Comprendere le nozioni di base sul trasferimento di calore delle torri di raffreddamento

Le preoccupazioni ambientali per quanto riguarda la protezione delle creature acquatiche sia all'ingresso che all'uscita dei sistemi a passaggio unico hanno sostanzialmente eliminato il raffreddamento a passaggio unico per gli impianti moderni. Ma questo sviluppo arriva in un momento in cui molte delle nuove centrali elettriche a ciclo combinato, e altre strutture, sono gestite da persone nuove nel settore. La comprensione fondamentale è fondamentale.

Il raffreddamento a passaggio unico era una caratteristica di progettazione comune per le grandi centrali elettriche nel secolo scorso, poiché il processo poteva fornire efficacemente gli elevati volumi di acqua necessari per la condensazione del vapore di scarico delle turbine e il raffreddamento dello scambiatore di calore ausiliario. Tuttavia, le preoccupazioni ambientali per quanto riguarda la protezione delle creature acquatiche sia all'ingresso che allo scarico dei sistemi a passaggio unico hanno sostanzialmente eliminato il raffreddamento a passaggio unico per gli impianti moderni.

Ora, le torri di raffreddamento, o alcune varianti delle stesse, come i raffreddatori ad aria a superficie umida (WSAC®) o anche i condensatori raffreddati ad aria, sono la norma. Ma questo sviluppo arriva in un momento in cui molte delle nuove centrali elettriche a ciclo combinato, e altre strutture, sono gestite da persone nuove nel settore. La comprensione di base è fondamentale per il corretto funzionamento dell'acqua di raffreddamento e di altri sistemi.

Nozioni di base sulle torri di raffreddamento

Ai fini di questa discussione, ci concentreremo sulle torri di raffreddamento industriali più comuni, come illustrato di seguito.

Figura 1. Schema di una cella di una torre di raffreddamento a tiraggio indotto e controcorrente. Fonte: Post, R. e B. Buecker, "Power Plant Cooling Water Fundamentals"; seminario pre-conferenza al 37° workshop annuale sulla chimica dei servizi elettrici, 6-8 giugno 2017, Champaign, Illinois. Per conoscere le future EUCW, visitare il sito web www.conferences.illinois.edu/eucw

Come illustrato nella figura, l'effluente caldo proveniente dagli scambiatori di calore dell'impianto entra nella torre e viene spruzzato sul riempimento della torre di raffreddamento. L'aria entra nella parte inferiore della torre e entra in contatto con l'acqua in controcorrente per massimizzare il trasferimento di calore. L'acqua raffreddata si raccoglie in una coppa per essere restituita agli scambiatori di calore, mentre l'aria calda viene scaricata nell'atmosfera.

Un componente chiave nelle torri di raffreddamento è il materiale di riempimento, che aiuta ulteriormente a massimizzare il contatto aria/acqua. Di seguito sono mostrati due tipi, il moderno riempimento a spruzzo e il riempimento con pellicola con la massima efficienza.

Figura 2. Moderno riempimento a spruzzo in plastica. Foto per gentile concessione di Brentwood Industries e Rich Aull di Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Figura 3. Riempimento della pellicola a scanalatura incrociata ad alta efficienza. Foto per gentile concessione di Brentwood Industries e Rich Aull di Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Sono disponibili numerose scelte intermedie, in cui la selezione dipende dalla qualità prevista dell'acqua di raffreddamento e dal potenziale di incrostazione nei mezzi, di cui l'autore parlerà in un futuro articolo per Power Engineering.

La sezione successiva esamina i fondamenti del trasferimento di calore in una torre di raffreddamento.

Alcuni calcoli di base del trasferimento di calore

La Figura 4 illustra le condizioni reali che potrebbero essere osservate in una torre di raffreddamento in funzione in una mite giornata primaverile.

Figura 4. Esempio di una serie di condizioni reali per una torre di raffreddamento. Fonte: Potter, MC e CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers; McGraw-Hill, New York, NY, 1993.

Si noti che l'umidità relativa (UR) dell'aria in ingresso è del 50%, mentre l'umidità relativa dello scarico della torre è quasi del 100%. Questi dati aiutano a illustrare che il metodo principale di trasferimento del calore in una torre di raffreddamento avviene tramite l'evaporazione di quella che tipicamente è una piccola frazione (dal 2 al 3%) dell'acqua ricircolante. Sebbene la matematica della progettazione del flusso di una torre di raffreddamento possa essere alquanto complessa, sono state sviluppate diverse semplici equazioni per approssimare in modo semplice i flussi di evaporazione, scarico e reintegro in una torre di raffreddamento.

La formula standard per l'evaporazione è:

E = (f * R * DDT)/1000, dove l'Eq. 1