Wieże chłodnicze w przemysłowych systemach chłodzenia – znaczenie, rodzaje i zasada działania
Wieże chłodnicze są istotnym elementem instalacji chłodniczych w różnych obiektach przemysłowych czy komercyjnych. Mają bezpośrednie przełożenie na efektywność systemu chłodzenia, a pośrednio także na wydajność poszczególnych procesów technologicznych.
Spis treści
- Wieże chłodnicze – ogólna zasada działania
- Rodzaje wież chłodniczych
- Wieże chłodnicze otwarte
- Wieże chłodnicze o zamkniętym układzie chłodzenia
- Wieże chłodnicze mokro-suche
- Wieże chłodnicze z ciągiem naturalnym
- Wieże chłodnicze z ciągiem mechanicznym
- Wieże chłodnicze z wymuszonym przepływem krzyżowym
- Wieże chłodnicze z przepływem przeciwprądowym
- Podsumowanie
Wieże chłodnicze, określane również mianem chłodni wyparnych, stosowane są w różnych obiektach przemysłowych (najczęściej na dachach hal przemysłowych) już od ponad wieku. Przez ten czas oczywiście znacząco ewoluowały – ich efektywność chłodzenia stale wzrasta i obecnie są zaawansowanymi technologicznie urządzeniami, które są w stanie rozpraszać znaczne ilości ciepła. Jednocześnie dostosowują się one do pojawiających się nowych wymogów związanych z ochroną środowiska i efektywnością energetyczną.
Wieże chłodnicze – ogólna zasada działania
Wieże chłodnicze są tym elementem instalacji chłodniczych (klimatyzacji) w obiektach przemysłowych, w którym dochodzi do schłodzenia dużych ilości wody lub innego czynnika chłodzącego, a tym samym do odprowadzenia ciepła poza system. Ciecz chłodząca krąży przez cały układ chłodzenia, pobierając ciepło z różnych źródeł (m.in. z maszyn produkcyjnych, realizowanych procesów technologicznych czy nawet z wnętrza różnych pomieszczeń). Następnie, już znacznie cieplejsza, trafia do wieży chłodniczej, gdzie następuje proces jej schładzania (na zasadzie wymiany ciepła). Ciepła woda oddaje swoje ciepło (np. poprzez parowanie pewnej ilości wody) do powietrza, a ciepłe powietrze jest następnie wydalane poza obiekt. Schłodzona woda gromadzona jest na dnie wieży (w tzw. basenie lub wannie), skąd ponownie wtłaczana jest do systemu chłodzenia danego obiektu przemysłowego.
Sam proces wymiany ciepła i schładzania wody procesowej może się różnić. Zależy on od konstrukcji wieży chłodniczej i znajdującej się w niej instalacji schładzania czynnika chłodzącego. Dominujące są tzw. wieże wyparne, w których proces schładzania wody opiera się na odparowaniu części wody (wraz z ciepłem z całej cieczy), która jest rozpylana na dużej powierzchni, co ma przyspieszyć proces parowania. Popularne są również rozwiązania, w których wykorzystuje się wymienniki ciepła – wymiana ciepła w tych instalacjach odbywa się przez całą powierzchnię wymienników.
Rodzaje wież chłodniczych
Wieże chłodnicze mogą różnić się konstrukcją, metodą schładzania cieczy chłodzącej czy drogą przepływu tej cieczy i powietrza. Z tego też względu można dokonać kilku różnych klasyfikacji tego typu urządzeń chłodniczych, jakie można dziś spotkać w obiektach przemysłowych.
- Według jednego z najczęściej stosowanych podziałów wyróżniamy otwarte i zamknięte wieże chłodnicze albo wieże z otwartym lub zamkniętym układem chłodzenia.
- Uwzględniając sposób zasysania powietrza i jego wydalanie na zewnątrz obiektu, wyróżnia się dwa główne typy wież chłodniczych, tj. wieże z ciągiem naturalnym i z ciągiem mechanicznym (wymuszonym).
- Ze względu na różne przepływy cieczy chłodniczej i powietrza można wyróżnić dwa główne rodzaje instalacji chłodni kominowych – wieże chłodnicze z wymuszonym przepływem krzyżowym i wieży z przepływem przeciwprądowym.
Wieże chłodnicze otwarte
Działają na zasadzie otwartego chłodzenia wyparnego. Ciepły czynnik chłodniczy przepływa przez wieżę w górnej części instalacji, a następnie spływa w dolne rejony wieży chłodniczej. W tym czasie następuje bezpośredni kontakt cieczy z chłodniejszym powietrzem z otoczenia (stąd też stosowane określenie mokrych wieży chłodniczych) i w efekcie parowania dyfuzyjnego (będącego efektem różnicy temperatur między cieczą a powietrzem) dochodzi do odparowania części tej cieczy i jej schłodzenia. Proces ten zachodzi w otwartej części chłodni wyparnej, dzięki czemu jego efektywność chłodzenia jest dość duża. Największą wadą takiego mechanizmu schładzania wody są natomiast stosunkowo duże straty wody w efekcie wspomnianego parowania dyfuzyjnego.
Wieże chłodnicze o zamkniętym układzie chłodzenia
W wieżach tego typu krążąca w instalacji woda nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem. Sam proces chłodzenia odbywa się poprzez wymiennik ciepła, przez który przepływa woda, i który jest schładzany przez zraszaną wodę lub tylko przez otaczające powietrze. Ponieważ takie instalacje do wymiany ciepła nie wykorzystują procesu parowania, określa się je również jako suche wieże chłodnicze (suche chłodnie). Zaletą tej metody schładzania czynnika chłodzącego jest jego ochrona przed niepożądanym działaniem ze strony środowiska i różnego rodzaju zanieczyszczeniem.
Wieże chłodnicze mokro-suche
W przypadku podziału na wieże otwarte i zamknięte, a przy okazji na wieże mokre i suche, trzeba również wspomnieć o rozwiązaniu hybrydowym, czyli o układach mieszanych, które wykorzystują elementy wież otwartych i zamkniętych. Tzw. wieże chłodnicze mokro-suche korzystają z obiegu zamkniętego, a sam proces wymiany ciepła może zachodzić zarówno w procesie mokrym, jak i suchym. Uzyskuje się to poprzez odpowiednią regulację przepływu cieczy chłodzącej i powietrza. Rozwiązanie hybrydowe pozwala ograniczyć zużycie wody i zwiększa efektywność energetyczną całego procesu. Sprawdza się w tych obiektach przemysłowych, w których panują zmienne warunki atmosferyczne i mogą one mieć wpływ na efektywność układu chłodzenia.
Wieże chłodnicze z ciągiem naturalnym
Wieże te wykorzystują zjawisko konwekcji powietrza i tzw. efekt komina. Ciepłe i zarazem wilgotne powietrze ma mniejszą gęstość i jest tym samym „lżejsze” niż powietrze suche i chłodniejsze. W efekcie w wieży dochodzi do naturalnego (bez udziału innych urządzeń) ruchu cieplejszych mas powietrza ku górze, umożliwiając szybsze parowanie, a tym samym chłodzenie wody. Rozwiązanie to, ponieważ nie wykorzystuje do ruchu powietrza wentylatorów, jest bardziej energooszczędne. Żeby jednak zagwarantować odpowiednią efektywność procesu parowania i chłodzenia, wieże z ciągiem naturalnym muszą mieć odpowiednio dużą powierzchnię i kształt komina.
Wieże chłodnicze z ciągiem mechanicznym
Urządzenia te do usuwania na zewnątrz obiektu ogrzanego powietrza wykorzystują wentylatory umieszczone w odpowiednim miejscu w wieży chłodniczej. Od ich lokalizacji zależy, czy mówimy o ciągu indukowanym, czy o ciągu wymuszonym.
Wieże chłodnicze z ciągiem indukowanym mają wentylator umieszczony na wylocie (szczycie wieży), który zasysa powietrze do góry wieży. Powietrze, przepływając przez wypełnienie z ciepłą wodą, powoduje jej częściowe parowanie i schłodzenie. W wieżach z ciągiem wymuszonym wentylator, który znajduje się w dolnej części wieży, wypycha powietrze w kierunku wylotu. W przypadku wież z ciągiem indukowanym wychodzące powietrze porusza się z większą prędkością niż powietrze zasysane do wieży, co zmniejsza możliwość recyrkulacji, czyli ponownego zassania wydmuchiwanego powietrza. Wieże z ciągiem wymuszonym są tym samym mniej wydajne i zazwyczaj wymagają użycia silnika wentylatora o większej mocy.
Wieże chłodnicze z wymuszonym przepływem krzyżowym
Mają konstrukcję, w której suche powietrze jest kierowane prostopadle przez wypełnienie ze spływającą w dół wieży cieczą chłodzącą. Po przeniknięciu przez wypełnienie z wodą i jej schłodzeniu powietrze jest następnie wypychane przez wentylator poza wieżę chłodniczą.
Wieże chłodnicze z przepływem przeciwprądowym
W urządzeniach tego typu powietrze i woda przepływają w przeciwnych kierunkach. Powietrze jest wtłaczane najpierw do otwartej przestrzeni poniżej wypełnienia, do którego woda jest wtryskiwana przez dysze ciśnieniowe. Woda pod wpływem grawitacji opada w dół konstrukcji, zaś powietrze jest wypychane do góry wieży. Dzięki temu, że woda jest rozpylona, większa jest efektywność jej chłodzenia. Rozwiązanie to wymaga jednak stosowania większych pomp, co podnosi koszt początkowy instalacji.
Podsumowanie
Przemysłowe wieże chłodnicze są ważnym elementem infrastruktury w zakładach energetycznych, petrochemicznych i innych obiektach przemysłowych, w których konieczne jest odprowadzanie znacznych ilości ciepła odpadowego. Odgrywają istotną rolę w zapewnieniu odpowiedniej efektywności chłodzenia, co ma bezpośredni wpływ na jakość produkcji, a tym samym rentowność przedsiębiorstw. Jednak z całą pewnością konieczność zwiększania efektywności energetycznej, ograniczania zużycia zasobów (przede wszystkim wody) czy minimalizowania kosztów funkcjonowania systemów chłodzenia będzie wymuszał w najbliższej przyszłości również dalszą ewolucję wież chłodniczych.
