Systemy wież chłodniczych

Systemy wież chłodniczych mają różne rozmiary i przeznaczenie, od systemów klimatyzacji w budynkach komercyjnych i apartamentowcach po chłodzenie obiektów przemysłowych. Wszystkie mają do wykonania to samo zadanie: pobierają ciepło z miejsca, w którym nie jest to pożądane i oddają je do atmosfery. Aby to zrobić, używają wody z dwóch głównych powodów:

• woda jest tanim nośnikiem ciepła.
• woda ma dużą pojemność cieplną w porównaniu z innymi substancjami.

Jeśli używamy wody do schłodzenia czegoś, oznacza to, że ciepło jest przenoszone do wody, tj. woda ulega podgrzaniu. Za każdym razem, gdy woda jest podgrzewana, prawdopodobnie wystąpią problemy z kamieniem.

Chłodzenie czegoś, to główny cel wieży chłodniczej. Wymiennik ciepła wieży chłodniczej przekazuje ciepło za pośrednictwem medium/nośnika. Na wydajność wieży ma wpływ wiele czynników w tym przepływ czynnika odbierającego ciepło. Pojemność cieplna tego czynnika. Współczynnik wymiany ciepła elementów pośredniczących w wymianie ciepła. Współczynnik wymiany ciepła może się pogarszać w wyniku pojawiania się osadów w pakietach lub rurach wymiennika.

Nazwa „wymiennik ciepła” sugeruje, że wymienia /transferuje ciepło. To założenie jest zasadniczo prawdziwe. Wymiennik ciepła to miejsce, w którym np. woda pochłania energię cieplną ze źródła ciepła, więc źródło ciepła jest chłodzone, a woda chłodząca jest podgrzewana. Woda jest następnie pompowana na szczyt wieży chłodniczej, gdzie jest rozprowadzana przez elementy/pakiety wieży. Woda spadająca i omywająca pakiety w przestrzeni wieży, jest schładzana (głównie przez odparowanie). Woda gromadząca się w basenie na dnie wieży (wanna lub zbiornik),jest pompowana z powrotem do wymiennika ciepła, aby ponownie rozpocząć proces. W systemie wieży chłodniczej mogą używać tak zwanego skraplacza zamiast wymiennika ciepła. Jaka jest więc różnica między skraplaczem a wymiennikiem ciepła?

Gdy źródłem ciepła jest para, a nie gorąca woda, wymiennik ciepła jest określany jako skraplacz, chociaż pod względem budowy są one w zasadzie takie same. Dzieje się tak dlatego, że para skrapla się z powrotem ze stanu gazowego do ciekłego/wody. Te same podstawowe zasady mają zastosowanie zarówno do wodnych, jak i parowych źródeł ciepła.

Jednym z głównych problemów jest powstawanie twardych osadów mineralnych w wymiennikach ciepła. Jak wiemy, kamień ma tendencję do tworzenia się, gdy woda jest podgrzewana, ponieważ woda w określonych parametrach temperaturowych i ciśnieniowych, staje się wodą przesyconą, a więc w wymienniku ciepła powstaje osad. Wymiennik ciepła a tym samym wieża chłodnicza w której powstają osady jest mniej wydajna, ponieważ osad działa jak izolacja termiczna, utrudniając przedostanie się ciepła ze źródła ciepła do wody w wieży.

Inne istotne problemy to biofouling, bakterie i glony. Często namnażają się one w basenie wieży. Basen to zbiornik wody ciepłej i zazwyczaj nie będącej w intensywnym ruchu, a zatem jest idealnym miejscem do wzrostu mikroorganizmów. Zarówno kamień, jak i biofouling można eliminować przez dodanie środków chemicznych (antyskalant i biocyd). Są jednak one kosztowne, wymagają stałego dozowania i mogą szkodzić środowisku. Można również zastosować elektroniczne uzdatniacze wody HydroFLOW, które w większości przypadków znakomicie zastąpią środki chemiczne.

Zrzut wody/ang. Blowdown 

Ponieważ woda stopniowo odparowuje (schładzając się), z czasem staje się coraz gęściejszym koncentratem rozpuszczonych jonów minerałów. Ponadto woda rozpylana w powietrzu, zbiera kurz i inne zanieczyszczenia. Powszechnym sposobem radzenia sobie z gromadzeniem się minerałów i mułów w wieży chłodniczej jest wykonanie zrzutu wody (czasami nazywanego odmulaniem/odsalaniem). Co to jest zrzut wody? „Zrzut wody” to termin oznaczający, że część wody w basenie wieży jest zdrenowana i zastępowana nową wodą. Minerały, brud i zawieszone ciała stałe są usuwane wraz z wyrzuconą wodą. Ta woda musi zostać wymieniona – ta woda zastępcza nazywa się wodą uzupełniającą.

Wieże chłodnicze działają znacznie efektywniej z zainstalowanym automatycznym systemem odmulania, który automatycznie wyrzuca i wymienia część wody za każdym razem, gdy zostanie osiągnięte pewne stężenie rozpuszczonych ciał stałych. Ręczne systemy odmulania/odsalania nie zawsze działają optymalnie i mogą powodować problemy. Producenci zazwyczaj mają zalecenia dotyczące poziomu zasolenia wody mierzonego jej przewodnością. Trzymanie się tych limitów z pewnością wystarczy, aby zapewnić, że nie dojdzie do nadmiernego gromadzenia się kryształów węglanu wapnia. Z punktu widzenia powstawania osadów można zmniejszyć częstotliwość zrzutu wody powyżej limitów producentów (o ile nadal nie tworzą się osady kamienia). Obliczenie ilości wody uzupełniającej połączone jest z „cyklami koncentracji”.

Cykle koncentracji określają, ile razy bardziej skoncentrowana jest woda w obiegu wieży w stosunku do wody uzupełniającej. Jeśli nie podano instrukcji producenta, wówczas bezpieczną zasadą jest to, że zrzut wody jest wykonywany tak często, aby utrzymać stężenie wody (TDS) na poziomie nie wyższym niż 2000 ppm lub na poziomie stężenia nie większym 3-4 razy w stosunku do stężenia wody uzupełniającej. W niektórych sytuacjach woda z chłodni kominowej jest następnie wykorzystywana do innego celu – na przykład w fabryce woda może być później wykorzystana jako woda procesowa, itp.

Całkowita ilość rozpuszczonych substancji stałych (TDS):Całkowite rozpuszczone w wodzie substancje odnoszą się do rozpuszczonych minerałów i soli w wodzie.

Całkowita liczba zawieszonych ciał stałych (TSS): Całkowite zawiesiny stałe są związane z jakością zmętnienia, czyli przezroczystością wody.

Korzystanie z uzdatniaczy HydroFLOW pozwala na zwiększenie cyklów koncentracji i ograniczenie liczby i ilości zrzucanej wody.

Filtracja może również pomóc w usunięciu większych cząstek z basenu wieży, co z kolei zmniejsza wymaganą ilość zrzutu wody. Rodzaj filtracji stosowany w wieżach chłodniczych nazywa się filtracją strumienia bocznego, co oznacza, że tylko część wody jest filtrowana, filtr jest zamontowany na dodatkowej rurze strumienia bocznego, która pobiera wodę z basenu, filtruje ją, a następnie zwraca do basenu. Szybkość, z jaką woda powinna być filtrowana, zależy od szybkości, z jaką przechodzi przez wieżę. Jeśli szybkość filtracji jest bardzo niska, zbyt duża ilość wody zostanie ponownie wysłana do wieży przed przejściem przez filtr. Dobrą zasadą jest to, że natężenie przepływu strumienia bocznego powinno wynosić około 10% głównego natężenia przepływu.

Działanie systemów wież chłodniczych jest najbardziej wydajne, gdy powierzchnie wymiany ciepła są czyste. Są to jednak systemy dynamiczne częściowo ze względu na ich środowisko operacyjne i charakter ich zastosowania. Wieże chłodnicze działają na zewnątrz i dlatego są zazwyczaj otwarte, dzięki czemu są podatne na brud i zanieczyszczenia przenoszone przez wiatr. Ponadto często doświadczają dużych wahań obciążenia, a na ich działanie może mieć znaczący wpływ jakość wody używanej do uzupełnienia. Połączenie czynników procesowych i środowiskowych może przyczynić się do czterech podstawowych problemów występujących w większości recyrkulacyjnych otwartych systemów chłodzenia: korozją, osadzaniem się kamienia, zanieczyszczeniami biologicznymi i aktywnością mikrobiologiczną.

Systemy filtracji bocznej redukują zawieszone ciała stałe i zanieczyszczenia w wodzie chłodzącej system, co prowadzi do mniejszego zanieczyszczenia w systemie. Zmniejszenie liczby zawieszonych ciał stałych może również pomóc w zmniejszeniu wzrostu biologicznego w systemie, ponieważ zawieszone ciała stałe są dobrym źródłem pożywienia dla organizmów mikrobiologicznych. Zmniejszenie wzrostu biologicznego z kolei pomaga zmniejszyć korozję pod wpływem mikrobiologicznym. Ponadto osadzanie się kamienia można zmniejszyć z filtracji bocznej poprzez ograniczenie produktów ubocznych zanieczyszczeń i korozji, które mogą również przyczyniać się do tworzenia się kamienia na powierzchniach wymiany ciepła. Skuteczne zarządzanie jakością wody chłodniczej optymalizuje wydajność systemu, często prowadząc do znacznych oszczędności energii i wody.

Pełny przepływ i filtracja strumienia bocznego to dwie najczęstsze metody filtrowania wody pompowanej do systemów cyrkulacyjnych. Filtracja pełno przepływowa wykorzystuje filtr zainstalowany za wieżą chłodniczą po stronie wylotowej pompy. Filtr ten stale filtruje całą wodę z recyrkulacji w systemie. Filtr musi być tak dobrany, aby obsłużyć projektową szybkość recyrkulacji dla systemu. Z drugiej strony filtracja boczna w sposób ciągły filtruje procent przepływu zamiast całego przepływu. Może to być opłacalna alternatywa dla pełnej filtracji przepływowej, która może łatwo poprawić jakość wody w celu zmniejszenia zużycia wody i zapewnienia wydajności systemów chłodzenia. W przeciwieństwie do filtracji pełno przepływowej, systemy filtracji strumienia bocznego mogą być czyszczone, gdy systemy chłodzenia są w trybie pracy, co eliminuje konieczność przestojów.

Filtracja boczna w połączeniu z uzdatniaczem HydroFLOW wykazała znaczny wzrost oszczędności wody i energii. Powodem jest to, że HydroFLOW „unieszkodliwi” węglan wapnia odbierając jego zdolność do przyczepiania się do powierzchni. Efekt ten pozwoli zwiększyć cykle koncentracji. Oczywiście umożliwi to wzrost TDS, a filtr bocznego strumienia pomoże usunąć te nadmiarowe nieszkodliwe cząstki TSS, zmniejszając w ten sposób potrzebę częstego zrzutu wody i zużywania większej ilości wody do uzupełniania systemu.

Ważnym elementem instalacji, w której zabudowana jest wieża lub wieże chłodnicze jest tzw. agregat chłodniczy. Dość powszechnie uważa się, że wieża chłodnicza jest wyłącznie odpowiedzialna za zapewnienie chłodzenia niezbędnego w systemach chłodzenia i klimatyzacji. Agregat chłodniczy jest równie ważnym elementem, jeśli chodzi o optymalizację systemu chłodzenia.  Agregat chłodniczy podobnie jak i wieża chłodnicza wymaga właściwego zarządzania i kontroli w celu optymalizacji pracy i zużycia energii.

Sprężarka

Sprężarka wytwarza różnicę ciśnień, aby przenosić czynnik chłodniczy wokół układu. Istnieją różne konstrukcje sprężarek chłodniczych, z których najczęstszymi są sprężarki odśrodkowe, śrubowe, spiralne i tłokowe. Każdy typ ma swoje zalety i wady. Zawsze zlokalizowane są pomiędzy parownikiem a skraplaczem. Zwykle ma silnik elektryczny służący do napędu, który jest zamontowany wewnątrz lub na zewnętrz.

Kondensator

Kondensator/skraplacz znajduje się za sprężarką i przed zaworem rozprężnym. Celem skraplacza jest usunięcie ciepła z czynnika chłodniczego, które zostało pobrany w parowniku. Istnieją dwa główne typy skraplaczy, chłodzone powietrzem i chłodzone wodą.

Skraplacze chłodzone wodą będą powtarzalnie cyrkulować „wodę skraplacza” między wieżą chłodniczą a skraplaczem, gorący czynnik chłodniczy, który wchodzi do skraplacza ze sprężarki, przeniesie ciepło do wody, która jest następnie transportowana do wieży chłodniczej. Czynnik chłodniczy i woda nie mieszają się (są oddzielone ścianką rury), woda przepływa wewnątrz rury, a czynnik chłodniczy płynie na zewnątrz.

Zawór rozprężny

Zawór rozprężny znajduje się między skraplaczem a parownikiem. Jego celem jest rozszerzenie czynnika chłodniczego obniżając jego ciśnienie i zwiększając jego objętość, co pozwoli mu odebrać nadmiarowe ciepło w parowniku. Istnieje wiele różnych typów zaworów rozprężnych, najczęstszym jest zawór rozprężny termiczny, elektroniczny zawór rozprężny i zawór rozprężny o stałym otworze.

Parownik

Parownik znajduje się między zaworem rozprężnym a sprężarką, jego celem jest zbieranie niechcianego ciepła i przenoszenie go do czynnika chłodniczego, aby można go było wysłać do wieży chłodniczej i odebrać. Woda ochładza się, gdy ciepło jest pobierane przez czynnik chłodniczy, ta „schłodzona woda” jest następnie pompowana do instalacji chłodzenia np. celu zapewnienia klimatyzacji, Ta „schłodzona woda” następnie wraca do parownika, przynosząc ze sobą odebrane ciepło z instalacji chłodzenia.

Jednostka zasilająca i sterująca

Zasilanie i jednostka sterująca są zazwyczaj montowane są na agregacie chłodniczym. Celem jednostki sterującej jest monitorowanie wydajności agregatu chłodniczego i kontrolowanie ich poprzez dokonywanie regulacji. Jednostka sterująca generuje alarmy oraz bezpiecznie wyłączy system, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia.

Maksymalizacja cykli koncentracji:

Cykle koncentracji to liczba przypadków, w których wieża przetwarza wodę, zanim będzie musiała zostać zrzucona; wyrzucona z obiegu. Jest to liczba określająca wielokrotność użycia świeżej wody uzupełniającej w wieży, zanim rozpuszczone minerały przejdą cykl do punktu, w którym zaczną tworzyć kamień. Trzykrotny cykl koncentracji jest ogólnie uważany za minimalną wydajność. Rzeczywista liczba cykli, które system wieży chłodniczej może obsłużyć, zależy od jakości wody uzupełniającej i sposobu uzdatniania wody. Uzdatnianie wody jest bardzo ważnym elementem sprawnego utrzymania i eksploatacji chłodni kominowej. Dlatego zaleca się , aby każda wieża chłodnicza miała zainstalowane urządzenie HydroFLOW. HydroFLOW pozwoli wieży bezpiecznie pracować przy wyższych współczynnikach stężenia ze względu na zdolność uzdatniacza HydroFLOW do tworzenia kryształów w cieczy a nie twardego kamienia na ścianach instalacji. Można zwiększyć cykle koncentracji z trzech do sześciu. Pozwala to wyliczyć oszczędności wody poprzez zmniejszenie ilości wody uzupełniającej wieżę chłodniczą o 20% i zrzut wody o 50%.

Zmniejszenie zrzutu wody poprzez monitorowanie i zmianę wartości zadanych:

Próbując zminimalizować ilość osadów mineralnych i wzrost mikroorganizmów, wielu operatorów systemów chłodzenia zwiększa zrzut wody, co przekłada się na koszty wody uzupełniającej. Działanie to może jednak również zwiększyć korozję poprzez obniżenie pH. Dlatego ważne jest, aby zainstalować uzdatniacz wody HydroFLOW, ponieważ operator będzie w stanie zmniejszyć ilość i częstotliwość zrzutu wody, poprzez podniesienie wartości zadanej bez wpływu na osadzanie się kamienia, biofouling lub pH.

Instalacja regulatora przewodności, w celu automatycznego sterowania zrzutem wody.

Przewodność jest miarą zdolności wody do przewodzenia elektryczności. W wodzie chłodzącej wskazuje ilość rozpuszczonych minerałów w wodzie. Jak sama nazwa wskazuje, konduktometr lub sterownik stale mierzy przewodność i odprowadza/ zrzuca wodę tylko wtedy, gdy zadana przewodność zostanie przekroczona.

Instalacja przepływomierza na liniach uzupełniających i zrzutu wody, aby skutecznie monitorować układ chłodzenia:

Należy sprawdzić stosunek wolumenu wody uzupełniającej do wolumenu wody zrzucanej, a następnie sprawdzić stosunek przewodności wody zrzucanej do przewodności wody uzupełniającej. Proporcje powinny odpowiadać docelowym cyklom stężenia. Jeśli oba współczynniki nie są mniej więcej takie same, należ y sprawdzić wieżę pod kątem wycieków lub innych źródeł utraty wody. Jeśli system nie działa w docelowych cyklach koncentracji lub w ich pobliżu, należy sprawdzić elementy systemu, w tym regulator przewodności, zawór napełniający wodą uzupełniającą i zawór zrzutowy wody. Poprawna kontrola parametrów daje możliwość oceny oszczędności kosztów wody przy zastosowaniu uzdatniacza HydroFLOW.

Monitorowanie poziom wody w wannie ociekowej/basenie:

Poziom wody w wannie powinien być regularnie sprawdzany, aby upewnić się, że znajduje się on odpowiednio poniżej wylotu przelewowego, aby uniknąć nadmiernej utraty wody.

Filtracja strumienia bocznego:

Innym pomysłem na optymalizację systemu wieży chłodniczej, który wraz z urządzeniem HydroFLOW zapewni poprawę wyników, jest zainstalowanie systemu filtracji strumienia bocznego, który będzie filtrował około 10% wody. Powodem, dla którego filtracja boczna jest bardziej skuteczna w przypadku zainstalowania urządzenia HydroFLOW, jest to, że zawieszone w wodzie kryształy węglanu wapnia, które powstają w wyniku działania HydroFLOW, dramatycznie zwiększą TSS (kryształy mają wielkość 10-50 µm). Ta ilość minerałów powinna zostać usunięta z systemu. Dzięki bocznemu filtrowi strumieniowemu, który wyłapie kryształy węglanu wapnia, można wyeliminować potrzebę zrzutu wody, aby utrzymać zadany TSS. W ten sposób oszczędzając znaczną ilość wody.

Oszczędności związane ze współpracą HydroFLOW wraz z filtracją boczną:

Zainstalowanie urządzenia HydroFLOW wraz z bocznym filtrem strumienia może potencjalnie pozwolić wieży chłodniczej na działanie w 8 cyklach (lub wyższych) stężenia, co zmniejszy znacząco zrzut wody.

Zmniejszenie zużycia wody: Zapotrzebowanie na wodę uzupełniającą w wieżach chłodniczych zmniejsza się wraz ze wzrostem cykli koncentracji systemu. Zasadniczo wyższe cykle stężenia oznaczają, że woda jest recyrkulowana przez system dłużej, zanim wymagane jest jej zrzut. Mniejszy zrzut zmniejsza ilość wody uzupełniającej wymaganej w systemie, co skutkuje oszczędnością wody.

Zmniejszenie zużycia energii: HydroFLOW zmniejsza prawdopodobieństwo osadzania się kamienia i zanieczyszczeń na wymiennikach ciepła. Nawet najmniejsza warstwa kamienia lub zanieczyszczenia na powierzchniach wymiany ciepła mogą zmniejszyć szybkość wymiany ciepła, zmuszając system do cięższej pracy w celu uzyskania wymaganego chłodzenia.

Zmniejszenie zużycia środków chemicznych: uzdatniacz HydroFLOW z technologią Hydropath tworzy zawieszone w wodzie kryształy pozwalając podwyższyć poziom nieszkodliwego TSS, HydroFLOW wpływa jednocześnie na biofilm i zawieszone w wodzie mikroorganizmy, dzięki czemu nie kolonizują one już powierzchni wymiany ciepła w wieży chłodniczej, Zmniejsza to potrzebę dodatkowej obróbki chemicznej (dyspergatory i biocydy).

Niższe koszty konserwacji: Tradycyjnie wieże chłodnicze są czyszczone przez opróżnienie wieży i mechaniczne lub ręczne usuwanie osadu z basenu lub studzienki. Systemy chłodzenia, które są czyszczone za pomocą filtracji bocznej, rutynowo zapewniają dłuższe okresy ciągłej pracy, zanim zostaną wyłączone w celu przeprowadzenia wymaganej konserwacji.

Poprawa wydajności i skrócenie czasu przestojów: Gdy system chłodzenia jest zanieczyszczony lub gromadzi się kamień, produkcja może zostać spowolniona z powodu nieefektywnych urządzeń do wymiany ciepła. W niektórych przypadkach system chłodzenia i sprzęt do wymiany ciepła mogą wymagać wyłączenia w celu naprawy. Stosują uzdatniacz HydroFLOW ograniczymy taką potrzebę.

Kontrola wzrostu biologicznego: Biologiczna kontrola i redukcja wzrostu wpływają na zmniejszenie ryzyka zagrożenia dla zdrowia. Na przykład w przypadku namnażania bakterii Legionella. HydroFLOW wykazał, że może poprawia kontrolę biologiczną systemów chłodzenia.