Wat zijn natuurlijke trek koeltorens?
Natuurlijke trek koeltorens (natuurlijke convectie koeltorens) maken gebruik van het principe van convectieve stroming om luchtcirculatie te bevorderen. Natuurlijke trek torens zijn doorgaans zeer hoog om voldoende luchtstroom te genereren. Ze zijn ook kostbaar om te bouwen en worden alleen ingezet voor toepassingen waar een grote, constante koelbehoefte over vele jaren vereist is; een thermische energiecentrale is zo'n toepassing.
Natuurlijke Trek Koeltorens
Hoe werkt een Natuurlijke Trek Koeltoren
De onderstaande video is een fragment uit onze Introductie tot Koeltorens Online Videocursus.
Koel koelwater wordt vanuit het koeltorenbekken naar de energiecentrale gepompt. Het koele koelwater wordt verwarmd door het proces en de temperatuur stijgt. Het warme koelwater wordt nu terug naar de koeltoren gepompt om te worden gekoeld.
Natuurlijke Trek Koeltoren Watersysteem
Het inkomende warme water wordt via spuitmonden in de toren verdeeld. De spuitmonden sproeien het warme water gelijkmatig over de gehele vulling. Water stroomt naar beneden door de vulling terwijl lucht naar boven stroomt.
Natuurlijke Trek Koeltoren Componenten
Terwijl het water naar beneden stroomt door de vulling, verdampt een deel ervan, waardoor het resterende water wordt gekoeld (verdamingskoeling).
Natuurlijke Trek Koeltoren Doorsnede
Wanneer lucht door de vulling stroomt, stijgt de temperatuur en stijgt het naar de top van de koeltoren door het schorsteeneffect (hete lucht is minder dicht dan koele lucht en stijgt er dus bovenuit). De lucht die de top van de toren verlaat, trekt meer lucht aan bij de basis van de toren, waardoor een natuurlijke luchtstroom van de basis naar de top van de toren ontstaat; dit is het schorsteeneffect en het is continu zolang koelwater constant wordt gecirculeerd.
Lucht- en Waterstroom
Tegenstroom en Kruisstroom
Natuurlijke trek koeltorens kunnen van het tegenstroom of kruisstroom ontwerp zijn. Kruisstroom natuurlijke trek koeltorens hebben een veel bredere basis dan tegenstroom natuurlijke trek koeltorens.
Tegenstroom Natuurlijke Trek Koeltoren
Kruisstroom Natuurlijke Trek Koeltoren
Voordelen en Nadelen
Voordelen
- Lage onderhoudskosten.
- Lage operationele kosten.
- Lage systeemverliezen (meestal minder dan 1% van de totale stroom).
- Laag geluidsniveau omdat er geen ventilatoren worden gebruikt.
- Grote koelcapaciteit.
Nadelen
- Grote initiële kapitaalinvestering.
- Soms moeilijk om bouwvergunning te krijgen vanwege de grote structuur en esthetische invloed op de lokale omgeving.
Winterklaar maken
Natuurlijke trek koeltorens kunnen werken in omgevingen onder het vriespunt, wat kan leiden tot bevriezing van het reservoirwater. Er zijn verschillende methoden om dit te voorkomen.
- Leeg de toren van koelwater. Een eenvoudige en effectieve manier om de mogelijkheid van schade door bevriezing van het water te verwijderen, maar het maakt de energiecentrale onbruikbaar.
- Circuleer het koelwater om een temperatuur boven het vriespunt in het koeltorenbekken te handhaven. Deze methode wordt door de meeste installaties gebruikt omdat het economisch en relatief eenvoudig te implementeren is.
- Voeg antivries toe aan het koeltorenwater. Dit zou voorkomen dat het water bevriest, maar het is geen financieel haalbare oplossing vanwege het grote volume water in het systeem.
- Verwarm het koeltorenbekken. Deze optie is meestal economisch niet haalbaar.
Waarom hebben natuurlijke trek koeltorens zo'n vreemde vorm?
Natuurlijke trek koeltorens hebben een zeer unieke vorm om verschillende redenen. De eerste reden is dat de vorm de hoeveelheid bouwmateriaal vermindert die nodig is bij het bouwen van zo'n grote toren. De tweede reden is dat de paraboloïde vorm van de toren de luchtstroom door de toren versnelt, wat de koelcapaciteit van de toren vergroot. Natuurlijke trek koeltorens worden soms hyperbolische torens genoemd, hoewel de juiste term hyperboloïde is.
Wat is het schorsteeneffect?
Wanneer lucht wordt verwarmd, wordt het minder dicht. Omdat warme lucht minder dicht is dan koude lucht, zal het stijgen boven koude lucht vanwege het dichtheidsverschil. Dit proces van warme en koude lucht die zich scheiden op basis van dichtheden staat bekend als het schorsteeneffect of schouweffect.
Een voorbeeld hiervan is een heteluchtballon die in de lucht vliegt dankzij de hete lucht die zich binnen de ballon bevindt. De hete lucht is minder dicht dan de omringende omgevingslucht, waardoor de hete lucht stijgt en de ballon met zich meeneemt.
Heteluchtballon
3D Model Componenten
Dit 3D-model toont alle belangrijke componenten die geassocieerd worden met een typische geïnduceerde trek hyperboloïde koeltoren, waaronder:
- Vulling (Warmtewisselaar)
- Spuitmonden
- Leidingen
- Bekken/Reservoir
- Drifteliminator
- Ventilator
- Torenstructuur (Hyperboloïde Toren)
Dit is een 3D-model van een Natuurlijke Trek Koeltoren.
3D Model Annotaties
Natuurlijke Trek Koeltoren Componenten
Natuurlijke trek koeltorens (natuurlijke convectie koeltorens) maken gebruik van het principe van convectieve stroming om luchtcirculatie te bevorderen. Ze zijn hoog om voldoende luchtstroom te genereren. Ze zijn ook kostbaar om te bouwen en worden alleen ingezet voor toepassingen waar een grote, constante koelbehoefte over vele jaren vereist is; een thermische energiecentrale is zo'n toepassing.
Verzamelbekken (reservoir)
Het verzamelbekken is een opvangbak onder de koeltoren voor het verzamelen van het water dat door de koeltoren is gekoeld; het is meestal gemaakt van beton. 'Koud' koelwater wordt vanuit het koeltorenbekken naar het proces gepompt, bijvoorbeeld een energiecentrale.
Distributiesysteem
Het deel van een koeltoren dat water over het vullingsgebied verdeelt, bestaat meestal uit flensinlaten, stroomregelkleppen, sproeitakken, meetopeningen, spuitmonden en andere gerelateerde componenten. Het doel van het distributiesysteem is om ervoor te zorgen dat water gelijkmatig naar alle spuitmonden wordt verdeeld.
Put
De put (pompzuigput) is een verlaagd deel van het verzamelbekken waaruit 'koud' water wordt getrokken naar de centrifugaalpomp(en), en vervolgens naar het proces wordt afgevoerd, bijvoorbeeld een energiecentrale. De put bevat meestal filters, antivortexapparaten en een afvoer- of reinigingsaansluiting.
Vulling
De vulling is in wezen een warmtewisselaar die het contactoppervlak maximaliseert tussen het koelwater en de lucht. Lucht stroomt omhoog over de vulling terwijl water naar beneden valt door de zwaartekracht. Terwijl lucht over het water stroomt, verdampt een deel van het water en wordt het resterende water gekoeld (verdamingskoeling). Koeltorens gebruiken twee hoofdontwerpen voor vulling, het 'filmvulling'- en 'splashvulling'-ontwerp. Filmvulling is efficiënter, maar duurder en gevoeliger voor vervuiling.
Drifteliminatoren
'Drift' is de naam die wordt gegeven aan watermoleculen die verloren gaan uit het koelwatersysteem door verdamping. Een grote pluim van witte vochtigheid kan vaak worden gezien die opstijgt uit natuurlijke trek koeltorens, dit is 'drift', en het vertegenwoordigt een financieel verlies (verloren water moet worden vervangen). Drifteliminatoren verminderen waterverliezen en verlagen daardoor de operationele kosten.
Drifteliminatoren bestaan uit parallelle bladen die aan de luchtuitlaatkant van de toren zijn geplaatst om meegevoerde waterdruppels uit de uitgaande luchtstroom te verwijderen. De vorm van de drifteliminator vereist dat de meegevoerde waterdruppels meerdere keren van richting veranderen (kronkelige stromingspad) voordat ze uit de toren worden afgevoerd. Lucht heeft weinig moeite om van richting te veranderen en door de drifteliminator te gaan, maar waterdruppels botsen op de drifteliminator, condenseren en druppelen dan terug naar beneden op de vulling en keren terug naar het koeltorenbekken.
Hyperboloïde Toren
Er zijn twee hoofdredenen waarom natuurlijke trek koeltorens zo'n unieke vorm hebben. De eerste reden is dat de vorm de hoeveelheid bouwmateriaal vermindert die nodig is bij het bouwen van zo'n grote toren. De tweede reden is dat de hyperboloïde vorm van de toren de luchtstroom door de toren versnelt, wat de koelcapaciteit van de toren vergroot. 'Koude' lucht komt binnen aan de basis van de toren, wordt omhoog getrokken over de vulling, wordt verwarmd en verlaat dan de top van de toren. Het is het verschil in luchttemperatuur - en daardoor luchtdichtheid - dat convectieve luchtstroom door de toren veroorzaakt (hetere lucht is minder dicht en stijgt omhoog door de toren, wat leidt tot het aantrekken van omgevingskoude lucht door de basis van de toren). Het proces waarbij hete lucht (minder dicht) boven koude lucht (dichter) stijgt, wordt het 'schorsteeneffect' of 'schouweffect' genoemd.
Spuitmonden
Het doel van de spuitmonden is om water gelijkmatig over de vulling te verspreiden en zo het contactoppervlak tussen het water en de lucht te maximaliseren. Een groot contactoppervlak is gewenst omdat het een veel grotere warmteoverdrachtscapaciteit oplevert. Alle warmtewisselaars zijn afhankelijk van een groot contactoppervlak tussen de stromende media, omdat dit zorgt voor een hoog thermisch contact tussen hen.
Koelwateruitlaat
Koelwater wordt uit het reservoir gehaald en via deze aansluiting naar de stoomturbinecondensor(en) gestuurd.
Koelwaterinlaat
Koelwater dat terugkeert van de condensor(en) komt via deze aansluiting binnen.
Verwarmde Lucht
Terwijl lucht door de vulling stroomt, stijgt de temperatuur en stijgt het omhoog door de toren.
Luchtinlaat
Omgevingslucht wordt door de basis van de toren naar binnen gezogen.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Aanvullende Bronnen
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