aby byla teplota vody nad bodem mrazu.

Nebezpečí ohně

Chladicí věže postavené zcela nebo částečně z hořlavých materiálů mohou podporovat šíření vnitřního ohně. Takové požáry mohou být velmi intenzivní díky vysokému poměru povrchového objemu věží a požáry mohou být dále zesíleny přirozenou konvekcí nebo ventilátorem podporovaným tahem. Výsledné poškození může být dostatečně závažné, aby vyžadovalo výměnu celé struktury buňky nebo věže. Z tohoto důvodu některé kódy a normy doporučují, aby byly hořlavé chladicí věže vybaveny automatickým protipožárním systémem . Požáry se mohou interně šířit uvnitř konstrukce věže, když buňka není v provozu (například kvůli údržbě nebo stavbě), a dokonce i když je věž v provozu, zejména ty s indukovaným tahem, kvůli existenci relativně suchých oblastí uvnitř věží.

Strukturální stabilita

Protože jde o velmi velké stavby, jsou chladicí věže náchylné k poškození větrem a v minulosti došlo k několika velkolepým poruchám. V elektrárně Ferrybridge dne 1. listopadu 1965 byla stanice místem závažné strukturální poruchy , kdy se tři chladicí věže zhroutily v důsledku vibrací ve větru o rychlosti 137 km/h. Přestože byly konstrukce postaveny tak, aby vydržely vyšší rychlosti větru, tvar chladicích věží způsoboval, že do samotných věží proudil západní vítr, který vytvořil vír . Tři z původních osmi chladicích věží byly zničeny a zbývajících pět bylo vážně poškozeno. Věže byly později přestavěny a všech osm chladicích věží bylo posíleno, aby snášely nepříznivé povětrnostní podmínky. Stavební kódy byly změněny tak, aby zahrnovaly vylepšenou strukturální podporu, a byly zavedeny testy v aerodynamickém tunelu za účelem kontroly struktur a konfigurace věží.

Viz také

Reference

externí odkazy

• Co je to chladicí věž? - Institut chladicí technologie
• „Chladicí věže“ - obsahuje schémata - Virtual Nuclear Tourist
• Navádění mokré chladicí věže na částice, Environment Canada.
• Nápadné obrázky opuštěných chladicích věží v Evropě od Reginalda Van de Velde, Lonely Planet, 15. února 2017 (viz také úryvek z rozhlasového rozhovoru , World Update , BBC, 21. listopadu 2016)
• CoolingTower.Quora.com