Modulo 5 Torri di raffreddamento

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale Modulo 5 Torri di raffreddamento Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Dott. Ing. Michele Gambuti Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 In molti processi industriali ove occorra raffreddare grandi portate di acqua, si utilizzano torri di raffreddamento. Sono scambiatori a miscela acqua-aria nei quali, oltre allo scambio di calore si effettua anche uno scambio di materia, in quanto parte dell acqua può vaporizzare fino a saturazione dell aria. Ad esempio, uno degli utilizzatori possibili della torre di raffreddamento è il serbatoio di raffreddamento in figura. Se l impianto è di dimensioni importanti, non è conveniente alimentare il serbatoio con acqua proveniente dall acquedotto e scaricare in fogna attraverso il troppo pieno. L acqua dal serbatoio viene quindi inviata alla torre, si raffredda e ritorna al serbatoio. 2/17

3 Architettura G = portata di acqua da raffreddare c: calda (ingresso) f: fredda (uscita) G a = portata di aria 1: ingresso aria 2: uscita aria g = acqua di reintegro 0: ingresso reintegro g s = acqua di spurgo 3/17

4 L aria entra dal basso e risale la torre di raffreddamento scaldandosi a spese dell acqua che scende. L acqua calda viene inserita dall alto, si raffredda incontrando l aria in controcorrente e viene raccolta in una vasca nella parte inferiore della torre. L iniezione avviene attraverso spruzzatori atomizzatori che, realizzando goccioline molto piccole ( μm), consentono di aumentare ulteriormente la superficie di scambio aria-acqua. Inoltre fra iniezione di acqua e aspirazione di aria viene solitamente interposto un pacco di riempimento per favorire il contatto fra aria e acqua. La vasca di raccolta è dotata di spurgo per limitare la la concentrazione di sali disciolti in acqua ed è dotata di reintegro per compensare il trascinamento, l evaporazione e lo spurgo stesso. Nella soluzione a) la circolazione dell aria è garantita da un ventilatore centrifugo che agisce sull aria all ammissione in torre, mentre nella soluzione b), più frequente, l aria viene aspirata da un ventilatore assiale posizionato in prossimità dello scarico. Un separatore inerziale limita il trascinamento di goccioline d acqua così da evitare un eccessivo impatto con le pale e con il motore elettrico. 4/17

5 Catalogo di una torre evaporativa Torri di raffreddamento 5/17

6 Diagramma di Mollier dell aria umida L acqua entra in torre a temperatura t c ed esce a temperatura t f, mentre l aria viene richiamata in torre a temperatura t 1 ed esce a temperatura t 2. Si potrebbe pensare che la minima temperatura raggiungibile dall acqua sia la temperatura di ingresso dell aria t 1. Ciò sarebbe vero in uno scambiatore a superficie. In uno scambiatore a miscela, se la superficie di scambio fra aria e acqua fosse esuberante rispetto alle necessità, l acqua raggiungerebbe la temperatura dell aria prima di uscire dal pacco di riempimento e pertanto percorrerebbe una quota del pacco alla stessa temperatura dell aria che la raffredda. Di conseguenza l aria si umidificherebbe senza scambiare calore, ovvero si umidificherebbe secondo la trasformazione isoentalpica 1 3. Ecco quindi che la temperatura di uscita dell acqua dalla torre di raffreddamento può raggiungere valori inferiori rispetto alla temperatura dell aria esterna, comunque superiori al punto di rugiada dell aria di raffreddamento (punto 3): t 3 < t f < t 1 6/17

7 Bilancio di energia L acqua umidifica l aria in ogni caso, ma si ha un abbassamento della temperatura dell acqua rispetto alla temperatura di bulbo secco dell aria solo quando nell ultima parte del pacco di riempimento, l acqua, dopo aver raggiunta la temperatura t 1, può raffreddarsi ulteriormente conducendo l aria stessa al punto di rugiada relativo alla temperatura dell aria ambiente (bulbo secco). Caso 1) L acqua si raffredda solo fino alla temperatura t 1 (superficie di scambio piccola o portata d acqua elevata): Q = G c l t c t 1 = G a H 2 H 1 Caso 2) L acqua raggiunge la temperatura t f < t 1 : Q = G c l t c t f = G a H 2 H 1 Essendo t c t 1 < t c t f, si ha G > G. L aria esce allo stato 2 e non 2 perché c è un piccola quantità di aria che non scambia con l acqua (circa il 2% dell aria). Si ha quindi un rendimento di bypass del 98%. 7/17

8 Bilancio di acqua Evaporazione: L umidificazione di aria comporta la perdita di H 2 O (acqua pura) dalla torre di raffreddamento che andrà quindi reintegrata. G W,e = G a x 2 x 1 Trascinamento: Oltre all H 2 O che evapora, l aria trascina con sé goccioline di acqua. L acqua trascinata non è H 2 O pura, ma contiene anche sali e minerali. Il trascinamento di goccioline è stimabile pari al 10 20% dell acqua evaporata. G W,t = G a x 2 x 1 τ, τ = 0,1 0,2 Trascurando momentaneamente la presenza di uno spurgo, la portata di reintegro è pari a: g = G a x 2 x τ 8/17

9 Bilancio di sali. Il sale esce dalla torre attraverso il trascinamento di goccioline e viene reintrodotto, alla concentrazione dell acquedotto, tramite il reintegro dell acqua. C 0 g = C M G a x 2 x 1 τ C 0 = concentrazione di sali disciolti nell acqua disponibile (es: acquedotto); C M = concentrazione media di sali nell impianto a regime. Sostituendo g = G a x 2 x τ nell equazione di bilancio dei sali si ottiene: C M C 0 = τ 9/17

10 Spurgo L acqua contiene una certa quantità di sali disciolti in soluzione. La durezza di un acqua ne esprime il contenuto di ioni calcio equivalenti e viene misurata in gradi francesi (1 f = 10 mg di CaCO 3 per litro di acqua, ovvero 10 ppm). Più carbonato o bicarbonati di calcio contiene e più un acqua è dura. Questi, precipitando, provocano incrostazioni e riduzioni di passaggio nei tubi. Per la rimozione di calcare occorrono lavaggi con acido che, a lungo andare, possono corrodere e bucare le tubazioni stesse. Man mano che dell H 2 O evapora, la concentrazione di sali all interno della torre aumenta. È quindi importante prevedere uno spurgo di acqua per limitare la concentrazione di sali. Minore è la concentrazione di sali nell acqua fornita dall acquedotto, minore sarà l entità dello spurgo. Teoricamente i carbonati di calcio precipitano sopra gli 80 C, anche se con acqua molto dura la temperatura di precipitazione può risultare più bassa. (Quando si hanno bacini di acqua calda stagnante bisogna tenere ben presente il problema di proliferazione del batterio della legionella, mortale. Deve il suo nome all epidemia acuta che nel 1976 colpì un gruppo di veterani della American Legion riuniti in un albergo di Filadelfia. Il batterio muore sopra i 60 C.) 10/17

11 Se è necessario uno spurgo g s i bilanci visti divengono: 1) bilancio di acqua g = G a x 2 x τ + g s 2) bilancio di sali C 0 g = C M G a x 2 x 1 τ + C M g s da cui si ricava la portata di spurgo: g s = G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ 11/17

12 Bilancio delle portate termiche entranti e uscenti dalla torre di raffreddamento Contributo acqua utenza acqua evaporata acqua trascinata acqua spurgata Potenza termica entrante/reintegrata G c l t c Potenza termica uscente G c l t f G a x 2 x 1 c l t 0 * G a x 2 x 1 τ c l t 0 G a x 2 x 1 τ c l t 2 G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ c l t 0 G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ c l t f aria G a J 1 G a J 2 * N.B.: l acqua evaporata entra a far parte della miscela aria umida e pertanto il contributo termico è già tenuto in considerazione nel termine G a J 2. 12/17

13 Equilibrando le diverse componenti si ha: Torri di raffreddamento G c l t c + G a x 2 x 1 c l t 0 + G a x 2 x 1 τc l t 0 + G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ c l t 0 + G a J 1 = = G c l t f + G a x 2 x 1 τc l t 2 + G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ c l t f + G a J 2 Riorganizzando i termini, la potenza scambiata in torre dall acqua proveniente dall utenza, vale: G c l t c t f = G a J 2 J 1 G a x 2 x 1 c l t 0 + +G a x 2 x 1 τc l t 2 t 0 + G a x 2 x 1 C 0 C M C 0 τ c l t f t 0 13/17

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15 Esercitazione Portata di aria che attraversa la torre: G a = 1,209 kg m 3 m3 1,19 s = 1,44 kg s Portata di acqua evaporata G w,e = 1 g l 1,11 l min 60 s min = 18,5 g s Acqua evaporata per chilogrammo di aria secca: x = G w G a = 18,5 g s 1,44 kg s = 12,85 g kg Verifica potenza scambiata: Q = G c l t c t f = 2,55 kg s 4,187 kj kg K K = 42,7 kw 15/17

16 Modalità di installazione Torri di raffreddamento È necessario che la torre sia installata ad una certa quota h, in maniera tale che ad impianto fermo, le tubazioni svuotandosi non vadano a confluire nel bacino alla base della torre. Qualora la quantità di acqua sia superiore al volume contenuto, essa tracimerebbe provocando allagamenti. NO Sì 16/17

17 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale Modulo 5 Torri di raffreddamento Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Dott. Ing. Michele Gambuti Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna