Turnuri de rcireNecesitatea rcirii apei

Cel mai utilizat mediu de rcire n industrie este apa; Cea mai mare parte a apei utilizate n industrie este folosit pentru rcire.

Condiii impuse apei de rcire, pentru a avea o exploatare sigur i n condiiieconomice:

s nu conin impuriti plutitoare care ar nfunda evile condensatoarelor i alercitoarelor;

s nu conin impuriti n suspensie cu diametrul mai mare de 0,15 mm; s nu conin substane corozive care s atace evile schimbtoarelor de cldur; s fie lipsit de substane organice, microorganisme i alge, care produc nfundareai nrutesc transferul de cldur, formnd o pelicul pe suprafaa evilor;

s aib o duritate temporar redus, pentru evitarea depunerilor de piatr; s nu conin ulei n suspensie care se depune pe evi i care are un efect de

micorare a coeficientului de transfer de cldur.

Apa de rcire care circul n circuit nchis cedeaz cldura preluat de lacondensatoare (rcitoare) n urmtoarele instalaii:

- lacuri de rcire;- bazine de stropire;- turnuri de rcire cu tiraj natural sau cu tiraj forat.

Specificul rcirii prin evaporare

De suprafa

Rcirea apei cu aer se poate realiza folosind dou tipuri de schimbtoare decldur:

Schema rcirii apei cu aer n schimbtoare de cldur de suprafa

1 aparatul supus rcirii; 2 instalaia de rcire (SC de suprafa ap-aer); 3 pomp de circulaie.

Acest tip de SC se folosesc rar deoarece coeficientul global de transfer termic fiindfoarte redus (de ordinul zecilor), suprafaa de schimb de cldur devine foarte mare, ladebite mari de ap rcit.

Pentru intensificarea schimbului de cldur se folosesc evi cu aripioare i debite maride aer, cu un consum mare de energie electric, pentru circulaia forat a aerului.

De amestec

Schema rcirii apei cu aer n schimbtoare de cldur de amestec

1 aparatul supus rcirii; 2 instalaia de rcire (SC de amestec ap aer); 3 rezervor de ap rcit; 4 pomp de circulaie.

micorare de cteva ori a suprafeei de rcire (la acelai debit de ap rcit)

Rcirea apei prin contactul direct cu aerul

mrirea coeficientului de transfer de cldur ap-aer

Rcirea apei se realizeaz prin dou fenomene: prin contact schimbul de cldur dintre dou fluide n micare (conducie i

convecie); prin evaporarea unei pri din apa supus rcirii, care conduce la rcirea suplimentar

a masei de ap rmas, evaporarea fiind un proces puternic endoterm (cu absorbie decldur).Evaporarea lichidului are loc cnd presiunea vaporilor saturai la temperatura suprafeei

lichidului este mai mare dect presiunea parial a vaporilor de ap din mediul ambiant.Prin evaporare se elimin din ap pn la 80-90 % din cldura total pe care o cedeaz.La temperaturi coborte ale aerului exterior, rolul evaporrii se reduce, cldura cedat prinacest procedeu scade la 30-50 %.

Clasificarea turnurilor de rcire Dup principiul de funcionare:

schimbtoare de cldur de suprafa (turnuri de rcire uscate); schimbtoare de cldur de amestec cu evaporare (turnuri de rcire umede).

Dup direcia de curgere a aerului fa de ap: cu circulaie n contracurent; cu circulaie n curent ncruciat; cu circulaie combinat ncruciat i contracurent.

Turnurile de rcire cu evaporare se pot clasifica: Dup modul de realizare a tirajului:

turnuri de rcire descoperite (fr tiraj); turnuri de rcire cu tiraj natural (cu co) 58 (10) m3/m2h; turnuri de rcire cu tiraj forat sau artificial 1016 (20) m3/m2h.

Dup felul crerii suprafeei de rcire: prin picurare schimbul de cldur i mas are loc, n principal, la

suprafaa picturilor de ap formate (45 m3/m2h); peliculare schimbul de cldur i mas are loc n principal la

suprafaa peliculei formate pe panourile zonei active (67 m3/m2h); mixte peliculare i prin picurare.

Turnuri de rcire cu tiraj natural

Turn de rcire hiperboloidic cu tiraj natural 1 stlpi de susinere; 2 intrarea apei;

3 perete despritor; 4 evacuarea apei;5 distribuia apei; 6 panouri; 7 grinzile

zonei active.

capacitate de rcire mare i constant; necesit o suprafa relativ mic pentru

amplasare; se pot amplasa n imediata apropiere a

cldirilor i a celorlalte instalaii.

Caracteristici

Turnuri de rcire cu tiraj artificial

asigur o rcire mai intens dect celelaltetipuri de instalaii de rcire;

permit reglajul temperaturii apei de rcireprin variaia numrului de ventilatoare nfunciune i a turaiei acestora;

costul construciei este n general maisczut dect cel al turnurilor cu tirajnatural;

cheltuielile de exploatare sunt mai maridect cele ale turnurilor cu tiraj natural.

Caracteristici

Turnuri de rcire cu tiraj forat: a cilindric conic; b hiperboloidic; c celular. 1 dispozitiv de distribuie a apei; 2 zona activ;

3 intrarea aerului; 4 bazin colector; 5 ventilator; 6 motor de antrenare; 7 difuzor de

evacuare; 8 purjare.

Noiuni specifice aerului umedMrimile de stare ale aerului umed

Aerul atmosferic = un amestec format din mai multe gaze, n concentraii practicconsiderate constante i dintr-o cantitate de ap care variaz n funcie de condiiileatmosferice momentane.Apa coninut n aer poate fi sub form gazoas (vapori), lichid (cea) sau solid(zpad)Aer umed = aerul care conine ap sub form de vapori sau alt form de agregare.Aer umed saturat = aer saturat cu vapori de ap (coninutul de vapori de ap la oanumit temperatur este cel maxim posibil).

Cantitatea de vapori necesar saturrii unui volum dat de aer crete cu temperatura.Aer nesaturat = aerul care conine vapori supranclzii.Aer umed suprasaturat = aerul a crui umiditate este mai mare dect cea de saturaie.Mrimile de stare ale aerului umed importante pentru tehnic:

temperatura termometrului uscat T; presiunea barometric pB; presiunea parial a vaporilor de ap pv; densitatea ; volumul specific v; entalpia h; umiditatea relativ ; coninutul real de vapori x.

B

x pTxV 622,05,4611 [m3] volumul a (1+x) kg de aer umed

Volumul specific al aerului umed (pentru 1 kg de aer umed)

B

x

pT

xx

xVv

1622,05,461

11 [m3/kg]

unde:

x este coninutul real de vapori de ap la temperatura T, n g/kgaer usc.;461,5 valoarea constantei Rv pentru vaporii de ap, n J/(kg.K); 0,622 raportul Ra/Rv = 287,0/461,5, dintre constanta aerului uscat Ra i constanta

vaporilor de ap Rv.pB presiunea barometric, n Pa.

Densitatea aerului umed

xx va

1 [kg/m3]

TRp

a

aa

TRp

v

vv

densitatea aerului uscat, n kg/m3

densitatea umiditii, n kg/m3

pa , pv presiunea parial a aerului uscat, respectiv a vaporilor.vaB ppp [Pa]

Cldura specific la presiune constant a aerului umed

pvpap cxcxc 1 [kJ/(kg.K)]cpa este cldura specific a aerului uscat, n kJ/(kg.K);cpv cldura specific a vaporilor de ap, n kJ/(kg.K).Pentru calcule uzuale se pot folosi valorile:

cpa = 1,006 kJ/(kg.K), ntre 0 i 50 C,cpv = 1,863 kJ/(kg.K), ntre 0 i 75 C.

Entalpia aerului umed

TxTTcrxTchxhhh pvpavax 863,12500006,11 [kJ/kgaer uscat]

ThTh va 863,12500;006,1

xTh 2500006,1

TxxTxTh ss 19,4863,12500006,1

ha este entalpia aerului uscathv entalpia vaporilor.Pentru temperaturi cuprinse n intervalul 0-50C, se poate lua destul de exact:

[kJ/kg]

Pentru aerul umed saturat

Pentru aerul umed nesaturat

[kJ/kgaer uscat]

Pentru aerul umed suprasaturat[kJ/kg]

Umiditatea relativ ()

%100%100vs

v

vs

v

ppsau

Definete gradul de saturaie al aerului umed.

pvs presiunea vaporilor saturai

Coninutul de umiditate a aerului (x)

vsB

vs

vB

v

uscataer

v

ppp

ppp

mmx

622,0622,0

[kgumid/kgaer usat]

Temperatura de rouEste acea temperatur pn la care trebuie rcit aerul, la p=ct i x=ct, pentru ca el s devin saturat.La aceast temperatur aerul umed este saturat, deci =1, iar pv=pvs.Presiunea parial a vaporilor n punctul de rou:

xxpp Brv 622,0,

Diagramele aerului umedDiagrama h-x (Mollier)

folosit n special la instalaiile de uscare

Diagrama h-x complet, pentru pB = 1000 mbar, ntre 10 C i +60 C

Pentru o alt valoare a presiunii barometrice, pB1, umiditatea se determin cu relaia:

B

B

pp 1

1

Diagrama h-T (Mueller) folosit la turnurile de rcire

Pulverizarea apei n curent de aer

'1x

T2 '

1T T1

x

1

h1

h2h1

12

h

= 100 %

1 x1

1

2

h1= const

h2

= 100 %

1

x1 x2

T1

T2

h

x

nclzirea umed a aerului

nclzirea umed a aerului (reprezentare convenional)

Diferitele stri posibile ale schimbului de cldur i de substan la suprafaa apei

a se produce evaporare, rcirea apei i nclzirea aerului, cu formare de cea.

b idem ca la a, dar fr formare de cea.d continu evaporarea, dar acum att aerul ct i

apa sunt rcite, aerul prin contactul cu apa mai rece, iar apa prin evaporare suficient de activ.

f dei se produce evaporare, totui apa senclzete, iar aerul (mai cald dect apa) sercete.

h+i se produce condensare (depunere de rou),iar apa se nclzete i aerul se rcete.

Calculul termodinamic al turnurilor de rcireGeneraliti

Circulaia celor dou fluide se face n contracurent sau n curent ncruciat (apa cadeliber sub form de picturi, de pelicul subire sau de pelicul i picturi);

Aerul este insuflat de obicei pe la partea inferioar a turnului, curentul de aer fiindcreat fie prin tiraj natural, fie prin tiraj artificial;

(zona de rcire realizat de turn)''1'

1 TTT '

1T"

1T1m - debit

- temperatur intrare- temperatur ieire

Parametri ap

"2

'2 /TT

2m - debit

- temperatur intrare/ieireParametri aer

"2

'2 / hh - entalpie intrare/ieire

- entalpie intrare/ieire1 / 2

Limita inferioar de rcire temperatura minim pn la care se poate rci apa ntr-unturn cu tiraj artificial n contracurent (valoarea spre care trebuie s tind i funcionareaturnurilor cu tiraj natural).

- cldura specificc

ST2

T1

T1

T2

T2

T1

Variaia temperaturii apei i aerului n timpul trecerii prin turn (curgere n contracurent)

Bilan termic al turnului '2''2211''1'11 hhmTcmTTcm [kW]Debit specific de aer al turnului:

1

2

mm

1'2''2 Tchh '2

''2

1

hhTc

(1)

(2) (1)

(2)

Entalpia aerului la ieirea din turn (cnd se cunoate ): 1'

2''

2Tchh

75,0...55,020,1...90,0

Valori pentru :pentru tiraj natural,

pentru tiraj forat.

[kgaer/kgapa]

Ecuaia diferenial a turnurilor de rcire

dl

T2, x

T2+dT x+dxdS Aerul primete cldur prin: contact (convecie pur)

22 dTcm p evaporare

dxrm 2

dxTTcm spv 222 aportul de cldur sensibil al vaporilor formai

Toat aceast cldur este preluat de la ap, care se rcete cu dT1: dxTTcrdxdTcmcdTm Spvp 222211 2dh

2211 dhmcdTm (variaia elementar a entalpiei aerului n contact cu apa)

22 dTcm p

dxrm 2

dxTTcm spv 222

cldura schimbat prin contact (convecie pur)

cldura extras din ap prin evaporare

aportul de cldur sensibil al vaporilor mai calzi

Dac direcia schimbului de cldur se consider perpendicular pe suprafaa dS de contact dintre ap i aer:

SdTT s 22 Sdxxr s SdcTTxx pvss 22

xs coninutul de vapori al aerului aflat la temperatura T2s;x coninutul de vapori din masa aerului, aflat la temperatura T2.

Bilanul termic se poate scrie sub forma:

dSTTcrxxTTdhmcdTm Spvss 22222211 12 / mm 12 TT s dSTTcrxxTT

mdhcdT pvs

2121

121

pp.ecuaia general diferenial a

turnurilor de rcire

(1)

(1) 1m

CTT 40...3021)./(1 KkgkJcpv

kgkJTTcpv /40...3021 kgkJr /2500 21 TTcr pv

dSTTcrxxTTm

dhcdT pvs

2121

121

n ecuaia:

se neglijeaz 21 TTcpv 21 TTcp se adun i scade

cldura necesar unui kg de aer umed pentru a-i ridica

temperatura de la T2 pn la T1

dSxxrTTcTTcTTm

dhcdT spp

2121211

21

2221 hhrxTcrxTc spsp h2s entalpia aerului saturat la temperatura apei T1;h2 entalpia masei de aer aflate la temperatura T2.

dSc

TTchhm

dhcdTp

ps

12122121

1 pc dShh

mdhcdT s 22

121

22

2

22

1

1 hhdh

hhcdT

mdS

ss

Admind: (ipoteza lui Lewis) sau:

Ecuaia fundamental a lui Merkel

Ipoteze: s-a neglijat aportul de cldur sensibil a vaporilor la creterea temperaturii

(entalpiei) aerului; s-a neglijat cldura cedat aerului de vaporii care condenseaz n partea superioar a

turnului; s-a admis ipoteza teoretic a lui Lewis: Le=1.

Calculul termic al turnurilor de rcire prin metoda Berman simplificat

Ipoteze simplificatoare Coeficienii , , r, cp, Da (coeficientul de difuzie a aburului n aer, n kg/m2s bar)

sunt constani.Pentru un domeniu foarte mare, care cuprinde zona obinuit de temperaturi ntrecare funcioneaz turnurile de rcire se poate considera cu suficient precizie:

254,0;1;35,0 pa cD 38,1 pc

Presiunea parial a aerului uscat se consider egal cu cea atmosferic, n ipotezaunui coninut de vapori de ap n aer foarte redus (x 10 g/kg);

Temperatura apei T1, temperatura aerului T2 i presiunea parial a vaporilor de apdin aer pv2, variaz sensibil n lungul zonei active. Se admite c aceste mrimi au ovariaie liniar.

Debitul de ap n turn se presupune constant, neglijnd reducerea lui datoritevaporrii.

Presiunea de saturaie a apei ce se evapor p``, nu variaz liniar n intervalul detemperaturi (T1`-T1``). Aceast mrime se presupune a avea o variaie liniar, dar seintroduce o corecie p``, astfel nct abaterea fa de curba real, s fie aceeai npunctul corespunztor temperaturii medii i n punctele extreme.

T1T2 T

p

p1

p2

p1-p

p2-p

pmed

p"med+p p

Tmed

A

A

B

0

C

C

p

p

p

Corectarea cderii de presiune

p``- abaterea presiunii de saturaie a vaporilor, latemperatura apei, fa de curba real (albastru) laextreme;p1``- presiunea de saturaie a vaporilor la

temperatura de intrare a apei n turn, T1`;p2``- presiunea de saturaie a vaporilor la

temperatura de ieire a apei n turn, T1``;pmed``- presiunea de saturaie a vaporilor la

temperatura medie a apei, Tmed.

Ecuaia dreptei (rou) 12 1""1""2""

1"TTTT

ppppppp

Punctul 0 verfic ecuaia dreptei:

24

42

2""

2"1"

""2

"1"

"""

21

pppp

pppp

ppp

TTTT

med

med

med

med

Presiunea de saturaie a vaporilor este: la intrarea apei n turn: la ieirea apei din turn:

""1 pp ""2 pp

Ecuaiile bilanului termic i de substan din turn:

'2"2221 TTcmTTS pmed "1'11'2"22 TTcmhhm 1222" xxmppS medv

(1)

(2)

(1)(2)

12

'2

"2

2

21

" xxTTc

ppTT

pmedv

med

122

21'2

"2 "

38,1 xxppTTTT

medv

med

22

"2

'2

"1

'1

21TTTTTT med

22

"4""2

'2

"2

"1

2vv

medvppppppp

dar: 38,1 pc

(relaie de principiu pentru temperatura aerului la ieirea din turn)

Aplicnd ipotezele simplificatoare, putem scrie:

i

(3)

(4)

(4) (3) 12"2' 2"2"1

"2

'2

"1

'1'

2"2

"438,1 xx

pppppTTTTTT

vvc

(relaia de calcul a temperaturii aerului la ieirea din turn)

"2

'2, vv pp - presiunile pariale ale vaporilor din aer, la temperaturile "2'2,TT

"2cT se obine prin ncercri succesive, alegnd preliminar, valori pentru T2`` din membrul drept.

Temperatura aerului la ieirea din turn

Entalpia aerului la ieirea din turnBilanul termic real din turnul de rcire :

"22

"1

"1

'22

'1

'1 hmcTmhmcTm

Pierderea de ap prin evaporare:"1

'11 mmm v "1'1,mm - debitul de ap la intrarea, respectiv la ieirea din turn.

11 / mmy vv Pierderea specific de ap prin evaporare:

Prin gruparea termenilor i innd cont de relaia (1), bilanul termic se mai poate scrie:

(1)

'2"22"1"1'1'1 hhmcTmcTm '2"22"11'1'1'1 hhmcTmmcTm v sau (2)(2)

'1m

'2"2"1"1'1 hhcTycTcT v '2

"2

"1

"1

'1

hhcTyTTc v

1221 xxmm v 12 xxyv Bilanul de umiditate: '1m(3)

(4)

(4) (3) '2"2"112"1'1 hhcTxxTTc 12"1'2"2"

1'

1

xxcThhTTc

(debitul specific de aer al turnului)

Debitul specific teoretic de aer (x1=x2):

'2

"2

"1

'1

hhTTc

t

Legtura dintre cele dou debite specifice se realizeaz printr-un coeficient de corecie K:

'2

"2

12"

1'2

"2

hhxxcThhK t

'2

"2

12"

11hh

xxcTK sau

'2

"2

"1

'1

hhTTc

t

KTTchh

"1

'1'

2"2

(entalpia aerului la ieirea din turn)Valorile coeficientului de corecie K se gsesc n diagrama:

Bilanul termic al turnului de rcire permite, nacest moment, calculul debitului de aer real,necesar rcirii apei: '1"22"1'11 hhmTTcmQ

'2

"2

2 hhQm

12 / mm S-a plecat de la un ales i s-a revenit asupra lui, dup ce condiiile de funcionare aleturnului de rcire au fost precizate.Valoarea mrimii aflat n final este cea real.

Comparaie ntre turnurile de rcire cu tiraj forat i cele cu tiraj natural Limita teoretic de rcire

- turnuri cu tiraj natural: T2 = Tum + 1215 C;- turnuri cu tiraj forat: T2 = Tum + 58 C; exist o diferen de consum specific de combustibil.

Consumul de energie electric puterea consumat de turnurile cu tiraj forat este de 0,6 1 % din puterea produs de

grupul electrogen care folosete debitul de ap respectiv (datorit ventilatoarelor); turnurile cu tiraj forat permit o reducere a nlimii de pompare a apei de la 8,5 9 m

(ct se ntlnete la construcia marilor turnuri cu tiraj natural) la cca. 7,5 m. Aceasteconomie de putere de pompare reduce diferena de consum al serviciilor internedatorit ventilatoarelor.

Constructiv turnuri cu tiraj natural (nlimi de pn la 100 m): beton monolit; turnuri cu tiraj forat: prefabricate, ceea ce permit realizarea lor ntr-un timp mult mai

scurt. Viteza vntului turnuri cu tiraj natural: sensibil la vnturile exterioare (tirajul coului < 0,5 mbar, la o

vitez a aerului prin turn de 1,2 2,0 m/s) turnuri cu tiraj forat: este puin influenat de vnt.

1"

C-10

-5 5 15 20 25 30 350

C

2

10

100 %80 %60 %40 %

tiraj natural

tiraj forat

Funcional turnurile cu tiraj natural sunt superioare celor cu tiraj forat, dac T2