Охладителни кули

Протичането на повечето производствени процеси, включително и на тези, свързани с поддържането на комфортен микроклимат в помещенията, е свързано с генерирането на големи количества отпадна топлина както от самия процес, така и от използваните съоръжения. Своевременното отвеждане на тази топлина е сред факторите, определящи ефективността на процесите и съоръженията. В практиката за отвеждане на отпадната топлина се прилагат различни решения. Сред широко прилаганите е използването на охладителни кули, които са подходящи както за отвеждане на значителни количества топлина, като например отпадната топлина от процесите, свързани с производствата на енергия, така и за отвеждане на топлината от охлаждащата вода в климатични системи. Принципът им на работа е познат като изпарително охлаждане, което е адиабатен процес, протичащ при постоянна енталпия. Използва се обмяната на енергия между водата и въздуха. Необходимата за изпарението на водата енергия се взима от въздуха, което води до понижаване на неговата температура.

Стандартни приложения на охладителните кули са осигуряването на охладена вода за технологично производство, за чилъри с водни кондензатори, за климатизация. Обикновено в охладителните кули постъпва вода с температура от порядъка на 40 - 50 оС и се охлажда до около 25 - 30 оС в най-добрия случай. Най-малките охладителни кули са проектирани да работят с водни потоци от порядъка на няколко десетки литра вода за минута, докато най-големите охлаждат стотици хиляди литри за минута в големите централи за производство на енергия.

Според специалисти с охладителните кули се постига значително по-добро охлаждане в сравнение с други охлаждащи съоръжения, използващи въздух, поради което в немалко случаи се оказват по-ефективното решение от икономическа и техническа гледна точка.

Директни и индиректни охладителни кули

Охладителните кули обикновено се класифицират като директни (с отворен кръг) и индиректни (със затворен кръг) системи за отвеждане на топлина.

Директните или отворените охладителни кули са съоръжения със затворена структура, в които водата е в директен контакт с въздуха. В тези кули се осъществява вътрешно разпределение на водата, която преминава през оросяем пълнеж. Обикновено той се състои от множество малки твърди елементи с различна форма, върху повърхността на които се създава тънък филм течност. Оросяемият пълнеж може и да е от хоризонтално разположени елементи, образуващи каскада от множество фини капчици вода. Пълнежът осигурява значително по-голяма контактна повърхност между въздуха и водата и подпомага неговото загряване и изпаряване. Съответно, при преминаването си през пълнежа водата се охлажда. Охладената вода се събира в басейн със студена вода, намиращ се под пълнежа. От там тя се подава обратно към работния процес за абсорбиране на топлина. Загретият и овлажнен въздух напуска охладителната кула и се изхвърля в атмосферата в достатъчно отдалечена точка от входящите въздушни отвори, за да се предотврати засмукването му обратно в кулата.

В индиректните или охладителните кули със затворен кръг не се осъществява директен контакт между въздуха и флуида. Самият флуид може да бъде вода или разтвор на гликол. При този вид охладителни кули се обособяват два отделни кръга - отворен и затворен. Затвореният кръг е свързан с производствения процес и през него протича основният флуид, който трябва да бъде охладен. Отвореният кръг е този, в който протича отвеждането на излишната топлина. Охлаждането на флуида е при преминаването му през тръбен топлообменник, от външната страна на който протича процесът на изпарително охлаждане при контакта на загретия въздух и охлаждащата вода. Принципно работата на индиректните охладителни кули е много подобна на директните. Основната разлика е, че охлажданият флуид преминава през затворения кръг и няма контакт с атмосферата или рециркулиращата охлаждаща вода.

Добре е да се има предвид фактът, че в процеса на охлаждане част от водата се изпарява, поради което при повторното й използване е необходимо допълнително добавяне на вода. По този начин от една страна се компенсира количеството на изпарената, а в същото време се подобрява състоянието на останалата вода. Тъй като се изпарява чиста вода, концентрацията на разтворени минерали и други твърди вещества от циркулиращата вода може да се увеличат, ако не са предвидени мерки за контролиране на разтворените твърди вещества. Малка част от водата се губи и чрез капчиците, отнасяни с въздушната струя и изхвърляни в атмосферата. Обикновено това са незначителни загуби, тъй като в повечето случаи се предвиждат мерки за улавяне на тези капчици. Основно изискване е добавяното количество вода да компенсира всичките видове загуби, за да се поддържа стабилно ниво на водата.

Охладителните кули се класифицират още на атмосферни, с принудителна тяга, със смесена тяга. В зависимост от посоката на въздушния поток биват с насрещен поток, с насрещен поток и пълнеж, с кръстосан поток - едностранен, двустранен. В охладителни кули с насрещен поток въздухът се движи вертикално нагоре през пълнежа, противоположно на падащата надолу вода. При охладителните кули с кръстосан поток въздушният поток преминава хоризонтално през кулата, пресичайки падащата вода. Кулите с кръстосан поток, от своя страна, могат да бъдат разделени на: охладителни кули с двоен поток, при които вентилаторът засмуква въздух през два входа и през два пълнежа, докато при кулите с единичен поток има един вход и един пълнеж, останалите три страни на кулата са затворени. Кулите с единичен поток обикновено се използват в места, където въздухът може да преминава свободно към кулата само от една посока.

Охладителните кули могат да бъдат класифицирани и в зависимост от конструкцията, формата, начина на предаване на топлина.

Атмосферни и охладителни кули с принудителна тяга

При атмосферните охладителни кули за създаване на необходимата тяга за преминаване на въздуха през кулата се разчита на коминния ефект, докато при тези с принудителна тяга се използват вентилатори.

Атмосферните охладителни кули разчитат на разликите в температурите на околния въздух и по-топлия въздух вътре в кулата. С издигането на топлия въздух нагоре, в долната част на кулата през въздушни отвори навлиза студен въздух. Поради формата на кулата не се изисква допълнително използване на вентилатор и почти не се наблюдава циркулация на топъл въздух, който да окаже влияние върху работата на кулата.

Тези кули обикновено се изграждат от бетон и са с височина до 200 m. Използват се предимно за големи топлинни натоварвания, тъй като изграждането на големи бетонни структури е сравнително скъпо. Атмосферните охладителни кули, от своя страна, в зависимост от посоката на движение на въздуха и водата биват кули с кръстосан и насрещен поток. При кулите с кръстосан поток въздухът преминава напречно през водата, докато при кулите с насрещен поток въздухът се движи нагоре срещу падащата вода.

При охладителните кули с принудителна тяга се използват един или няколко вентилатори за нагнетяване или засмукване на въздух през циркулиращата вода. Водата се движи надолу през оросителен пълнеж, който повишава времето на контакт между водата и въздуха, което спомага за повишаване на топлообмена между двете среди. Охладителните възможности на кулите с принудителна тяга се влияят от редица параметри като диаметъра на вентилаторите, скоростта и т. н., самите вентилатори могат да се намират в основата на охладителната кула или да бъдат поставени на върха.

При охладителните кули с вентилатори, разположени в основата, по време на работа вентилаторът подава въздух с ниска скорост хоризонтално през пълнежа и след това вертикално срещу падащия поток вода, която се стича от двете страни на вентилатора. Вибрациите и шума са минимални, тъй като въртящото се оборудване е поставено на солиден фундамент. Вентилатори подават предимно сух въздух, допринасяйки в голяма степен за намаляване на ерозията и проблемите с кондензацията на вода.

Вентилаторите - един или няколко, поставени на върха на кулата, издърпват въздуха нагоре срещу падащата вода, преминаваща през оросителния пълнеж. Тъй като въздушният поток е противоположен на потока вода, най-студената вода на дъното е в контакт с най-сухия въздух, докато най-топлата вода на върха е в контакт с влажен въздух, което рефлектира в увеличена ефективност на топлообмена.

Този вид охладителни кули също могат да бъдат с кръстосан или насрещен поток. Охладителните кули с насрещен поток заемат по-малко място в сравнение с тези с кръстосан поток, но са по-високи, за да се осигури същата охладителна мощност. Сред предимствата на кулите с кръстосан поток е по-ниската мощност на вентилаторите, което води и до по-ниски енергийни разходи.

Кулите с принудителна тяга се предлагат в широк диапазон от мощности. Те могат да бъдат фабрично готови изделия или да бъдат изградени на място като бетонните кули, например. Много от различните конструкции охладителни кули могат да бъдат групирани заедно за достигане на желаната мощност.

Предлагат се и конструкции охладителни кули, работещи със смесена тяга. При тях се разчита основно на коминния ефект, но се предвиждат и вентилатори за увеличаване на тягата.

Сухи охладителни кули

В сухите охладителни кули се използва само въздух за процеса на охлаждане. Използват се пластинчати топлообменници, към които посредством вентилатори се нагнетява охлаждащият въздух. Самият въздух се засмуква от околното пространство. Тъй като тези охладителни кули работят на открито, за да се предотврати замръзване през студените месеци е необходимо да се добави гликол. Като основни предимства на сухите охладителни кули могат да се посочат липсата на разход на вода, тъй като те работят в затворен контур и не е необходимо добавянето на вода в системата, с изключение в случаите на непредвидено изтичане; не се замърсява използваната в производствения процес вода; монтажът им е сравнително лесен; имат сравнително кратък срок на откупуване.