Cosa sono le torri di raffreddamento a tiro naturale?
Le torri di raffreddamento a tiro naturale (torri di raffreddamento a convezione naturale) sfruttano il principio del flusso convettivo per garantire la circolazione dell'aria. Queste torri sono generalmente molto alte per favorire un flusso d'aria adeguato, risultano costose da costruire e vengono impiegate solo in applicazioni che richiedono un elevato fabbisogno di raffreddamento costante per molti anni; un esempio tipico è una centrale termoelettrica.
Torri di Raffreddamento a Tiro Naturale
Come Funziona una Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale
Il video qui sotto è un estratto dal nostro Corso Video Online Introduzione alle Torri di Raffreddamento.
L'acqua di raffreddamento fredda viene pompata dal bacino della torre di raffreddamento alla centrale elettrica. Durante il processo, l'acqua di raffreddamento si riscalda e la sua temperatura aumenta. Successivamente, l'acqua calda viene riportata alla torre di raffreddamento per essere raffreddata.
Sistema Idrico della Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale
L'acqua calda in ingresso viene distribuita attraverso ugelli spray all'interno della torre. Gli ugelli spruzzano l'acqua calda uniformemente sul riempimento. L'acqua scende attraverso il riempimento mentre l'aria sale verso l'alto.
Componenti della Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale
Man mano che l'acqua scende attraverso il riempimento, una parte di essa evapora, raffreddando così l'acqua rimanente (raffreddamento evaporativo).
Sezione Trasversale della Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale
Quando l'aria attraversa il riempimento, la sua temperatura aumenta e sale verso la cima della torre di raffreddamento a causa dell'effetto camino (l'aria calda è meno densa dell'aria fredda e quindi sale). L'aria che esce dalla cima della torre attira più aria alla base, creando un flusso d'aria naturale dalla base alla cima della torre; questo è l'effetto camino ed è continuo fintanto che l'acqua di raffreddamento viene costantemente circolata.
Flusso di Aria e Acqua
Flusso Contro e Flusso Incrociato
Le torri di raffreddamento a tiro naturale possono essere di tipo flusso contro o flusso incrociato. Le torri a flusso incrociato hanno una base molto più ampia rispetto a quelle a flusso contro.
Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale a Flusso Contro
Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale a Flusso Incrociato
Vantaggi e Svantaggi
Vantaggi
- Bassi costi di manutenzione.
- Bassi costi operativi.
- Basse perdite di sistema (tipicamente meno dell'1% del flusso totale).
- Basso livello di rumore poiché non vengono utilizzati ventilatori.
- Grande capacità di raffreddamento.
Svantaggi
- Grande investimento iniziale di capitale.
- A volte difficile ottenere il permesso di costruzione a causa della grande struttura e dell'impatto estetico sull'area locale.
Invernamento
Le torri di raffreddamento a tiro naturale possono operare in ambienti sotto zero, il che può portare al congelamento dell'acqua del serbatoio. Esistono diversi metodi per prevenire questo fenomeno.
- Svuotare la torre dall'acqua di raffreddamento. Un modo semplice ed efficace per eliminare la possibilità di danni dovuti al congelamento dell'acqua, ma rende la centrale elettrica inoperabile.
- Far circolare l'acqua di raffreddamento per mantenere una temperatura sopra lo zero nel bacino della torre di raffreddamento. Questo metodo è utilizzato dalla maggior parte degli impianti poiché è economico e relativamente facile da implementare.
- Dosare l'acqua della torre di raffreddamento con antigelo. Questo impedirebbe il congelamento dell'acqua, ma non è una soluzione finanziariamente sostenibile a causa del grande volume d'acqua nel sistema.
- Riscaldare il bacino della torre di raffreddamento. Questa opzione non è solitamente economicamente sostenibile.
Perché le torri di raffreddamento a tiro naturale hanno una forma così strana?
Le torri di raffreddamento a tiro naturale hanno una forma molto unica per diversi motivi. Il primo motivo è che la forma riduce la quantità di materiale da costruzione necessario per costruire una torre così grande. Il secondo motivo è che la forma paraboloide della torre accelera il flusso d'aria attraverso la torre, aumentando la capacità di raffreddamento della torre. Le torri di raffreddamento a tiro naturale sono talvolta chiamate torri iperboliche anche se il termine corretto è iperboloide.
Cos'è l'effetto camino?
Quando l'aria viene riscaldata, diventa meno densa. Poiché l'aria calda è meno densa dell'aria fredda, salirà sopra l'aria fredda a causa della differenza di densità. Questo processo di separazione dell'aria calda e fredda basato sulle densità è noto come effetto camino o effetto camino.
Ad esempio, una mongolfiera vola nell'aria grazie all'aria calda contenuta all'interno del pallone. L'aria calda è meno densa dell'aria ambiente circostante, motivo per cui l'aria calda sale, sollevando il pallone con sé.
Mongolfiera
Componenti del Modello 3D
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a una tipica torre di raffreddamento iperboloide a tiro indotto, tra cui:
- Riempimento (Scambiatore di Calore)
- Ugelli Spray
- Tubazioni
- Bacino/Serbatoio
- Eliminatore di Deriva
- Ventilatore
- Struttura della Torre (Torre Iperboloide)
Questo è un modello 3D di una Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale.
Annotazioni del Modello 3D
Componenti della Torre di Raffreddamento a Tiro Naturale
Le torri di raffreddamento a tiro naturale (torri di raffreddamento a convezione naturale) utilizzano il principio del flusso convettivo per fornire la circolazione dell'aria. Sono alte per indurre un flusso d'aria adeguato. Sono anche costose da costruire e vengono utilizzate solo per applicazioni in cui è richiesto un grande fabbisogno di raffreddamento costante per molti anni; una centrale termoelettrica è un esempio di tale applicazione.
Bacino di Raccolta (serbatoio)
Il bacino di raccolta è un recipiente sotto la torre di raffreddamento per raccogliere l'acqua raffreddata dalla torre di raffreddamento; è solitamente costruito in cemento. L'acqua di raffreddamento 'fredda' viene pompata dal bacino della torre di raffreddamento al processo, ad esempio, una centrale elettrica.
Sistema di Distribuzione
La parte di una torre di raffreddamento che distribuisce l'acqua sull'area di riempimento consiste solitamente in ingressi flangiati, valvole di controllo del flusso, rami spray, orifizi di misurazione, ugelli spray e altri componenti correlati. Lo scopo del sistema di distribuzione è garantire che l'acqua sia distribuita uniformemente a tutti gli ugelli spray.
Vasca
La vasca (baia di aspirazione della pompa) è una parte depressa del bacino di raccolta da cui viene prelevata l'acqua 'fredda' per la pompa centrifuga(e), quindi scaricata nel processo, ad esempio, una centrale elettrica. La vasca solitamente contiene filtri, dispositivi anti-vortice e un collegamento di scarico o pulizia.
Riempimento
Il riempimento è essenzialmente uno scambiatore di calore che massimizza la superficie di contatto tra l'acqua di raffreddamento e l'aria. L'aria passa verso l'alto attraverso il riempimento mentre l'acqua scende verso il basso a causa della gravità. Man mano che l'aria passa sopra l'acqua, una parte dell'acqua evapora e l'acqua rimanente viene raffreddata (raffreddamento evaporativo). Le torri di raffreddamento utilizzano due principali design di riempimento, il design 'film fill' e il design 'splash fill'. Il film fill è più efficiente, ma più costoso e più soggetto a incrostazioni.
Eliminatori di Deriva
La 'deriva' è il nome dato alle molecole d'acqua che vengono perse dal sistema di raffreddamento dell'acqua a causa dell'evaporazione. Un grande pennacchio di umidità bianca può spesso essere visto salire dalle torri di raffreddamento a tiro naturale, questa è la 'deriva', e rappresenta una perdita finanziaria (l'acqua persa deve essere sostituita). Gli eliminatori di deriva riducono le perdite d'acqua e di conseguenza riducono i costi operativi.
Gli eliminatori di deriva consistono in lame parallele disposte sul lato di scarico dell'aria della torre per rimuovere le gocce d'acqua trascinate dal flusso d'aria in uscita. La forma dell'eliminatore di deriva richiede che le gocce d'acqua trascinate cambino direzione più volte (percorso di flusso tortuoso) prima di essere scaricate dalla torre. L'aria ha pochi problemi a cambiare direzione e passare attraverso l'eliminatore di deriva, ma le gocce d'acqua si impattano sull'eliminatore di deriva, si condensano, quindi gocciolano di nuovo sul riempimento e ritornano al bacino della torre di raffreddamento.
Torre Iperboloide
Ci sono due principali ragioni per cui le torri di raffreddamento a tiro naturale hanno una forma così unica. La prima ragione è che la forma riduce la quantità di materiale da costruzione necessario per costruire una torre così grande. La seconda ragione è che la forma iperboloide della torre accelera il flusso d'aria attraverso la torre, aumentando la capacità di raffreddamento della torre. L'aria 'fredda' entra alla base della torre, viene attirata verso l'alto attraverso il riempimento, viene riscaldata, quindi esce attraverso la cima della torre. È la differenza di temperatura dell'aria -e di conseguenza la densità dell'aria- che causa il flusso d'aria convettivo attraverso la torre (l'aria più calda è meno densa e sale verso l'alto attraverso la torre, il che porta l'aria ambiente più fredda ad essere attirata attraverso la base della torre). Il processo di aria calda (meno densa) che sale sopra l'aria più fredda (più densa), è chiamato 'effetto camino' o 'effetto camino'.
Ugelli Spray
Lo scopo degli ugelli spray è di distribuire l'acqua uniformemente attraverso il riempimento e quindi massimizzare la superficie di contatto tra l'acqua e l'aria. Una grande superficie di contatto è desiderata perché offre una capacità di trasferimento del calore molto maggiore. Tutti gli scambiatori di calore si basano su una grande superficie di contatto tra i mezzi in flusso, poiché questo assicura un elevato contatto termico tra di essi.
Uscita dell'Acqua di Raffreddamento
L'acqua di raffreddamento viene prelevata dal serbatoio e inviata al condensatore della turbina a vapore attraverso questo collegamento.
Ingresso dell'Acqua di Raffreddamento
L'acqua di raffreddamento restituita dal condensatore entra attraverso questo collegamento.
Aria Riscaldata
Man mano che l'aria passa attraverso il riempimento, la sua temperatura aumenta e sale attraverso la torre.
Ingresso dell'Aria
L'aria ambiente viene attirata nella torre attraverso la base della torre.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-draft-cooling-tower