Isının Soğutma Kulesi Verimliliğine Etkisi

Soğutma kuleleri, genellikle hem üretim hem de dış ortam koşulları maksimumda olduğunda proses için gerekli olan uygun soğutmayı sağlamak üzere tasarlanır.  Isı yükü maksimumda olmadığında kulenin hava veya su akışı azaltılabilir ve enerji tasarrufu sağlanabilir.

Bir asır önce buhar motoru operatörleri, buhar tahliyesine bir ısı eşanjörü ekleyerek enerji verimliliğini artırabileceklerini keşfettiler. Fikir, buhar sıcaklığını düşüren ve buhar motorunun sıkıştırma oranını azaltan ısı eşanjöründen okyanus veya nehir suyunu akmaktı. Bu, denizcilik uygulamaları için iyi çalıştı, ancak su sayacının ortaya çıkışı buhar makinesinden önce geldiği için, mevcut tek su kaynağının bir belediyeden olduğu kara tabanlı sistemler için çok maliyetliydi. 

Soğutma kuleleri, ısı eşanjörü tarafından kullanılan suyun büyük çoğunluğunu geri alarak karada verimli buhar motoru çalışması sağlamak için icat edildi.

Genel olarak, buharlaşma yoluyla proses suyunu soğutmak için soğutma kuleleri kullanılır. Şekil 1, tipik bir çapraz akışlı soğutma kulesini göstermektedir. Bir su pompası, yüksek sıcaklıktaki proses suyunu nozullardan üstten girmeye zorlar. Nozullar, suyu dolgu olarak bilinen geniş bir yüzey alanına dağıtır. Dolgunun tek işlevi, kulenin dibine ulaşan suyu verimli bir şekilde geciktirmek ve havanın proses suyuyla etkileşime girmesi için daha fazla zaman tanımaktır. Yerçekimi, suyun yavaşça dolgudan geçmesine neden olurken, bir fan havayı su yolu boyunca kulenin dibine (havza) ulaşana kadar zorlar. Kuleden geçen hava, suyun bir kısmının buharlaşmasına ve ısı vermesine neden olur. Buharlaşan her  su akışı için yaklaşık 1.000 BTU çıkarılır. Hava, kuleyi nem yüklü halde bırakır ve atmosfere karışır. Buharlaşan herhangi bir su, soğuk su havzasında bulunan bir tatlı su ölçüm sistemi tarafından yapılır. Çapraz akış soğutma kulesi çok yaygındır. Statik (fansız), karşı akışlı ve diğerleri gibi birçok varyasyon olmasına rağmen, ortak nokta proses suyunu buharlaştırma kullanarak soğutmaktır.

Soğutma kuleleri, genellikle hem üretim hem de dış ortam koşulları maksimumda olduğunda proses için gerekli olan uygun soğutmayı sağlamak üzere tasarlanır. Bu, sürecin soğutma ihtiyaçlarının gerçekten kulenin kapasitesiyle eşleştiği tek zamandır. Bu, diğer tüm zamanlarda kulenin tasarım ısı yükünden daha büyük bir kapasiteye sahip olduğu anlamına gelir. Tahmin edebileceğiniz gibi, zamanın büyük çoğunluğunda soğutma kulesinin hava veya su akışı azaltılabilir ve enerji tasarrufu sağlanabilir. Çoğu durumda, tesis sahipleri, oldukça kolay bir düzeltme olduğundan, değişen fan hızları fikrini hızla benimser. Bazı durumlarda, değişen pompa hızı daha da fazla enerji tasarrufu sağlama potansiyeline sahiptir, ancak bu dikkatli yapılmalıdır.

Soru her zaman en iyi stratejinin ne olduğu ve ne kadar tasarruf edeceği ile ilgilidir. Bu soruyu cevaplamak için anlaşılması gereken dört anahtar değişken vardır:

1. Proses ısı yükü

2. Yakınlık Yasaları

3. Temel su akışı bilimi

4. Psikrometrik

Proses ısı yükleri iki farklı şekilde sınıflandırılabilir; en basiti, prosese kule su beslemesinden hiçbir enerji faydası sağlamayan, maksimum tasarımından daha düşük bir sıcaklıkta olandır, bu durumda kulenin üzerinde sabit bir ayar noktası vardır. besleme suyu sıcaklığı. Diğer bir deyişle:

Daha karmaşık proses ısı yükü, buharlaşmalı soğutma kulesi besleme suyu sıcaklığını belirli bir noktaya düşürerek proses enerji verimliliğinin önemli ölçüde iyileştirildiği bir uygulamadır, önceki bir buhar motoru veya soğutma sistemi örneğimizde olduğu gibi, daha düşük kule besleme suyu sıcaklığı sağlar daha düşük enerji kullanımı ile sonuçlanan sıkıştırma oranını azaltır. Çoğu durumda, işlem için gereken güç, kule fan ve pompanın birleşiminden çok daha fazladır. Bu durumlarda, daha düşük bir kule besleme suyu sıcaklığı elde etmek için daha fazla kule enerjisi kullanmak mantıklıdır çünkü prosesin enerji kullanımındaki iyileşme daha fazladır. Bu, optimizasyonu biraz daha karmaşık hale getirir çünkü artık toplam güç şu süreci içerir:

Proses gücü kule fanı ve pompaya ne olduğuna bağlı olarak değiştiğinden, kelimenin tam anlamıyla üç top ile iki arasında hokkabazlık yapmak arasındaki farktır. Bu tür uygulamalarda amaç, prosesin, pompanın ve fanın toplam gücünün her zaman optimal olmasını sağlamaktır.

GPM, proses ısı eşanjöründen geçen dakikada galon soğutma suyu iken TD, ısı eşanjörüne giren ve çıkan suyun sıcaklık farkıdır. 500 faktörü, galon su başına pound miktarından (yaklaşık 8,33), suyun özgül ısısından (1) ve dakikaları saate dönüştürmek için 60'tan oluşan bir sabittir. 

Bu nedenle 8.33 x 1 x 60 = 499.8 veya yaklaşık 500. Suyla ilgili güzel olan şey, havanın aksine yoğunluğunun normal sıcaklıklarda fazla değişmemesi ve özgül ısısının 1 BTU/lb olmasıdır. (bu, 1 pound 1 derece F'lik sıcaklığı yükseltmek için 1 BTU gerektiği anlamına gelir.). Bununla birlikte, bazı kuleler, sıcaklık donma noktasının altına düştüğünde çalışır ve suya antifriz (glikol) eklenmesini gerektirir. Antifriz üreticisine ve sudaki yüzdesine bağlı olarak 8 ağırlığında olmayabilir. Galon başına 33 tl  ve ayrıca biraz farklı bir özgül ısıya sahip. Örneğin, glikol su karışımı sadece su kadar (özgül ağırlık olarak adlandırılır) yüzde 92 ağırlığa sahipse ve 0,96 BTU/lb özgül ısıya sahipse. o zaman hesaplama şöyle olurdu:

(8.33 X .92) = 7.66 Gal/lb. X .96 Sp. Ht. X60 = 441.4

Yani sabit olarak kullandığımız 500 yerine yeni değer kabaca 441 olacaktır.

Denklemden glikol çıkararak, diyelim ki dakikada 100 galon akış kullanarak 78 derece F'de giren ve 85 derece F'de çıkan suyla bir fırını soğutuyorsunuz. Isı yükü ne olurdu? 

GPM X TD X 500 verim formülünü kullanarak:

100 X (85-78) X 500, 100 X 7 X 500 = 350.000 BTU/Saat olur.

Bu nedenle fırın üzerindeki ısı yükü 350.000 BTU/Saat'tir.

Aynı örneği kullanarak, akış dakikada 90 galon olarak değişir ve ısı yükü sabit kalırsa ne olur? Sıcaklık farkının değişeceğini söylediyseniz, haklısınız. Şimdi yeni sıcaklık farkını yeniden hesaplayıp buluyoruz.

Formül, saat başına BTU'dur. / (GPM X 500), bu da 350.000 / 90 X 500 = 7,8 derece F olur. Dolayısıyla akış hızını yüzde 10 düşürmek, sıcaklık farkını 0,8 derece F artırır.

Peki debimetre yoksa sürecin ısı yükünün ne olduğu nasıl belirlenebilir? Oldukça sık olarak, ısı eşanjörü üreticileri,akış ile basınç düşüşü arasında ilişki kuran tablolar sağlar. 

Örneğin, model numarası E2209-B olan bir ısı eşanjörü (sarı çizgi), 10 fitlik su sütunu basınç düşüşüyle, akış hızı 1,100 GPM'nin biraz üzerinde olacaktır. Göstergeleriniz lbs olarak okursa. inç kare (PSI) başına, bu durumda, işlem glikol içermeyen su kullanıyorsa her PSI = 2,31 ft. olduğundan bu, yaklaşık 4,4 PSI basınç düşüşüne (10 / 2,31) eşdeğer olacaktır.

 

Karışım glikol içeriyorsa, dönüşümü elde etmek için özgül ağırlığı 2.31 ile çarpın. Örneğin, glikol içeren bir uygulamanın özgül ağırlığı yüzde 90 ise (bu, suyun yüzde 90'ı kadar ağır olduğu anlamına gelir) dönüşüm 2.31 X .9 veya 2.079 olur. Öyleyse:

10 / 2.079 = 4.81 PSI

Eğer  basınç düşürma tablonuz yoksa, seçenekleriniz ya bir debimetre kurmaktır ki bunu şiddetle tavsiye ederim ya da iyi bir portatif ultrasonik metre kiralamak. Akışı belirlemek için portatif bir sayaç kullanılıyorsa, ısı eşanjörünün giriş ve çıkış taraflarına kalıcı olarak basınç göstergeleri monte edin ve uygun akış aralığında akış şemasına göre kendi basınç düşüşünüzü geliştirin. Bu, gelecekteki operatörlerin ısı eşanjörü boyunca basınç farkını izlemesine ve akışın doğru aralıkta olup olmadığı konusunda kabaca bir fikre sahip olmasına yardımcı olacaktır. Hazır buradayken, aynı nedenden dolayı kaliteli giriş ve çıkış termometreleri kurun.

Soğutma kulelerinde ısı giderme kapasitesini belirtmek için kullanılan yaygın bir terim ton soğutmadır. Soğutmanın ilk yıllarında, uygulamaların çoğu buz yapmaya yönelikti. Hatırlayacak kadar yaşlı olmayanlarınız için bu, çoğu insanın elektrikli buzdolabına ve çoğu kişinin buz kutusuna sahip olmadan önceydi. Sadece tahmin ediyorum, ancak o zamanki soğutma ekipmanı satış görevlileri, müşterilere BTU'nun ne olduğunu açıklamak yerine, ekipmanlarının günde kaç ton buz üretebileceğini söylemeyi muhtemelen daha kolay buldular. 

Bu nedenle bir ton, suyu 24 saatte bir ton buza (2.000 tl) dönüştürmek için gereken ısı miktarına dayanır. Buza dönüştürülen her bir tl, su 144 BTU aldığından, formül 2.000 X 144 = 288.000 BTU'dur. Bu nedenle 1 ton soğutma 288.000 BTU/Gün veya 12.000 BTU/Saat'e eşittir. veya 200 BTU/Dk.

Tabii ki ev buzdolapları hızla buz kutusunun yerini aldı ve buhar makinesinin yoluna gitti. Bu olduğunda, buz bitkilerine olan ihtiyaç da azaldı. Geride kalan "tonlarca soğutma" terimiydi ve bu güne kadar büyük üreticilerin İstanbuda soğutma ekipmanının ısı giderme kapasitesini tanımlamak için kullandıkları yaygın bir terimdir. Genellikle, soğutma ekipmanı üreticileri ton kelimesini kullandıklarında, çoğu zaman 12.000 olan saatlik miktara atıfta bulunurlar.

Yine spekülasyon yapıyorum, ancak Soğutma kulesi satış görevlileri devreye girdi çünkü soğutma mühendisleri, su soğutmalı soğutma sistemleri kullanırlarsa buz tesislerinin daha verimli çalışabileceğini fark ettiler. Şimdi, sanırım kule satış görevlileri, kendilerini müşterilere soğutma ekipmanı satış elemanlarından daha fazla bir BTU'nun ne olduğunu açıklarken bulmak istemediler. 

Sorun şu ki, soğutma sistemleri 12.000 BTU/Saat'i kaldırmış olsa bile. buz oluşturmak için, soğutma kompresörü tarafından süreçte ek verimsiz miktarda ısı eklendi. Bu verimsizlik, soğutma kulelerinin sadece buzun eklediği ısıyı değil kompresörü de uzaklaştırması gerektiği anlamına geliyordu. Yine, tahmin ediyorum, ancak kule satış elemanı muhtemelen herhangi bir iyi satış elemanının yapacağı şeyi yaptı, sayıları değiştirin. Yani, kule dünyasında bir ton 12.000 BTU/saat değildir. Bunun yerine 15.000 BTU/saat'tir. kompresör ısısını çıkarmak için eklenen 3.000 BTU ile. Bu nedenle, bir kule üreticisi kulenin 3 ton olarak derecelendirildiğini söylediğinde, 3 X 15.000 = 45.000 BTU/Saat anlamına gelir.

BTU/Saat formülümüzü kullanarak. = GPM X 500 X TD, soğutma kulesi suyunu 95 derece F'den 85 derece F'ye 1 kule tona eşitlemek için ton başına kaç GPM gerekir?

Bir soğutma kulesi ton, 15.000 BTU/Saat'e eşit olduğundan. formül:

GPM = 15.000 / (500 X (95-85)) = 15.000 / (500 X 10) = 15.000 / 5.000 = 3 GPM

Bu nedenle, kuleye giren ve çıkan su arasında 10 derecelik sıcaklık farkı olan bir soğutma kulesi, ton başına 3 GPM gerektirir.