Ce este un turn de răcire de tip închis și când ar trebui să utilizați unul?

Cum funcționează de fapt un turn de răcire de tip închis

A turn de răcire de tip închis - denumit și turn de răcire cu circuit închis, turn de răcire cu circuit închis sau răcitor de fluid - respinge căldura dintr-un fluid de proces fără a permite vreodată acel fluid să intre în contact direct cu aerul exterior sau cu apa pulverizată utilizată pentru răcire. Această separare fundamentală este ceea ce îl deosebește de un turn convențional de răcire deschis și este sursa aproape tuturor avantajelor practice oferite de designul închis.

În interiorul unui turn de răcire cu circuit închis, fluidul fierbinte de proces (de obicei apă sau un amestec de apă-glicol) circulă printr-o bobină etanșă sau un fascicul de tuburi situat în structura turnului. Acesta este circuitul primar - este complet izolat de mediul exterior. Simultan, un circuit secundar pompează apă pulverizată (uneori numită apă de bazin sau apă de recirculare) peste suprafața exterioară a acelor serpentine de sus. Ventilatoarele atrag aer prin turn, iar combinația dintre mișcarea aerului și evaporarea apei de pulverizare elimină căldura de pe suprafețele bobinei, răcind fluidul de proces din interior. Fluidul de proces nu atinge niciodată apa de pulverizare, nu atinge niciodată aerul și nu părăsește niciodată bucla etanșă. Transferul de căldură are loc în întregime peste peretele bobinei - o barieră metalică care separă cele două circuite.

În unele configurații, în special în condiții ambientale mai reci, turn de răcire de tip închiss poate funcționa, de asemenea, într-un mod uscat — închiderea apei de pulverizare și bazându-se în întregime pe transferul sensibil de căldură de la suprafața bobinei la aerul în mișcare. Această capacitate hibridă permite operatorilor să reducă în mod semnificativ consumul de apă în perioadele în care temperaturile ambientale sunt suficient de scăzute încât să nu fie necesară răcirea prin evaporare pentru a atinge temperatura necesară de ieșire a procesului.

Turnul de răcire tip închis vs tip deschis: diferențele reale

Comparația dintre turnurile de răcire închise și deschise se rezumă la mai mult decât o simplă preferință de proiectare - implică compromisuri fundamental diferite în ceea ce privește riscul de contaminare, complexitatea întreținerii, consumul de apă, longevitatea echipamentului și costul total de proprietate. Înțelegerea acestor diferențe în termeni specifici este ceea ce permite inginerilor și managerilor de unități să facă selecția corectă pentru o anumită aplicație.

Cea mai critică diferență practică este limitarea temperaturii de apropiere. Un turn de răcire deschis poate răci apa de proces până la 3–5°F (1,7–2,8°C) față de temperatura ambiantă a bulbului umed, deoarece schimbul de căldură este o evaporare directă. Un turn de răcire de tip închis are două rezistențe termice - pelicula de apă pulverizată și peretele bobinei - astfel încât temperatura minimă de apropiere realizabilă este de obicei cu 5-10 ° F (2,8-5,6 ° C) mai mare decât un turn echivalent deschis. În aplicațiile în care atingerea celei mai scăzute temperaturi posibile de alimentare a procesului este critică (cum ar fi apa din condensator de răcire în condiții extreme de vară), această diferență trebuie luată în considerare în proiectarea sistemului, fie prin selectarea unei unități cu circuit închis mai mare, fie acceptând o temperatură de alimentare cu apă a condensatorului puțin mai mare.

Cele trei configurații ale turnurilor de răcire cu circuit închis

Nu toate turnurile de răcire de tip închis sunt construite în același mod. Există trei configurații principale în uz comercial și industrial, fiecare cu geometrie a bobinei, aranjare a fluxului de aer și caracteristici de performanță diferite. Selectarea configurației potrivite depinde de sarcina termică, amprenta disponibilă, debitul necesar și condițiile ambientale.

Turn de răcire cu circuit închis în contracurent

Într-un aranjament în contracurent, aerul intră din partea de jos a turnului și se deplasează în sus prin pachetul de bobine, în timp ce apa pulverizată cade în jos peste suprafețele bobinei de la duzele de distribuție din partea superioară. Fluidul de proces fierbinte care intră în serpentină este expus la cea mai caldă apă pulverizată, în timp ce fluidul de proces răcit care iese din serpentină întâlnește cel mai proaspăt aer care intră în partea de jos. Acest flux contra-direcțional maximizează forța de antrenare a temperaturii în întreaga bobină, rezultând o suprafață mai mică necesară a bobinei pentru o anumită sarcină termică în comparație cu modelele cu flux încrucișat. Turnurile cu circuit închis în contracurent sunt, în general, mai compacte și mai eficiente din punct de vedere termic per unitate de amprentă, dar necesită mai multă energie ventilatorului pentru a atrage aerul în sus împotriva gravitației și prin pachetul de bobine umed.

Turn de răcire cu circuit închis cu flux transversal

Într-o configurație cu flux încrucișat, aerul se deplasează orizontal prin pachetul de bobine, în timp ce apa pulverizată cade vertical în jos. Separarea căilor de curgere a aerului și a apei simplifică structura turnului și are ca rezultat, de obicei, o cădere de presiune statică mai mică pe calea aerului, ceea ce înseamnă un consum mai mic de energie a ventilatorului în comparație cu modelele în contracurent care gestionează aceeași sarcină termică. Turnurile cu circuit închis cu flux încrucișat tind să aibă o amprentă mai lungă, dar înălțime mai mică, ceea ce poate fi avantajos în instalațiile pe acoperiș sau penthouse-uri mecanice cu constrângeri de înălțime. Eficiența termică pe unitatea de suprafață a bobinei este puțin mai mică decât în ​​contracurent, dar aceasta este compensată de obicei de costul de operare redus din cererea mai mică de energie a motorului ventilatorului.

Turn cu circuit închis cu schimbător de căldură extern

O a treia configurație utilizează un turn de răcire deschis standard, asociat cu o placă dedicată sau un schimbător de căldură cu carcasă și tub, instalat între turnul deschis și circuitul de proces. Turnul deschis se ocupă de respingerea evaporativă a căldurii, iar schimbătorul de căldură asigură bariera termică care menține fluidul de proces izolat. Această abordare oferă protecția împotriva contaminării unui sistem cu circuit închis, utilizând în același timp capacitatea de temperatură de apropiere mai scăzută a unui turn deschis - în esență, cel mai bun dintre ambele modele în termeni termici. Compensația este costul de capital suplimentar (schimbătorul de căldură plus conducta de conectare și un circuit suplimentar de pompă), amprenta crescută și un pas suplimentar de transfer de căldură care încă se adaugă la temperatura generală de apropiere. Această configurație este utilizată pe scară largă în instalațiile mari de răcire HVAC, unde sunt necesare simultan atât temperaturi scăzute ale apei din condensator, cât și curățarea fluidului de proces.

Aplicații cheie în care turnurile de răcire de tip închis sunt alegerea potrivită

În timp ce turnurile de răcire cu circuit închis sunt adecvate într-o gamă largă de aplicații industriale și comerciale, există situații specifice în care designul închis este nu doar preferabil, ci practic esențial. Acestea sunt cazurile de utilizare în care protecția împotriva contaminării și avantajele integrității sistemului ale buclei închise justifică costul de capital mai mare și se apropie de penalizarea temperaturii.

• Răcirea proceselor industriale cu echipamente sensibile — Sistemele hidraulice, postrăcitoarele pentru compresoare, circuitele de răcire a cuptorului, unitățile de control al temperaturii de turnare prin injecție și sistemele de răcire cu laser implică toate echipamente în care apa de răcire contaminată provoacă daune catastrofale. Un singur sezon de apă din turnul de răcire deschis care curge printr-un răcitor hidraulic de precizie poate depune suficientă calcară și murdărie biologică pentru a bloca în întregime pasajele. Turnurile de răcire de tip închis împiedică acest lucru, asigurând că fluidul curat și controlat circulă în orice moment prin echipamentul de proces.
• Răcirea centrului de date și a camerei serverelor — Infrastructura de răcire pentru calcularea de înaltă densitate nu poate tolera defecțiuni cauzate de contaminare. Buclele cu apă de răcire de proces (PCW) din centrele de date utilizează de obicei turnuri de răcire cu circuit închis sau răcitoare uscate cu glicol ca cale principală de respingere a căldurii. Orice întrerupere a răcirii cauzează în mod direct timp nefuncțional al serverului, făcând din fiabilitatea și protecția împotriva contaminării buclei închise o cerință centrală de proiectare, mai degrabă decât o actualizare opțională.
• Producție medicală și farmaceutică — Mediile de producție GMP, sistemele HVAC de spital și răcirea proceselor farmaceutice necesită un control documentat al calității apei. Sistemele deschise de apă din turnurile de răcire introduc riscuri de contaminare biologică – inclusiv Legionella – în infrastructura clădirii. Circuitele primare închise cu bucle de apă de pulverizare secundare gestionate cu atenție pot îndeplini standardele de reglementare și de control al contaminării pe care sistemele deschise nu le pot.
• Instalații cu climă rece care necesită protecție împotriva înghețului — Când turnurile de răcire trebuie să funcționeze la temperaturi ambientale sub zero, adăugarea de glicol într-un sistem deschis de turn de răcire necesită tratarea întregului volum de apă - potențial zeci de mii de litri - cu chimie antigel și gestionarea impactului rezultat asupra eficienței transferului de căldură. Într-un turn de răcire de tip închis, glicolul este adăugat numai la circuitul primar (de obicei un volum mult mai mic), în timp ce circuitul secundar de apă de pulverizare poate fi drenat sezonier. Acest lucru este dramatic mai simplu și mai rentabil pentru instalațiile din climatul nordic.
• Sisteme HVAC unde protecția bobinei din aval este o prioritate — Circuitele de apă din condensator care deservesc răcitoarele răcite cu apă beneficiază în mod semnificativ de protecția redusă la murdărie oferită de bucla primară închisă. Murdărirea tubului condensatorului răcitorului de lichid crește direct presiunea de condensare și reduce eficiența răcitorului de lichid - un strat de murdărire de 0,0005 inci pe tuburile condensatorului poate crește consumul de energie al răcitorului de lichid cu 10–15%. Menținerea curată a apei din condensator prin utilizarea unui turn de răcire cu circuit închis menține performanța răcitorului de lichid pe parcursul întregului ciclu de viață al echipamentului.

Dimensionarea unui turn de răcire de tip închis: parametrii care conduc selecția

Dimensionarea corectă a unui turn de răcire cu circuit închis necesită specificarea mai multor parametri interdependenți. Erorile în oricare dintre ele duc la o unitate care este fie supradimensionată (risipă de capital), fie subdimensionată (neîndeplinește temperatura de ieșire a procesului necesară la sarcina de vârf). Iată ce trebuie să definiți înainte de a angaja un producător sau un inginer consultant pentru o selecție.

Sarcina termică (kW sau TR)

Cerința totală de respingere a căldurii a răcitorului cu circuit închis, exprimată în kilowați sau tone de refrigerare. Pentru răcirea procesului, aceasta este suma tuturor aporturilor de căldură de la echipamentul care este răcit. Pentru aplicațiile de apă din condensator HVAC, aceasta este capacitatea de respingere a căldurii a răcitorului în condițiile de proiectare - de obicei, cu 20-30% mai mare decât capacitatea de răcire a răcitorului, în funcție de COP. Specificarea sarcinii termice la condiția de funcționare de vârf reală (nu o cifră nominală sau medie) este esențială; un turn de răcire de tip închis, care este adecvat la sarcina medie, dar insuficient la sarcina maximă de vară, va cauza defecțiuni ale procesului sau defecțiuni ale răcitorului exact în momentul în care fiabilitatea contează cel mai mult.

Temperaturile de intrare și ieșire a fluidului de proces

Temperatura fluidului de proces care intră în turn (admisia din partea fierbinte) și temperatura necesară care iese din turn (ieșirea răcită) definesc intervalul de temperatură în care trebuie să funcționeze turnul. Condițiile obișnuite de proiectare pentru apa din condensator HVAC sunt 95°F (35°C) de intrare, 85°F (29.4°C) de ieșire - un interval de 10°F (5.6°C). Aplicațiile proceselor industriale au adesea game mai largi. O gamă mai largă (pentru aceeași sarcină termică) permite un debit mai mic și potențial un turn mai compact; un interval mai restrâns necesită debite mai mari și o suprafață mai mare a bobinei.

Temperatura de proiectare a becului umed

Temperatura ambiantă a bulbului umed este condiția atmosferică față de care funcționează turnul de răcire de tip închis. Aceasta este temperatura la care o suprafață răcită prin evaporare se apropie în condițiile de umiditate predominante. Selectarea turnului de răcire se face întotdeauna în funcție de temperatura de proiectare locală a becului umed - de obicei, valoarea de depășire de 1% sau 0,4% din datele climatice ASHRAE pentru locația de instalare. Diferența dintre temperatura necesară de ieșire a procesului și temperatura de proiectare a bulbului umed este temperatura de apropiere. Pentru un turn cu circuit închis, temperaturile de apropiere de 8–15°F (4,4–8,3°C) sunt tipice în condițiile de proiectare. Specificarea unei temperaturi de apropiere care este prea optimistă va avea ca rezultat o unitate care nu poate atinge temperatura de ieșire necesară în cele mai călduroase zile ale anului.

Debitul

Debitul volumetric al fluidului de proces primar prin bobina cu circuit închis, de obicei exprimat în galoane pe minut (GPM) sau litri pe secundă (L/s). Debitul este derivat din sarcina termică și intervalul de temperatură necesar: Debit (GPM) = Încărcare termică (BTU/h) ÷ (500 × ΔT °F). Obținerea corectă a debitului contează nu doar pentru performanța termică, ci și pentru căderea de presiune pe bobină - care determină dimensiunea pompei necesară în circuitul primar.

Tratarea apei pentru turnuri de răcire de tip închis

O concepție greșită obișnuită despre turnurile de răcire cu circuit închis este că bucla primară închisă elimină nevoia de tratare a apei. În timp ce circuitul primar necesită mult mai puțin tratament decât un sistem deschis echivalent, circuitul secundar de apă pulverizată - bucla care circulă apa peste pachetul de serpentine - funcționează în esență în aceleași condiții ca un turn de răcire deschis și necesită un program cuprinzător de tratare a apei. Neglijarea circuitului secundar duce la acumularea de calcar pe exteriorul bobinei, murdărirea microbiologică și riscul de Legionella, toate acestea degradând performanța turnului și creând o potențială răspundere pentru sănătatea publică.

Cerințe de tratare a apei din circuitul secundar

Apa de pulverizare secundară dintr-un turn de răcire de tip închis este expusă atmosferei, concentrează mineralele dizolvate prin evaporare și funcționează la temperaturi care susțin creșterea biologică. Cerințele de bază ale tratamentului sunt:

• Inhibitori de detartrare si coroziune — Concentrate de evaporare calciu, magneziu și silice dizolvate în apa din bazin. Fără inhibitori de calcar (de obicei agenți de prag sau dispersanți polimerici), pe suprafața exterioară a bobinei se formează depuneri de calcar de carbonat, acționând ca un strat izolator care reduce direct eficiența transferului de căldură. Un strat de scară de 1 mm pe exteriorul bobinei poate reduce puterea termică a turnului cu 10–20%. Inhibitorii de coroziune protejează bazinul, sistemul de distribuție și exteriorul bobinei de atacul oxidativ.
• Tratament biocid — Temperaturile apei de pulverizare în intervalul 20–45°C (68–113°F) sunt ideale pentru Legionella și alte bacterii. Un program de biocid oxidant – de obicei bazat pe clor (hipoclorit de sodiu) sau compuși cu brom – menținut la niveluri reziduale adecvate asigură un control biologic continuu. Biocidele neoxidante sunt adăugate periodic ca tratamente de șoc pentru a aborda organismele care dezvoltă rezistență la programul de oxidare primară. Reziduul de clor liber din bazin trebuie menținut între 0,5-2,0 ppm.
• Controlul purgerii — Pe măsură ce apa se evaporă, solidele dizolvate se concentrează în bazin. Raportul de concentrație (cicluri de concentrare) trebuie controlat prin purjare - descărcarea controlată a apei concentrate din bazin și înlocuirea cu apă proaspătă de completare. Majoritatea circuitelor secundare ale turnului de răcire de tip închis sunt proiectate să funcționeze la 3-5 cicluri de concentrație, controlate fie de o supapă de purjare temporizată, fie de un controler de conductivitate care automatizează purjarea pe baza solidelor dizolvate măsurate.

Tratamentul circuitului primar

Circuitul primar închis nu se evaporă și nu schimbă apa cu atmosfera, deci nu concentrează sau acumulează aceeași sarcină de contaminare ca și circuitul secundar. Cu toate acestea, necesită încă tratament inițial și monitorizare periodică. Apa de umplere inițială trebuie tratată cu un inhibitor de coroziune corespunzător metalelor din circuit (de obicei inhibitori pe bază de molibdat sau nitriți pentru sistemele cu metale mixte). Dacă se folosește glicolul pentru protecția împotriva înghețului, concentrația de glicol trebuie menținută la un nivel adecvat pentru cea mai scăzută temperatură ambientală așteptată și verificată cel puțin o dată pe an – glicolul se degradează în timp, iar glicolul degradat devine coroziv. pH-ul trebuie menținut între 7,5 și 9,5, iar conductivitatea trebuie monitorizată pentru a detecta orice contaminare încrucișată din circuitul secundar, care ar indica o scurgere a bobinei.

Program de întreținere și puncte de inspecție

Turnurile de răcire de tip închis sunt mai îngăduitoare decât turnurile deschise în ceea ce privește întreținerea determinată de contaminare, dar nu necesită întreținere. Un program structurat de întreținere preventivă menține turnul să funcționeze la capacitatea nominală, prelungește durata de viață a echipamentului și satisface cerințele de reglementare care se aplică echipamentelor de răcire prin evaporare în majoritatea jurisdicțiilor.

• Săptămânal — Verificați și înregistrați chimia apei din circuitul secundar: reziduuri de clor sau brom liber, pH și conductivitate. Inspectați apa din bazin pentru turbiditate vizibilă, resturi sau creștere biologică. Verificați acoperirea duzei de pulverizare verificând dacă toate zonele suprafeței bobinei sunt umezite. Verificați amperajul motorului ventilatorului față de linia de bază - abaterile indică probleme mecanice înainte de apariția defecțiunii.
• Lunar — Inspectați eliminatoarele de derivă pentru deteriorări fizice, blocaje sau deplasări. Eliminatoarele de deriva deteriorate eliberează aerosoli contaminați în aerul înconjurător, ocolind programul de control biologic, indiferent de chimia apei. Curățați resturile de pe bazin și bazin. Lubrifiați lagărele arborelui ventilatorului și verificați tensiunea curelei (dacă sunt utilizate ventilatoare cu transmisie prin curea). Inspectați exteriorul bobinei pentru depuneri vizibile de calcar - depunerile albe sau gri indică faptul că dozarea inhibitorului de calcar este insuficientă sau rata de purjare este prea mică.
• Trimestrial — Testați apa din circuitul secundar pentru Legionella și numărul total de bacterii (Numărarea plăcilor heterotrofice). HPC ar trebui să rămână sub 10.000 cfu/mL; orice detecție a Legionelei peste nivelul de acțiune de reglementare necesită remediere imediată. Spălați zonele cu debit scăzut și secțiunile cu picioare moarte ale circuitului secundar - apa stagnantă este locul principal de amplificare pentru Legionella, indiferent de tratarea apei în vrac. Inspectați tuburile bobinei pentru coroziune sau scurgeri, verificând conductivitatea ridicată sau prezența glicolului în circuitul secundar.
• Anual — Inspecție mecanică completă a ansamblului ventilatorului: starea palelor, integritatea butucului, starea motorului, măsurarea liniei de bază a vibrațiilor. Curățați exteriorul pachetului de bobine folosind spălarea cu apă la presiune joasă sau curățarea chimică, dacă s-a acumulat calcar peste ceea ce programul inhibitor poate controla. Scurgeți și inspectați bazinul de colectare pentru coroziune, fisuri și acumulare de sedimente. Testați concentrația de glicol și nivelurile de inhibitor în circuitul primar. Verificați dacă supapa de plutire a apei de completare și supapa de control a purjării funcționează corect. Efectuați un test complet de performanță termică și comparați cu specificația originală de proiectare pentru a cuantifica orice pierdere de eficiență.

Procedurile sezoniere de oprire și repornire merită o atenție deosebită. Perioada imediat după o oprire sezonieră - când turnul a stat inactiv cu apă stagnantă - este punctul cu cel mai mare risc din ciclul de creștere a Legionella. Înainte de a reporni după orice timp de nefuncționare prelungit, circuitul secundar trebuie golit, curățat, reumplut cu apă proaspătă și supus unui tratament de șoc cu hiperclorurare (10-20 ppm clor liber timp de cel puțin 60 de minute) înainte ca sistemul să fie readus în funcțiune. Această procedură, împreună cu înregistrările documentate privind calitatea apei, formează nucleul unui Program de management al apei conform ASHRAE 188 și cadre de reglementare echivalente în majoritatea jurisdicțiilor.

Probleme comune și cum să le diagnosticăm

Chiar și turnurile de răcire închise bine întreținute întâmpină probleme de funcționare. Recunoașterea din timp a simptomelor problemelor comune le împiedică să se transforme în întreruperi ale sistemului sau incidente de reglementare.

• Răcire insuficientă — temperatura de ieșire a procesului peste țintă — Cea mai frecventă cauză este acumularea de calcar pe exteriorul bobinei, reducând conductivitatea termică. Cauzele secundare includ acoperirea insuficientă a apei de pulverizare (duze blocate sau nealiniate), fluxul de aer redus al ventilatorului (curele uzate, prizele de aer murdare, palele ventilatorului deteriorate) sau condițiile ambientale care depășesc temperatura proiectată a becului umed. Începeți diagnosticarea verificând temperatura ambiantă a bulbului umed în raport cu condiția de proiectare, apoi inspectați vizual suprafața bobinei, apoi verificați acoperirea pulverizării și performanța ventilatorului.
• Conductivitate ridicată a bazinului în ciuda purgerii corecte — Indică fie o scurgere din bobină (se scurge lichid de proces în circuitul secundar) fie o problemă de calitate a apei de completare. Testați apa din bazin pentru glicol (dacă circuitul primar folosește glicol) sau măsurați conductivitatea rezervorului în raport cu conductivitatea apei de completare - un vârf de conductivitate dincolo de ceea ce prezice formula ciclurilor de concentrație indică o sursă externă de solide dizolvate, cel mai probabil o perforare a bobinei.
• Depuneri albe pe exteriorul bobinei — Calcar de carbonat sau silice din circuitul secundar. Indică rata de dozare a inhibitorului de calcar este insuficientă, ciclurile de concentrare sunt prea mari (rata de purjare prea scăzută) sau tipul de inhibitor nu se potrivește cu chimia apei de umplere. Analizați apa de machiaj pentru duritate, alcalinitate și silice și ajustați programul de tratament în consecință.
• Slime biologic în bazin sau pe medii de umplere — Indică faptul că reziduurile de biocid nu sunt menținute. Verificați funcționarea pompei de dozare a biocidului, verificați dacă produsul biocid corect este utilizat și la rata de dozare corectă și verificați incompatibilitatea chimică între biocid și inhibitorul de calcar (unele combinații se neutralizează reciproc). Dozați de șoc cu un biocid neoxidant și revizuiți programul de chimie a apei cu un specialist în tratare.
• Vibrații sau zgomote neobișnuite de la ansamblul ventilatorului — Dezechilibrul paletelor ventilatorului (din cauza acumulării de gheață, depuneri de calcar pe pale sau daune fizice), rulmenți uzați sau conexiuni mecanice slăbite. Nu continuați să utilizați un ventilator vibrant al turnului de răcire fără investigație - defecțiunile cauzate de oboseală cauzate de dezechilibru în ansamblurile ventilatoare pot fi catastrofale. Opriți ventilatorul afectat și efectuați o inspecție fizică înainte de repornire.