Czym są wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem?
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem (wieże chłodnicze z naturalną konwekcją) wykorzystują zasadę przepływu konwekcyjnego do zapewnienia cyrkulacji powietrza. Wieże z naturalnym ciągiem są zazwyczaj bardzo wysokie, aby wywołać odpowiedni przepływ powietrza, są również kosztowne w budowie i stosowane tylko w aplikacjach, gdzie wymagana jest duża, stała potrzeba chłodzenia przez wiele lat; elektrownia cieplna jest jednym z takich zastosowań.
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem
Jak działa wieża chłodnicza z naturalnym ciągiem
Poniższy film jest fragmentem naszego kursu wideo online Wprowadzenie do wież chłodniczych.
Chłodna woda chłodząca jest pompowana z zbiornika wieży chłodniczej do elektrowni. Chłodna woda chłodząca jest podgrzewana w procesie, a jej temperatura wzrasta. Ciepła woda chłodząca jest następnie pompowana z powrotem do wieży chłodniczej, aby zostać schłodzoną.
System wodny wieży chłodniczej z naturalnym ciągiem
Wpływająca ciepła woda jest rozprowadzana przez dysze natryskowe wewnątrz wieży. Dysze natryskowe równomiernie rozpylają ciepłą wodę na całej wypełnieniu. Woda przepływa w dół przez wypełnienie, podczas gdy powietrze przepływa w górę.
Komponenty wieży chłodniczej z naturalnym ciągiem
Gdy woda przepływa w dół przez wypełnienie, część z niej odparowuje, co powoduje schłodzenie pozostałej wody (chłodzenie przez odparowanie).
Przekrój wieży chłodniczej z naturalnym ciągiem
Gdy powietrze przepływa przez wypełnienie, jego temperatura wzrasta i unosi się na szczyt wieży chłodniczej z powodu efektu kominowego (ciepłe powietrze jest mniej gęste niż chłodne powietrze i dlatego unosi się nad nim). Powietrze wychodzące z góry wieży przyciąga więcej powietrza u podstawy wieży, tworząc naturalny przepływ powietrza od podstawy do szczytu wieży; jest to efekt kominowy i jest on ciągły, pod warunkiem, że woda chłodząca jest stale cyrkulowana.
Przepływ powietrza i wody
Przepływ przeciwprądowy i krzyżowy
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem mogą być zaprojektowane w układzie przeciwprądowym lub krzyżowym. Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem w układzie krzyżowym mają znacznie szerszą podstawę niż wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem w układzie przeciwprądowym.
Wieża chłodnicza z naturalnym ciągiem w układzie przeciwprądowym
Wieża chłodnicza z naturalnym ciągiem w układzie krzyżowym
Zalety i wady
Zalety
- Niskie koszty utrzymania.
- Niskie koszty operacyjne.
- Niskie straty systemowe (zwykle mniej niż 1% całkowitego przepływu).
- Niski poziom hałasu, ponieważ nie są używane wentylatory.
- Duża pojemność chłodzenia.
Wady
- Duża początkowa inwestycja kapitałowa.
- Czasami trudności z uzyskaniem pozwolenia na budowę z powodu dużej struktury i wpływu estetycznego na lokalny obszar.
Zimowanie
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem mogą działać w środowiskach poniżej zera, co może prowadzić do zamarzania wody w zbiorniku. Istnieje kilka metod zapobiegania temu zjawisku.
- Opróżnienie wieży z wody chłodzącej. Prosty i skuteczny sposób na wyeliminowanie możliwości uszkodzeń spowodowanych zamarzaniem wody, ale powoduje, że elektrownia staje się nieoperacyjna.
- Cyrkulacja wody chłodzącej w celu utrzymania temperatury powyżej zera w zbiorniku wieży chłodniczej. Ta metoda jest stosowana przez większość zakładów, ponieważ jest ekonomiczna i stosunkowo łatwa do wdrożenia.
- Dodanie środka przeciw zamarzaniu do wody w wieży chłodniczej. Zapobiegłoby to zamarzaniu wody, ale nie jest to rozwiązanie opłacalne finansowo ze względu na dużą objętość wody w systemie.
- Podgrzewanie zbiornika wieży chłodniczej. Ta opcja zazwyczaj nie jest ekonomicznie opłacalna.
Dlaczego wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem mają taki dziwny kształt?
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem mają bardzo unikalny kształt z kilku powodów. Pierwszym powodem jest to, że kształt zmniejsza ilość materiału budowlanego potrzebnego do budowy tak dużej wieży. Drugim powodem jest to, że kształt paraboloidy wieży przyspiesza przepływ powietrza przez wieżę, co zwiększa jej zdolność chłodzenia. Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem są czasami nazywane wieżami hiperbolicznymi, chociaż poprawnym terminem jest wieża hiperboloidalna.
Co to jest efekt kominowy?
Kiedy powietrze jest podgrzewane, staje się mniej gęste. Ponieważ ciepłe powietrze jest mniej gęste niż zimne powietrze, unosi się nad zimnym powietrzem z powodu różnicy gęstości. Ten proces separacji ciepłego i zimnego powietrza na podstawie gęstości jest znany jako efekt kominowy lub efekt komina.
Na przykład balon na gorące powietrze unosi się w powietrzu dzięki gorącemu powietrzu zawartemu w balonie. Gorące powietrze jest mniej gęste niż otaczające powietrze atmosferyczne, dlatego gorące powietrze unosi się, ciągnąc balon za sobą.
Balon na gorące powietrze
Komponenty modelu 3D
Ten model 3D pokazuje wszystkie główne komponenty związane z typową wieżą chłodniczą z wymuszonym ciągiem hiperboloidalnym, w tym:
- Wypełnienie (Wymiennik ciepła)
- Dysze natryskowe
- Rurociągi
- Zbiornik/Rezerwuar
- Eliminator dryfu
- Wentylator
- Struktura wieży (Wieża hiperboloidalna)
To jest model 3D Wieży chłodniczej z naturalnym ciągiem.
Adnotacje modelu 3D
Komponenty wieży chłodniczej z naturalnym ciągiem
Wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem (wieże chłodnicze z naturalną konwekcją) wykorzystują zasadę przepływu konwekcyjnego do zapewnienia cyrkulacji powietrza. Są wysokie, aby wywołać odpowiedni przepływ powietrza. Są również kosztowne w budowie i stosowane tylko w aplikacjach, gdzie wymagana jest duża, stała potrzeba chłodzenia przez wiele lat; elektrownia cieplna jest jednym z takich zastosowań.
Zbiornik zbiorczy (rezerwuar)
Zbiornik zbiorczy to pojemnik pod wieżą chłodniczą do zbierania wody schłodzonej przez wieżę chłodniczą; zazwyczaj jest wykonany z betonu. 'Zimna' woda chłodząca jest pompowana z zbiornika wieży chłodniczej do procesu, np. elektrowni.
System dystrybucji
Część wieży chłodniczej, która rozprowadza wodę nad obszarem wypełnienia, zazwyczaj składa się z kołnierzowych wlotów, zaworów regulacji przepływu, gałęzi natryskowych, otworów dozujących, dysz natryskowych i innych powiązanych komponentów. Celem systemu dystrybucji jest zapewnienie równomiernego rozprowadzenia wody do wszystkich dysz natryskowych.
Sump
Sump (zatoka ssania pompy) to obniżona część zbiornika zbiorczego, z której 'zimna' woda jest pobierana do pompy odśrodkowej(-ych), a następnie dostarczana do procesu, np. elektrowni. Sump zazwyczaj zawiera sita, urządzenia przeciwzawirowaniowe i połączenie do opróżniania lub czyszczenia.
Wypełnienie
Wypełnienie to w zasadzie wymiennik ciepła, który maksymalizuje powierzchnię kontaktu między wodą chłodzącą a powietrzem. Powietrze przepływa w górę przez wypełnienie, podczas gdy woda spada w dół z powodu grawitacji. Gdy powietrze przepływa nad wodą, część wody odparowuje, a pozostała woda jest schładzana (chłodzenie przez odparowanie). Wieże chłodnicze wykorzystują dwa główne projekty wypełnienia: 'wypełnienie filmowe' i 'wypełnienie rozpryskowe'. Wypełnienie filmowe jest bardziej wydajne, ale droższe i bardziej podatne na zanieczyszczenia.
Eliminatory dryfu
'Dryf' to nazwa nadana cząsteczkom wody, które są tracone z systemu wody chłodzącej z powodu odparowania. Duża chmura białej wilgoci często unosi się z wież chłodniczych z naturalnym ciągiem, to jest 'dryf', i reprezentuje stratę finansową (utracona woda musi być uzupełniona). Eliminatory dryfu zmniejszają straty wody i w konsekwencji zmniejszają koszty operacyjne.
Eliminatory dryfu składają się z równoległych łopatek umieszczonych po stronie wylotu powietrza z wieży, aby usunąć unoszące się krople wody z wychodzącego strumienia powietrza. Kształt eliminatora dryfu wymaga, aby unoszące się krople wody zmieniały kierunek kilka razy (torturowa ścieżka przepływu) przed opuszczeniem wieży. Powietrze nie ma problemu ze zmianą kierunku i przechodzeniem przez eliminator dryfu, ale krople wody uderzają w eliminator dryfu, kondensują się, a następnie spadają z powrotem na wypełnienie i wracają do zbiornika wieży chłodniczej.
Wieża hiperboloidalna
Istnieją dwa główne powody, dla których wieże chłodnicze z naturalnym ciągiem mają tak unikalny kształt. Pierwszym powodem jest to, że kształt zmniejsza ilość materiału budowlanego potrzebnego do budowy tak dużej wieży. Drugim powodem jest to, że kształt hiperboloidalny wieży przyspiesza przepływ powietrza przez wieżę, co zwiększa jej zdolność chłodzenia. 'Zimne' powietrze wchodzi u podstawy wieży, jest wciągane w górę przez wypełnienie, jest podgrzewane, a następnie wychodzi przez szczyt wieży. To różnica temperatur powietrza - a w konsekwencji gęstości powietrza - powoduje konwekcyjny przepływ powietrza przez wieżę (cieplejsze powietrze jest mniej gęste i unosi się w górę przez wieżę, co prowadzi do wciągania zimniejszego powietrza przez podstawę wieży). Proces unoszenia się ciepłego powietrza (mniej gęstego) nad zimniejszym powietrzem (bardziej gęstym) nazywany jest 'efektem kominowym' lub 'efektem komina'.
Dysze natryskowe
Celem dysz natryskowych jest równomierne rozprowadzenie wody na wypełnieniu, aby zmaksymalizować powierzchnię kontaktu między wodą a powietrzem. Duża powierzchnia kontaktu jest pożądana, ponieważ zapewnia znacznie większą zdolność wymiany ciepła. Wszystkie wymienniki ciepła polegają na dużej powierzchni kontaktu między przepływającymi mediami, ponieważ zapewnia to wysoką przewodność cieplną między nimi.
Wylot wody chłodzącej
Woda chłodząca jest pobierana z rezerwuaru i kierowana do kondensatorów turbiny parowej przez to połączenie.
Wlot wody chłodzącej
Woda chłodząca powracająca z kondensatorów wchodzi przez to połączenie.
Podgrzane powietrze
Gdy powietrze przepływa przez wypełnienie, jego temperatura wzrasta i unosi się w górę przez wieżę.
Wlot powietrza
Powietrze atmosferyczne jest wciągane do wieży przez podstawę wieży.
Dodatkowe zasoby
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