Tema ventilacije i klimatizacije je vječna tema kako u graditeljstvu tako i u velikom dijelu strojarskih instalacija i postrojenja. U ovom nastavku Koraka, koncentrirati ćemo se na segment strojarstva, štoviše na jedan uži segment hlađenja kad je riječ o potrebi za velikim kapacitetima hlađenja koju ćemo u tom slučaju riješiti
RASHLADNIM TORNJEVIMA
Pošto bi potrošnja vode za kondenzaciju rashladnog sredstva u kondenzatorima hlađenim vodom nosila prevelike eksploatacijske troškove, to se za veće kapacitete rashladnih postrojenja u najvećoj mjeri upotrebljavaju rashladni tornjevi. Ovdje je zapravo riječ o postupku optočnog hlađenja vode pomoću rashladnih tornjeva, pri čemu se rashladni tornjevi koriste u sprezi sa jedinicama kondicioniranja i hlađenja zraka, radi odvođenja otpadnih toplina kondenzatora.
Izgled rashladnog tornja i princip rada
Jedan karakterističan rashladni toranj je prikazan na slici 1. Voda se privodi tornju, te se zatim raspršuje u sitne kapljice, te struji preko ispune. Ispuna treba zadovoljiti neke zahtjeve u pogledu izrade:
- materijal ispune mora biti otporan na koroziju
- sama je ispuna saćastog oblika sa raznim otvorima, ali presjek pojedinih otvora mora biti toliko velik da ne predstavlja otpor strujanju zraka
Takva voda se slijeva preko ispune u tankim filmovima i kapljicama, tako da kontaktna površina sa strujom zraka bude što veća.
Slika 1. Rashladni toranj
Zbog velike kontaktne površine dobivamo i bolji proces ishlapljivanja, tj.hlađenja vode. Prisilno strujanje se osigurava uz pomoću ventilatora koji postiže najbolje učinke ukoliko imamo ostvareno strujanje da ventilator “vuče” zrak kroz rashladni toranj, jer tada imamo bolji raspored strujanja. Strujanje vode i zraka može biti protustrujno, istosmjerno ili unakrsno. Tako ohlađenu vodu skupljamo u sabirniku ili bazenu, te ju cirkuliramo kroz vodom hlađeni kondenzator gdje ponovno preuzima toplinu i vraćamo je na vrh tornja na ponovno hlađenje.
Ovdje valja napomenuti da je potrebno nadoknađivati dio vode koji biva odnesen u struji zraka, a tu funkciju preuzima na sebe automatska regulacija dodavanjem svježe vode u sistem radi normalnog rada.
Imamo rashladne tornjeve s prisilnom i prirodnom cirkulacijom zraka, kao i podjelu na one s izravnim kontaktom vode, koje još nazivamo i mokri, te one s neizravnim kontaktom vode i zraka preko orošenog izmjenjivača, tzv. suhi toranj.
Načelo rada samog rashladnog tornja se bazira na činjenici da za isparivanje vode moramo utrošiti toplinu, pri čemu se ta toplina procesom ishlapljivanja dijela vode oduzima od same vode, a preostala se voda hladi. Sam proces ishlapljivanja je ovisan o struji zraka na samu površinu vode, pa ukoliko imamo bolje raspršenje vode, tj.veću površinu, i sam proces ishlapljivanja će nam biti uspješniji, a samim tim i hlađenje vode.
Sam proces prijelaza topline se sastoji iz:
- prijenosa latentne topline zbog ishlapljivanja manjeg dijela vode, pri čemu nam na njega otpada približno 80 % topline koju odvedemo
- prijenosa osjetne topline kao posljedice razlike temperatura vode i zraka, a na ovaj dio nam otpada približno 20 % ukupno odvedene topline
U ovisnosti od temperature i sadržaja vlage u zraku će nam ovisiti i maksimalna (teorijska) odvedena toplina po jedinici mase cirkuliranog zraka, pri čemu nam je temperatura mokrog termometra pokazatelj vlage zraka. U idealnom slučaju je temperatura mokrog termometra teorijski najniža temperatura do koje se voda može ohladiti nastrujavanim zrakom. Zbog činjenice da je nemoguće postići idealan kontakt između cjelokupne količine vode s nastrujavanim zrakom, pri strujanju vodenog filma preko ispune tornja, to se u stvarnosti temperatura hlađene vode približava, ali ne može biti jednaka temperaturi mokrog termometra zraka koji struji kroz toranj. Zbog svega navedenog se u praksi rashladni tornjevi rijetko projektiraju za približavanje temperaturi mokrog termometra manje od 3°C.
Sama funkcionalnost nekog tornja, kao i njegova veličina ovisiti će nam o slijedećim faktorima:
- temperaturnoj razlici vode koju hladimo (razlika temperatura vode koju smo priveli na toranj kao toplu i temperature vode koju vraćamo na kondenzator)
- približenju temperature hladne vode temperaturi mokrog termometra
- količini vode koju hladimo
- temperaturi mokrog termometra
- brzini vode i zraka kroz saćastu ispunu tornja
- visini samog tornja
- omjeru zraka i vode u procesu
- o stupnju hlađenja
Sam proces i njegovo praćenje je najbolje razmotriti preko slijedećeg primjera, pri čemu nam je na slici 2, predstavljen shematski tok vođenja procesa, a na slici 3 se nalazi taj proces promjene stanja zraka i vode prikazan u h-x dijagramu.
Slika 2. Shema procesa na rashladnom tornju
Slika 3. Promjena stanja zraka i vode u h-x dijagramu
Voda se u gore navedenom procesu hladi s temperature na ulazu, na temperaturu na izlazu iz tornja. S druge pak strane nam entalpija zraka raste od na ulazu na entalpiju na izlazu s tornja. Bilanca topline na samom tornju nam glasi:
toplina odvedena vodi = toplina dovedena zraku,
odnosno, ako to zapišemo u matematičkom obliku, tada dobivamo relaciju:
Gv · cv · (ϑv1 – ϑv2) = Gz · (h2 – h1)
Pri tome nam pojedine oznake u formulama i na slikama 2 i 3, znače slijedeće:
• Gv – količina vode, kg/s
• Gz – količina zraka, kg/s
• cv – specifični toplinski kapacitet vode, kJ/kgK
• ϑv1 – temperatura vode na ulazu u toranj, °C
• ϑv2 – temperatura vode na izlazu iz tornja, °C
• h1 – entalpija zraka na ulazu, kJ/kg
• h2 – entalpija zraka na izlazu, kJ/kg
• ϑ1 – temperatura zraka na ulazu, °C
• ϑ1m.t. – temperatura mokrog termometra, °C
• ϑ2 – temperatura zraka na izlazu, °C
Regulacija učinka rashladnih tornjeva
Regulaciju učinka rashladnih tornjeva se može provesti na dva osnovna načina:
- regulacijom učinka na strani zraka
- regulacijom učinka na strani vode
Regulacija učinka rashladnog tornja na strani zraka
Imamo dvije moguće regulacije kada govorimo o regulaciji učinka rashladnog tornja na strani zraka, pri čemu je riječ o kontinuiranoj regulaciji promjenom broja okretaja ili pak prigušenjem struje zraka na ulazu u rashladni toranj, ili možemo provoditi diskontinuiranu regulaciju putem uključivanja i isključivanja rada ventilatora.
Ovdje je važno spomenuti da će termostat napojne vode kondenzatora regulirati rad ventilatora, te će startati ili zaustavljati ventilator, već prema tome raste li temperatura vode na izlazu iz rashladnog tornja ili pada. Tu je naravno riječ o situaciji kada imamo rad samo u vrijeme sezone hlađenja, pa se vrši regulacija na strani zraka, i to s rashladnim tornjem postavljenim izvan građevine, kao što je prikazano na slici 4.
Slika 4. Regulacija rashladnih tornjeva na strani zraka, izvan građevine
Kod velikih tornjeva mogu se primijeniti dvobrzinski ili trobrzinski ventilatori s odgovarajuće stupnjevitom termostatskom regulacijom. Kontinuirana regulacija na strani zraka zahtijeva izvedbe elektromotora ventilatora s promjenjivim brojem okretaja ili s mehanizmom za zakretanje lopatica rotora. Kada temperatura vode padne ispod namještene granične vrijednosti temperature, termostat isključuje rad ventilatora, zatvara ventil V1, a otvara ventil V2, pa je time osigurana regulacija vode kroz kondenzator. Ovdje je ventil V2 manjih dimenzija, a uloga mu je osigurati cirkulaciju kroz kondenzator radi zaštite crpke. U tom se slučaju automatski otvara ventil za dovod ogrijevnog medija, radi zaštite od smrzavanja vode u bazenu tornja. Kod upuštanja ventilatora u rad zatvaraju se svi prethodno otvoreni ventili, te se otvara ventil V1. Ako se mokri rashladni toranj upotrebljava u zimskom razdoblju, tada se primjenjuje zaštita od smrzavanja ugradnjom grijača u bazen tornja. Ova zaštita se primjenjuje do temperature okoline od -5°C, a kod nižih temperatura okoline se prazni voda iz sustava tornja po prestanku rada.
Ako pak želimo djelotvorniju zaštitu od smrzavanja, tada trebamo provesti sistem u kojemu je bazen tornja postavljen u grijani prostor građevine.
Tornjevi koji rade cijelu godinu zahtijevaju opsežan regulacijski sustav. Kod malih sustava i sustava srednje veličine postavljaju se tornjevi unutar građevine tako da se moduliranjem zaklopki varira protok zraka koji osigurava odgovarajuću regulaciju učinka tornja, kao što je to prikazano na slici 5, pri čemu se u slučaju potpuno zatvorene zaklopke zaustavlja rad ventilatora.
Slika 5. Regulacija na strani zraka, u građevini
Regulacija učinka rashladnog tornja na strani vode
Ovaj sistem regulacije je prikazan na slici 6. Tu se regulacija zasniva na načelu održavanja stalne temperature vode na izlazu iz kondenzatora, pa ukoliko se promijeni temperatura vode na izlazu iz kondenzatora na manju vrijednost, tada temperaturni osjetnik T putem regulatora R upravlja radom troputnog konvergentnog regulacijskog ventila, te skreće tok vode na izlazu iz kondenzatora u obilazni vod prema troputnom regulacijskom ventilu, te se na taj način mijenja učinak tornja.
Ovdje je u cjevovodu prema distributoru ugrađen osjetnik protoka koji blokira rad ventilatora kada je obilazni vod troputnog ventila potpuno otvoren.
Slika 6. Regulacija rashladnih tornjeva na strani vode
Vrste rashladnih tornjeva
Na kraju ćemo još jednom dati susatvni pregled vrsta rashladnih tornjeva.
Dijele se prema tipu strujanja (prirodna ili mehanička cirkulacija) i prema smjeru strujanja zraka (križno ili protusmjerno). Rashladni tornjevi s prisilnom cirkulacijom (mehaničkom) se još mogu podjeliti na tlačne i inducirane.
Rashladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom
Rashladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom se ponekad i zovu hiperboličnim tornjevima zbog svojeg karakterističnog oblika i funkcioniranja tornja. Njima nije potreban ventilator zato što su dizajnirani na način da iskoriste razliku u gustoći između zraka koji ulazi u toranj i toplijeg zraka unutar samog tornja.
Topao i vlažan zrak unutar tornja je manje gustoće i on se podiže prema gore, dok se hladan i gušći zrak spušta prema donjem dijelu tornja. Razlog zašto je rashladni toranj tako visok (do 200m) je zato što je potrebno potaknuti adekvatno strujanje zraka. Rashladni tornjevi s prirodnom cirkulacijom mogu imati protustrujno ili križno strujanje zraka. Moraju imati eliminator kapljica kako manje kapljice ne bi otišle sa strujom zraka. Zbog gubitka vode potrebno je dodavati svježu vodu. Punilo tornja ima letvice raznih oblika koje usporavaju padanje vode i povećavaju površinu izmjene, a cilj im je intenzivirati interakciju vode i zraka, a pri tome termodinamički ne sudjeluju u procesu.
Rashladni tornjevi s prisilnim strujanjem
Rashladni tornjevi s prisilnim strujanjem koriste ventilator za strujanje zraka prema dnu tornja. Strujanje zraka može biti inducirano i tlačno. Može ih se još podijeliti na rashladne tornjeve s križnim i protusmjernim strujanjem. Skoro svi rashladni tornjevi s prisilnom cirkulacijom su protusmjerni. Oni daju pouzdaniji protok zraka i time je efikasnost veća. Snaga ventilatora je razmjerno mala s obzirom na izmjenjeni toplinski tok (1:100), ali kod postrojenja od npr. 100 000 kW bila bi potrebna snaga ventilatora od 1000 kW što je jako puno, pa se u to slučaju prelazi na rashladne tornjeve s prirodnim strujanjem. Karakterizira ih manja dimenzija izmjenjivačke površine i niža izlazna temperatura medija koji se hladi, te ukupne manje dimenzije. Toplinski učin rashladnog tornja prije svega ovisi o temperaturi vlažnog termometra zraka. Temperatura suhog termometra i relativna vlažnost imaju neznatan utjecaj na toplinski učinak rashladnih tornjeva s prisilnim strujanjem, ali utječu na količinu ishlapljene vode unutar rashladnog tornja. Zagrijavanje zraka može se podijeliti na osjetni dio i na latentni dio topline koju zrak preuzima hlađenjem vode. Ako se ulaznom zraku povećava temperatura suhog termometra, uz nepromjenjenu temperaturu vlažnog termometra, ukupna izmjena topline ostaje ista, ali se mijenja omjer izmjenjene osjetne i latentne topline.
Rashladni tornjevi s protusmjenrim strujanjem
Kod protusmjernog rashladnog tornja s induciranim strujanjem, ventilator je smješten niz struju zraka u odnosu na ispunu tornja, na izlazu zraka, pri vrhu uređaja. Zbog ishlapljivanja male količine kondenzatorske vode (oko 1% protoka), temperatura vode se postupno smanjuje tijekom njezinog slijevanja kroz ispunu tornja protusmjerno od zraka. Veće kapljice vode nošene strujom zraka odvajaju se na eliminatoru kapi. Struja zraka izlazi pri vrhu tornja i ispušta se u okoliš. Voda ohlađena ishlapljivanjem pada u sabirnu posudu odakle se odvodi prema kondenzatoru. Takav sustav omogućuje dobru izmjenu topline zato što najhladniji zrak dolazi u kontakt sa najhladnijom vodom.
Protusmjerni rashladni toranj s tlačnim strujanjem
Ventilator je smješten na ulazu zraka, pri dnu uređaja tj. uz struju zraka u odnosu na ispunu tornja. Radne karakteristike su slične onima kod protusmjernog rashladnog tornja s induciranim strujanjem. Prednosti su da su vibracije manje u usporedbi s tornjem s induciranim strujanjem, jer se ventilator nalazi bliže dnu i to daje bolji efekt ishlapljivanja ako centrifugalni ventilator puše direktno u posudu s vodom. Neki nedostaci ovog rashladnog tornja su nejednolika raspodjela struje zraka kroz ispunu tornja uslijed puhanja tlačnog ventilatora, uslijed velike brzine ulaznog zraka može doći do prijenosa dijela toplog i vlažnog istrošenog zraka. Ti rashladni tornjevi se uglavnom koriste kod malih i srednje velikih postrojenja.
Križni rashladni toranj
Kod križnih rashladnih tornjeva zrak poprečno struji na vodu koja se cijedi kroz punilo. Ventilator je smješten niz struju zraka u odnosu na ispunu tornja, na izlazu zraka pri vrhu uređaja. Ispuna se nalazi u razini s ulazima zraka. Zrak ulazi u toranj kroz bočne žaluzije i struji vodoravno kroz ispunu i eliminator kapi. Zrak se zatim usmjerava prema gore i izlazi pri vrhu uređaja. Voda se raspršuje iz sapnica, pada preko ispune i dolazi do križnog strujanja vode i struje zraka. Križni rashladni toranj s induciranim strujanjem ima povećanu površinu za ulaz zraka. Uslijed križnog strujanja, ovakav toranj može biti znatno niži od protusmjernog tornja. Negativna strana te izvedbe je povećan rizik od recirkulacije istrošenog zraka iz tornja.
Neven Martinić, dipl.ing.stroj.
Literatura:
Neven Martinić, dipl.ing.stroj. (Diplomski rad, Zagreb, 2001. godina), “Projektno rješenje toplinske i rashladne stanice”
Wikipedia: https://hr.wikipedia.org/wiki/Rashladni_toranj
