Pređi na sadržaj

Toranj za hlađenje

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Hiperboloidna rashladna kula
Tipični rashladni toranj sa otvorenim krugom sa prisilnim isparavanjem koji odbacuje toplotu iz vodenog kruga kondenzatora industrijske rashladne jedinice.
Vlažno rashladni tornjevi sa prisilnim propuhom (visina: 34 metra) i vlažni hladnjaci sa prirodnim propuhom (visina: 122 metra) u Vestfaliji, Nemačka.
„Kamuflirani” vlažni rashladni toranj sa prirodnim propuhom u Drezdenu (Nemačka)

Toranj za hlađenje ili rashladna kula je isparni hladnjak koji se koristi za hlađenje vode ili drugog radnog medija na temperaturu okolnog vazduha. Ove kule koriste isparavanje vode kako bi smanjile temperaturu sistema. Obično se koriste u rafinerijama, hemijskim elektranama, nuklearnim elektranama itd. Kule mogu biti različitih veličina i oblika, od malih dimnjaka na kućama pa sve do hiperboloidnih kula, koje mogu da budu visoke i do 200 m, sa prečnikom i do 100 m, ili pak pravougaonog oblika, koje mogu biti visine do 40 m i dužine do 80 m.

Kada elektrana ne bi imala toranj za hlađenje, morala bi da raspolaže sa oko 100.000 kubnih metara vode na sat, i ta količina vode bi morala da se kontinualno vraća u okean, jezero ili reku, odakle se voda uzima. Ovakav princip rada, bez rashladne kule, može vremenom dovesti do povećanja temperature reke ili jezera, što bi dovelo do velikog poremećaja lokalnog ekosistema i životne sredine. Rashladna kula omogućava disipaciju određene količine toplote u atmosferu, gde se pomoću vetra i vazduha širi u mnogo većoj zapremini nego što topla voda može da raspodeli u unutrašnjosti same vodene mase iz koje je prvobitno uzeta.

Rashladni tornjevi variraju po veličini od malih jedinica na krovu do veoma velikih hiperboloidnih struktura koje mogu biti visoki do 200 m (660 ft) i prečnika 100 m (330 ft), ili pravougaonih struktura koje mogu biti preko 40 m (130 ft) visoke i dugačak 80 m (260 ft). Hiperboloidni rashladni tornjevi se često povezuju sa nuklearnim elektranama,[1] iako se takođe koriste u mnogim elektranama na ugalj i donekle u nekim velikim hemijskim i drugim industrijskim postrojenjima. Parna turbina je ono što zahteva rashladni toranj. Iako su ovi veliki tornjevi veoma prominentni, velika većina rashladnih tornjeva je mnogo manja, uključujući mnoge jedinice instalirane na zgradama ili blizu njih za ispuštanje toplote iz klima uređaja. Takođe se često smatra da rashladni tornjevi emituju dim ili štetna isparenja, dok u stvarnosti emisije iz tih tornjeva uglavnom ne doprinose ugljeničnom otisku, već se sastoje isključivo od vodene pare.[2][3]

Istorija

[uredi | uredi izvor]
Gravira iz 1902. godine na „Barnardovom samohladnom tornju bez ventilatora“, ranom velikom isparavajućem rashladnom tornju koji se radije oslanjao na prirodnu promaju i otvorene stranice, a ne na ventilator; voda koja se hladila prskana je odozgo na radijalni uzorak vertikalnih mrežica od žičane mreže.

Rashladni tornjevi su nastali u 19. veku razvojem kondenzatora za upotrebu sa parnom mašinom.[4] Kondenzatori koriste relativno hladnu vodu, na razne načine, za kondenzaciju pare koja izlazi iz cilindara ili turbina. Ovo smanjuje povratni pritisak, što zauzvrat smanjuje potrošnju pare, a time i potrošnju goriva, dok istovremeno povećava snagu i reciklira kotlovsku vodu.[5] Međutim, kondenzatorima je potreban dovoljan dovod rashladne vode, bez koga su nepraktični.[6][7] Iako upotreba vode nije problem kod brodskih motora, ona predstavlja značajno ograničenje za mnoge kopnene sisteme.

Do početka 20. veka, nekoliko isparivačkih metoda recikliranja rashladne vode bilo je u upotrebi u područjima kojima nedostaje adekvatno snabdevanje vodom, kao i na urbanim lokacijama gde opštinski vodovodi često nisu dovoljno snabdeveni; pouzdano u vreme potražnje; ili na drugi način dovoljno za zadovoljavanje potreba za hlađenjem.[4][7] U oblastima sa raspoloživim zemljištem, sistemi su poprimili oblik rashladnog rezervoara; u oblastima sa ograničenim zemljištem, poput gradova, oni su imaju oblik rashladnih tornjeva.[6][8]

Ovi rani tornjevi bili su postavljene na krovovima zgrada ili kao samostojeće građevine, koje su ventilatori snabdevali vazduhom ili su se oslanjali na prirodni protok vazduha.[6][8] Jedan američki inženjerski udžbenik iz 1911. godine opisao je jedan dizajn kao „kružnu ili pravougaonu školjku od lagane ploče - poput dimnjačke konstrukcije koja je znatno vertikalno skraćena (visoka od 20 do 40 stopa) i veoma uvećan bočno. Na vrhu se nalaze razvodna korita u koja se mora pumpati voda iz kondenzatora; iz njih se ona spušta preko „prostirki“ od drvenih letvi ili pletenih žičanih paravana koji ispunjavaju prostor u kuli.“[8]

Hiperboloidni rashladni toranj patentirali su holandski inženjeri Frederik van Iterson i Gerard Kujpers 1918. godine.[9] Prvi hiperboloidni rashladni tornjevi izgrađeni su 1918. godine u blizini Herlena. Prvi u Ujedinjenom Kraljevstvu izgrađeni su 1924. godine u elektrani Lister Drive u Liverpoolu, u Engleskoj, za hlađenje vode koja se koristi u elektrani na ugalj.[10] Procenjuje se da će potrošnja rashladne vode u unutrašnjoj preradi i elektranama smanjiti raspoloživost električne energije većine termoelektrana do 2040–2069.[11]

Prema izveštaju Instituta za gasnu tehnologiju (GTI),[12] Majsocenkov ciklus (M-ciklus) za indirektno hlađenje tačke rose je teoretski ispravan metod smanjenja temperature tečnosti do tačke rose koja je niža od njene temperature vlažnog termometra. M-ciklus koristi potencijalnu energiju dostupnu od latentne toplote vode koja isparava u vazduh. Iako je njegova trenutna manifestacija kao M-Cicle HMX za klimatizaciju, kroz inženjerski dizajn ovaj ciklus bi se mogao primeniti kao uređaj za rekuperaciju toplote i vlage za uređaje za sagorevanje, rashladne tornjeve, kondenzatore i druge procese koji uključuju tokove vlažnog gasa.

Procenjuje se da će potrošnja vode za hlađenje u postrojenjima za unutrašnju preradu i u elektranama smanjiti raspoloživost električne energije za većinu termoelektrana do 2040. do 2069. godine.[11] Godine 2021, istraživači su predstavili metodu za ponovno hvatanje pare. Para se naelektriše pomoću jonskog snopa, a zatim se hvata u žičanu mrežu suprotnog naelektrisanja. Čistoća vode je premašila EPA standarde za vode piće.[13]

Rashladna voda

[uredi | uredi izvor]

Rašladna voda ima u modernoj pogonskoj tehnici vrlo važnu ulogu. Rafinerije, čeličane, gasne turbine, nuklearni reaktori, itd. ne mogu u svojoj funkciji delovati bez rašladne vode. Svaka mašina, koja oslobađa toplotnu energiju, troši rashladnu vodu. Pod rashladnom vodom se podrazumeva voda koja ima ulogu medija za odvođenje toplote kod tehnoloških procesa. Pred industrijsku rashladnu vodu se postavljaju danas potpuno određeni zahtevi u pogledu njenog sastava. Praktičko nema na raspolaganju vode, koja bi idealno u potpunosti odgovarala tim zahtevima. Stoga je nužna priprema i obrada vode koja se koristi u rashladne svrhe.

Vrste rashladnih tornjeva

[uredi | uredi izvor]

Rashladni tornjevi se dele prema tipu strujanja (prirodna ili mehanička cirkulacija) i prema smeru strujanja vazduha (kružno ili protivsmerno). Rašladni tornjevi s prisilnom cirkulacijom (mehaničkom) se još mogu podeliti na pritisne i indukovane.

Rašladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom

[uredi | uredi izvor]

Rašladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom se ponekad i zovu hiperboličnim tornjevima zbog svog karakterističnog oblika i funkcionisanja tornja. Njima nije potreban ventilator zato što su dizajnirani na način da iskoriste razliku u gustini između vazduha koji ulazi u toranj i toplijeg vazduha unutar samog tornja.

Topao i vlažan vazduh unutar tornja je manje gustine i on se podiže prema gore, dok se hladan i gušći vazduh spušta prema donjem delu tornja. Razlog za veliku visinu rashladnog toranja (do 200m) je što je potrebno ostvariti adekvatno strujanje vazduha. Rashladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom mogu imati protivstrujno ili kružno strujanje vazduha. Moraju imati eliminator kapljica kako manje kapljice ne bi otišle sa strujom vazduha. Zbog gubitka vode potrebno je dodavati svežu vodu. Punilo tornja ima letvice raznih oblika koje usporavaju padanje vode i povećavaju površinu razmene, a cilj im je da se intenzivira interakcija vode i vazduha, a pri tome termodinamički ne učestvuju u procesu. Učinak tornja zavisi samo od entalpije vazduha, a ne od temperature.

Rašladni tornjevi s prisilnim strujanjem

[uredi | uredi izvor]

Rašladni tornjevi s prisilnim strujanjem koriste ventilator za strujanje vazduha prema dnu tornja. Strujanje vazudha može biti indukovano i pritisno. Mogu se još podeliti na rashladne tornjeve s kružnim i protivsmernim strujanjem. Skoro svi rashladni tornjevi s prisilnom cirkulacijom su protusmerni. Oni daju pouzdaniji protok vazduha i time je efikasnost veća. Snaga ventilatora je srazmerno mala s obzirom na izmenjeni toplotni tok (1:100), ali kod postrojenja od npr. 100 000 kW bila bi potrebna snaga ventilatora od 1000 kW što je jako puno, te se u to slučaju prelazi na rašladne tornjeve s prirodnim strujanjem. Karakterišu ih manje dimenzije izmjenjivačke površine i niža izlazna temperatura medija koji se hladi, te ukupne manje dimenzije.

Toplotni učinak rashladnog tornja pre svega zavisi od temperature vlažnog termometra vazduha. Temperatura suvog termometra i relativna vlažnost imaju neznatan uticaj na toplotni učinak rashladnih tornjeva s prisilnim strujanjem, ali utiču na količinu isparene vode unutar rashladnog tornja. Zagrejavanje vazduha može se podeliti na osetni deo i na latentni deo toplote koju vazduh preuzima hlađenjem vode. Ako se ulaznom vazduhu povećava temperatura suvog termometra, uz nepromenjenu temperaturu vlažnog termometra, ukupna razmena toplote ostaje ista, ali se menja odnos izmenjene osetne i latentne toplote.

Kružni rašladni toranj

[uredi | uredi izvor]

Kod kružnih rašladnih tornjeva vazduh poprečno struji na vodu koja se cedi kroz punilo. Ventilator je smešten niz struju vazduha u odnosu na ispunu tornja, na izlazu vazduha pri vrhu uređaja. Ispuna se nalazi u nivou s ulazima vazduha. Vazduh ulazi u toranj kroz bočne žaluzije i struji vodoravno kroz ispunu i eliminator kapi. Vazduh se zatim usmerava prema gore i izlazi pri vrhu uređaja. Voda se raspršuje iz sapnica, pada preko ispune i dolazi do kružnog strujanja vode i struje vazduha. Kružni rashladni toranj s indukovanim strujanjem ima povećanu površinu za ulaz vazduha. Usled kružnog strujanja, ovakav toranj može biti znatno niži od protivsmernog tornja. Negativna strana te implementacije je povećan rizik od recirkulacije istrošenog vazduha iz tornja.

Klasifikacija prema upotrebi

[uredi | uredi izvor]

Grejanje, ventilacija i klimatizacija (HVAC)

[uredi | uredi izvor]
Dve HVAC rashladne kule na krovu tržnog centra (Darmstadt, Hesen, Nemačka)
FRP rashladni toranj instaliran na krovu
Ćelija rashladnog tornja sa poprečnim protokom sa materijalom za punjenje, i vidljiva je cirkulišuća voda

HVAC (grejanje, ventilacija i klimatizacija) rashladni toranj se koristi za odlaganje („odbacivanje“) neželjene toplote iz rashladnih uređaja. Rashladni uređaji hlađeni tečnošću su obično energetski efikasniji od rashladnih uređaja sa vazdušnim hlađenjem zbog odbacivanja toplote u vodu u tornju na ili blizu temperaturama vlažnog termometra. Rashladni uređaji sa vazdušnim hlađenjem moraju da odbijaju toplotu na višoj temperaturi suvog termometra, i stoga imaju nižu prosečnu efikasnost obrnutog Karnoovog ciklusa. U oblastima sa toplom klimom, velike poslovne zgrade, bolnice i škole obično koriste jedan ili više rashladnih tornjeva kao deo svojih sistema za klimatizaciju. Generalno, industrijski rashladni tornjevi su mnogo veći od HVAC tornjeva. Pri HVAC upotrebi rashladnog tornja uparuje rashladni toranj sa rashladnim sredstvom ili kondenzatorom hlađenim tečnošću. Tona klima uređaja se definiše kao uklanjanje 12.000 BTU/h (3,5 kW). Ekvivalentna tona na strani rashladnog tornja zapravo prenosi oko 15.000 BTU/h (4,4 kW) zbog dodatnog ekvivalenta otpadne toplotne energije potrebne za pogon kompresora rashladnog uređaja. Ova ekvivalentna tona se definiše kao odbacivanje toplote pri hlađenju 3 američka galona u minuti (11 litara u minuti) ili 1.500 lb/h (680 kg/h) vode za 10 °F (5,6 °C), što iznosi 15.000 BTU/h (4,4 kW), pod pretpostavkom da je koeficijent performansi rashladnog uređaja 4,0.[14] Ovaj koeficijent je ekvivalentan odnosu energetske efikasnosti (EER) od 14.

Rashladni tornjevi se takođe koriste u HVAC sistemima koji imaju više izvora vode toplotnih pumpi koje dele zajedničku vodenu petlju. U ovom tipu sistema, voda koja cirkuliše unutar vodene petlje uklanja toplotu iz kondenzatora toplotnih pumpi kad god toplotne pumpe rade u režimu hlađenja, tada se rashladni toranj koji je postavljen spolja koristi za odvođenje toplote iz vodene petlje i odbacivanje u atmosferu. Nasuprot tome, kada toplotne pumpe rade u režimu grejanja, kondenzatori izvlače toplotu iz vode u petlji i prenose je u prostor koji se zagreva. Kada se vodena petlja koristi prvenstveno za dovod toplote u zgradu, rashladni toranj se obično gasi (i može se drenirati ili pripremitz za zimovanje da bi se sprečila oštećenja od smrzavanja), a toplota se snabdeva na drugi način, obično iz zasebnih kotlova.

Industrijski rashladni tornjevi

[uredi | uredi izvor]
Industrijski rashladni tornjevi za elektranu
Industrijske rashladne kule za preradu voća

Industrijski rashladni tornjevi se mogu koristiti za uklanjanje toplote iz različitih izvora kao što su mašine ili zagrejani procesni materijal. Primarna upotreba velikih industrijskih rashladnih tornjeva je uklanjanje toplote apsorbovane u cirkulišućim sistemima rashladne vode koji se koriste u elektranama, rafinerijama nafte, petrohemijskim postrojenjima, postrojenjima za preradu prirodnog gasa, pogonima za preradu hrane, poluprovodničkim postrojenjima i drugim industrijskim postrojenjima kao što su u kondenzatori destilacionih kolona, za hlađenje tečnosti u kristalizaciji, itd.[15] Brzina cirkulacije rashladne vode u tipičnoj elektrani na ugalj od 700 MW sa rashladnim tornjem iznosi oko 71.600 kubnih metara na sat (315.000 američkih galona u minuti),[16] a cirkulišuća voda zahteva dopunu vode za snabdevanje od možda 5 procenata (tj. 3.600 kubnih metara na sat, što odgovara jednom kubnom metru svake sekunde).

Da ta ista fabrika nije imala rashladni toranj i koristila jednokratnu rashladnu vodu, bilo bi neophodno oko 100.000 kubnih metara na sat.[17] Veliki unos rashladne vode obično ubija milione riba i larvi godišnje, jer ti organizmi bivaju zavaćeni na unosnim ekranima.[18] Velika količina vode bi se morala kontinuirano vraćati u okean, jezero ili reku iz kojih je dobijena i kontinuirano ponovo snabdevati u postrojenje. Štaviše, ispuštanje velikih količina tople vode može podići temperaturu prijemne reke ili jezera na neprihvatljiv nivo za lokalni ekosistem. Povišene temperature vode mogu da ubiju ribu i druge vodene organizme (pogledajte termalno zagađenje), ili takođe mogu da izazovu porast nepoželjnih organizama kao što su invazivne vrste zebraste dagnji ili alge.

Umesto toga, rashladni toranj služi za odvođenje toplote u atmosferu, tako da vetar i difuzija vazduha šire toplotu na mnogo veću površinu nego što topla voda može da distribuira toplotu u vodenom telu. Voda za hlađenje isparavanjem se ne može koristiti u naknadne svrhe (osim negde za kišu), dok se rashladna voda samo na površini može ponovo koristiti. Neke elektrane na ugalj i nuklearne elektrane koje se nalaze u priobalnim područjima koriste jednokratnu okeansku vodu. Ali čak i tamo, izlaz za ispuštanje vode na moru zahteva veoma pažljiv dizajn kako bi se izbegli problemi sa životnom sredinom.

Rafinerije nafte mogu takođe imati veoma velike sisteme rashladnih tornjeva. Tipična velika rafinerija koja prerađuje 40.000 metričkih tona sirove nafte dnevno (300.000 bbl (48.000 m3) dnevno) cirkuliše oko 80.000 kubnih metara vode na sat kroz svoj sistem rashladnog tornja.

Najviši rashladni toranj na svetu je 210 m (690 ft) visok rashladni toranj Pingšan II elektrane u Huajbeju, provincija Anhui, Kina.[19]

Problemi koji nastaju u rašladnim sistemima

[uredi | uredi izvor]

Voda se koristi u sistemima za hlađenje kao medij za prenos toplote, a često i kao konačna tačka za odbacivanje toplote u atmosferu putem isparavanja unutar rashladnih tornjeva. Problemi koji nastaju u rashladnim sistemima se mogu podeliti u tri glavne grupe: korozija, kamenac, i razvoj mikroorganizama i algi. Korozija skraćuje životni vek komponenti rašladnog sistema i uzrokuje propuštanje radne materije ili rashladne vode za izmenjivače toplote. Takođe uzrokuje probleme kao što je smanjenje delotvornosti izmenjivača toplote i smanjenje protočne količine vode ili radne materije. Kada u izmenjivačima toplote dolazi do taloženja kamenca i oblaganja mulja, ne samo što se smanjuje efikasnost izmenjivača, već dolazi i do stvaranja opšte korozije ispod sloja taloga.

Ovi se problemi retko javljaju sami i obično se pojavljuju u kombinaciji jedno s drugim. Najčešće se javljaju u otvorenim recirkulirajućim rašladnim tornjevima jer su čvrste materije rastvorene u rashladnoj vodi koncentrisane isparavanjem vode.

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ^ „Identifying Nuclear Reactors in Google Earth”. CleanEnergy Footprints (cleanenergy.org). 31. 12. 2012. Arhivirano iz originala 23. 10. 2014. g. Pristupljeno 19. 5. 2014. 
  2. ^ „Myth of cooling towers is symptomatic of global warming information shortage”. Royal Society of Chemistry (na jeziku: engleski). 2007-02-15. Pristupljeno 2022-03-02. 
  3. ^ „What you need to know about nuclear cooling towers”. Duke Energy | Nuclear Information Center (na jeziku: engleski). 2017-07-24. Pristupljeno 2022-03-02. 
  4. ^ a b International Correspondence Schools (1902). A Textbook on Steam Engineering. Scranton, Pa.: International Textbook Co. 33–34 of Section 29:"Condensers". 
  5. ^ Croft, Terrell, ur. (1922). Steam-Engine Principles and Practice. New York: McGraw-Hill. str. 283—286. 
  6. ^ a b v Heck, Robert Culbertson Hays (1911). The Steam Engine and Turbine: A Text-Book for Engineering Colleges. New York: D. Van Nostrand. str. 569—570. 
  7. ^ a b Watson, Egbert P. (1906). „Power plant and allied industries”. The Engineer (With Which is Incorporated Steam Engineering). Chicago: Taylor Publishing Co. 43 (1): 69—72. 
  8. ^ a b v Snow, Walter B. (1908). The Steam Engine: A Practical Guide to the Construction, Operation, and care of Steam Engines, Steam Turbines, and Their Accessories. Chicago: American School of Correspondence. str. 43—46. 
  9. ^ „UK Patent No. 108,863”. Arhivirano iz originala 05. 02. 2009. g. Pristupljeno 27. 06. 2021. 
  10. ^ „Power Plant Cooling Tower Like Big Milk Bottle”. Popular Mechanics. Hearst Magazines. februar 1930. str. 201. ISSN 0032-4558. 
  11. ^ a b van Vliet, Michelle T. H.; Wiberg, David; Leduc, Sylvain; Riahi, Keywan (2016). „Power-generation system vulnerability and adaptation to changes in climate and water resources”. Nature Climate Change. 6 (4): 375—380. ISSN 1758-678X. doi:10.1038/nclimate2903. 
  12. ^ Gas Technology Institute (GTI) report
  13. ^ Irving, Michael (2021-08-04). „MIT steam collector captures pure water for reuse in power plants”. New Atlas (na jeziku: engleski). Arhivirano iz originala 4. 8. 2021. g. Pristupljeno 2021-08-09. 
  14. ^ Cheremisinoff, Nicholas (2000). Handbook of Chemical Processing Equipment. Butterworth-Heinemann. str. 69. ISBN 9780080523828. 
  15. ^ U.S. Environmental Protection Agency (EPA) (1997). Profile of the Fossil Fuel Electric Power Generation Industry (Izveštaj). United States.  Document No. EPA/310-R-97-007. p. 79.
  16. ^ Cooling System Retrofit Costs EPA Workshop on Cooling Water Intake Technologies, John Maulbetsch, Maulbetsch Consulting, May 2003
  17. ^ Thomas J. Feeley, III, Lindsay Green, James T. Murphy, Jeffrey Hoffmann, and Barbara A. Carney (2005). "Department of Energy/Office of Fossil Energy's Power Plant Water Management R&D Program." Arhivirano 27 septembar 2007 na sajtu Wayback Machine U.S. Department of Energy, July 2005.
  18. ^ The Indian Point Energy Center cooling system kills over a billion fish eggs and larvae annually. McGeehan, Patrick (2015-05-12). „Fire Prompts Renewed Calls to Close the Indian Point Nuclear Plant”. New York Times. 
  19. ^ „Pingshan II: the largest Cooling Tower in the world designed by Hamon”. Hamon.com. Pristupljeno 2023-01-14. 

Literatura

[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze

[uredi | uredi izvor]
Toranj za hlađenje na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Торањ_за_хлађење&oldid=28444533”