Nowe trendy w konstrukcji wież chłodniczych i dry-coolerów opierają się m.in. na zmodyfikowanych przepływach powietrza z wykorzystaniem pośredniego chłodzenia wyparnego. Przedstawiono także najbardziej efektywne schematy przepływu powietrza, których wykorzystanie jest planowane w amerykańskich koncernach energetycznych.

Zadaniem wież chłodniczych i dry-coolerów jest schładzanie wody wykorzystywanej w procesach technologicznych. Zazwyczaj jednostki chłodnicze tego typu obniżają temperaturę wody wykorzystywanej w systemach klimatyzacji oraz podczas procesu produkcji energii elektrycznej. Zasada działania dry-coolera (rys. 1) opiera się na obniżeniu temperatury wody technologicznej w przeponowym wymienniku ciepła (1) za pomocą pędu powietrza (2) wywołanego przez zamontowane na obudowie wentylatory (3). Zasadniczą częścią dry-coolera jest chłodnica, przez którą przepływa ochładzane medium. Ruch powietrza wymuszany jest przez wentylatory umieszczone w taki sposób, aby strumień przepływał jednostajnie przez całą powierzchnię wymiennika ciepła. Standardowo chłodnice mają budowę horyzontalną, pionową lub wykonywane są w układzie V. Ponadto dry-coolery mogą być dodatkowo zraszane cieczą, w celu poprawy efektywności ich pracy.

Rys. 1. Zasada działania dry-coolera

Rys. 3. Zasada działania wieży chłodniczej;

Rys. 5. a) tradycyjny wymiennik wyparny; b) wymiennik wyparny z M-obiegiem

Rys. 4. Przykładowa wieża chłodnicza

Wieża chłodnicza działa na podobnych zasadach jak dry-cooler, jednakże przepływająca przez nią woda technologiczna kontaktuje się z powietrzem (rys. 3, 4). Zasada działania wieży chłodniczej przedstawiona jest na rysunku 3: wentylator (1) zasysa powietrze zewnętrzne (2), które przepływa przez wodę rozpylaną za pomocą dysz (3). Ochłodzona wyparnie ciecz gromadzi się w basenie, z którego odprowadzana jest do instalacji.

Głównym czynnikiem określającym efektywność rozpatrywanych urządzeń jest uzyskana temperatura końcowa wody. Zimniejsza woda pozwala na skuteczniejszą pracę agregatów chłodniczych w systemach klimatyzacyjnych, a także na bardziej efektywną i energooszczędną pracę turbin w elektrowniach. Ponadto, niższa temperatura cieczy pozwala na skuteczniejszą kondensację w skraplaczach, a zatem może w znaczący sposób obniżyć koszty eksploatacyjne układów chłodniczych. Typowa konstrukcja wieży opiera się na technologii bezpośredniego wyparnego chłodzenia, dlatego jej efektywność ograniczona jest temperaturą termometru mokrego dostarczonego powietrza. Zatem największą skuteczność omawiane jednostki osiągają w suchych warunkach klimatycznych. Niestety, kraje takie jak Polska (a także większa część UE i USA) leżą w strefie względnie wilgotnego klimatu, który negatywnie wpływa na efektywność bezpośredniego chłodzenia wyparnego. Badania podjęte przez wiele instytucji naukowych [1-3] wykazały, że można znacząco poprawić efektywność wież chłodniczych oraz zraszanych dry-coolerów poprzez wykorzystanie technologii pośredniego ochładzania wyparnego.

Wieże chłodnicze - Obieg Maisotsenki

Obieg Miasotsenki (M-obieg, ang. M-cycle) jest jednym z najbardziej skutecznych termodynamicznie cyklów stosowanych w pośrednim chłodzeniu wyparnym. Jego unikalne właściwości pozwalają na obniżenie temperatury powietrza ochładzanego wyparnie poniżej temperatury termometru mokrego –w warunkach idealnych umożliwia on osiągnięcie temperatury punktu rosy [5-11]. Wymienniki wykorzystujące M-obieg zyskały popularność w Stanach Zjednoczonych, gdzie wykorzystywane są, jako część central klimatyzacyjnych oraz jako samodzielne jednostki chłodnicze [7]. Od niedawna trwają badania nad możliowością wykorzystania obiegu Maisotsenki w wieżach chłodniczych i dry-coolerach. Obieg Maisotsenki w pośrednim wyparnym cyklu chłodniczym opiera się na wstępnym obniżeniu temperatury powietrza odpowiedzialnego za realizację procesów wymiany ciepła i masy w mokrym kanale rekuperatora. Dzięki temu proces obniżania temperatury powietrza dostarczanego użytkownikom pomieszczeń przebiega bardziej efektywnie (rys. 5). Skuteczność M-obiegu w systemach klimatyzacyjnych została wielokrotnie potwierdzona [6-10], dlatego istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że zastosowanie obiegu Maisotsenki w technologiach wież chłodniczych znacząco wpłynie na poprawę ich efektywności.

Praca wieży chłodniczej z obiegiem Maisotsenki (...)

Dry-coolery (…)

Podsumowanie

W powyższym artykule przybliżono działania wież chłodniczych i dry-coolerów, a także wskazano na nowoczesne rozwiązania, trend z konstruowaniu tego typu urządzeń. Zaprezentowano zostały jednostki oparte na pośrednim wyparnym ochładzaniu powietrza, z uwzględnieniem jednego z najbardziej efektywnych cykli chłodniczych w chłodzeniu wyparnym – obiegu Maisotsenki.

Obecnie na Politechnice Wrocławskiej, we współpracy z amerykańskimi instytucjami, trwają prace nad opracowywaniem najbardziej skutecznego rozwiązania wież chłodniczych i dry-coolerów. Wstępne wyniki prac będą sukcesywnie publikowane w kolejnych artykułach.

LITERATURA

[1] GILLAN L., GLANVILLE P., KOZLOV A.: Maisotsenko-cycle enhanced cooling towers, Cooling Technology Institute Annual Conference Materials, San Antonio, Texas, USA, 2011

[2] KOZUBAL E., SLAYZAK S.: Technical Report: Coolerado 5 Ton RTU Performance – Western Cooling Challenge Results, National Renewable Energy Laboratory 8/09

[3] PARKER, S.: Ozone Treatment for Cooling Towers, Recent developments in science and education, National Renewable Energy Laboratory 8/09

[4] Patenty amerykańskie nr: 7,228,699; 7,197,887; 6,776,001; 6,705,096; 6,581,402; 6,497,107

[5] ANISIMOV S., BOLOTIN S.: Badania krzyżowych wymienników ciepła do pośredniego ochładzania powietrza, Wiadomości Międzynarodowej Akademii Nauk Ochrony Środowiska. Ochrona Powietrza Atmosferycznego, 1996, Nr. 2.

[6] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Numerical study of the cross-flow heat and mass exchanger for indirect evaporative cooling, Proceedings of the Xth International Scientific Conference „Indoor Air and Environment Quality”, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Russian Academy of Architecture and Civil Engineering Science, Budapest, Hungary, 2012

[7] GILLAN L., Maisotsenko cycle for cooling process, Clean Air, nr 9/2008, pp. 47- 64

[8] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Modelowanie matematyczne wymienników do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą parowania cieczy o krzyżowym układzie przepływu czynników, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 8/2012, pp. 315-320

[9] ANISIMOV S., PANDELIDIS D, POLUSHKIN V.: The influence of outdoor air parameters on the effi  ciency of cross-flow indirect evaporative heat exchanger, Civil Engineers Bulletin, Russia, 2012, in press

[10] ANISIMOV S., PANDELIDIS D, POLUSHKIN V.: Use of indirect evaporative coolers in solar air conditioning units, Recent developments in science and education, Russia, 2012

[11] ANISIMOV S., PANDELIDIS D.: Efektywność wyparnego ochładzania powietrza, Chłodnictwo & Klimatyzacja, 7/2012, pp. 40-43