Posso controllare i cambiamenti di calore latenti / sensibili in una torre di raffreddamento a tiraggio indotto controcorrente usando il clima?

Alcune informazioni di base estese per iniziare

Sto tentando di ridurre il consumo di acqua in più di 25 impianti di produzione, e ho identificato che il maggiore consumo di acqua (60%) deriva dal raffreddamento per evaporazione per tutte le operazioni unitarie nel processo. Questo viene fatto presso le strutture tramite una torre di raffreddamento evaporativo. Le torri sono tutte della stessa struttura di base e relativamente simili;

• 2, 3 o 4 celle
• tiraggio indotto contro flusso (vedi immagine)
• capacità di progetto 45-85 MW di carico termico, con la maggior parte 65-75.
• la discrepanza maggiore è che ogni torre è stata progettata per Delta-T da 10 gradi Fahrenheit (5,5 C), ma con una temperatura di riferimento a bulbo umido che comprende 350/365 giorni statisticamente l'anno per quella rispettiva latitudine / longitudine (le strutture sono distribuite in tutto il Midwest degli Stati Uniti, in modo che il numero varia). Questo è considerevole, ma non dovrebbe avere importanza per quello che sto per chiedere (includo per caso lo fa)

Comprendo i meccanismi di base di una torre di raffreddamento (temperatura del bulbo umido, efficienza, cicli di concentrazione, trucco, esplosione, deriva ecc.) Abbastanza bene. Con ciò, capisco che la quantità di evaporazione è proporzionale e fissa al carico di calore. Una tale prima opportunità per ridurre l'acqua è di recuperare / ridurre al minimo il soffio e la deriva. Le strutture hanno già una deriva dello 0,1% in media e funzionano ovunque da 10-25 cicli di concentrazione oltre a recuperare lo scarico per l'acqua di processo.

Nonostante ciò, le torri di raffreddamento rappresentano ancora oltre il 60% del consumo di acqua, quindi il passaggio successivo è l'analisi del lato di evaporazione. Durante l'estate, il carico evaporativo è fisso e non può essere ridotto. Tuttavia, durante l'inverno vediamo già una riduzione del consumo di acqua. Ciò deriva da una combinazione di cambiamenti latenti + sensibili del calore durante l'inverno, contrariamente ai cambiamenti di calore esclusivamente latenti durante l'estate. Fino al 25% del carico di calore in alcune strutture viene dissipato tramite un sensibile cambiamento di calore durante l'inverno profondo (gennaio febbraio). Questo è un fenomeno comunemente citato nel settore delle torri di raffreddamento e ha persino un proprio fattore di correzione in alcune equazioni semplificate.

Ciò mi ha portato a credere che ci sia il potenziale per controllare questo effetto e ridurre ulteriormente il consumo di acqua. Aggiungendo a questa evidenza è il grafico sottostante. In questo grafico, si può vedere che per una parte sostanziale dell'anno, la temperatura del bacino scende a 55 gradi F. L'acqua di raffreddamento per il processo non ha bisogno di essere più freddo di 70-75 gradi F.

Considerando che la temperatura del bacino è costantemente più fredda del necessario, la mia reazione istintiva dice "abbiamo luogo più raffreddamento del necessario". Mentre non vogliamo ridurre i MW di raffreddamento totale, si dovrebbe minimizzare la forza di trasmissione del trasferimento di massa (per arrestare l'evaporazione) e massimizzare la forza motrice della temperatura (per aumentare il trasferimento di calore dall'aria fredda al calore dell'acqua calda). Fare ciò sposterebbe più del carico di calore da latente a calore sensibile. Stavo pensando che questo potrebbe essere ottenuto rallentando i ventilatori di circolazione con i VFD. Portata d'aria inferiore per la stessa portata d'acqua, l'aria si satura prima per ridurre l'evaporazione e l'acqua circolante sarebbe più calda fiduciosamente aumentare lo scambio di calore tra aria / acqua. In effetti, quello che spero sarà il caso di poter utilizzare le torri di raffreddamento come unità di "raffreddamento a umido" durante l'estate, ma utilizzarla come unità di "raffreddamento a secco parziale" quando possibile per risparmiare acqua, ma senza spendere il capitale per acquistare una vera unità di raffreddamento a secco.

Ora le mie domande

1. Non riesco a trovare NIENTE in linea su come fare questo per ridurre il consumo di acqua. Mi manca qualcosa di evidentemente ovvio che abbatte l'idea di cercare di controllare il carico di calore verso il calore sensibile e latente? (efficacemente cercando di "dry cool" invece di "wet cool", ma usando una torre di raffreddamento progettata per il raffreddamento a umido)
2. Se l'idea non è completamente a castello, come andrei a modellare questo con massa e ampli? bilanci energetici e / o una carta psicrometrica per ottenere un numero di palla da baseball per quanta acqua si può risparmiare? Dato che lo so: storico bulbo temp temp & amp; temperatura, temperatura ambiente, temperatura esterna, amperaggio della ventola (velocità della ventola), velocità di ricircolo dell'acqua, soffiaggio, trucco e cicli di concentrazione

Credo di aver risposto alla mia stessa domanda dopo un po 'di tempo.

È possibile controllare i cambiamenti di calore latenti / sensibili usando il clima? Sì, si può - ma a un costo

durante la ricerca di ulteriori informazioni sull'argomento che ho trovato un bellissimo modello recente per torri di raffreddamento che è facile da usare . Questo modello tiene abbastanza bene conto del comportamento dell'acqua durante le condizioni immesse, mentre l'unica cosa necessaria sono le condizioni operative e una carta psicrometrica.

I due parametri operativi che stavo cambiando erano la temperatura di ritorno (ritorno alla torre di raffreddamento, prima di essere raffreddato) e la portata massica dell'aria (che ho ridotto alla velocità della ventola%). Cambiando questi e trovando l'umidità appropriata, l'umidità di saturazione e la temperatura media di ingresso & amp; umidità, posso modellare il consumo di acqua della torre di raffreddamento. accoppiando il consumo di acqua della torre di raffreddamento a fianco del cambiamento di calore sensibile dell'aria dall'ingresso all'uscita (assumendo lo stesso identico all'acqua) insenatura ), Ora ho il carico termico totale sulla torre di raffreddamento (aria sensibile + acqua evaporativa).

Con questo, si può semplicemente cambiare la condizione della temperatura di ritorno & amp; inserire nuovi parametri di umidità, quindi eseguire il modello. Il carico di calore ora non è lo stesso della corsa precedente, che non è paragonabile (il carico di calore negli impianti è costante). Ciò viene corretto regolando la velocità della ventola% (portata massica dell'aria) e facendo funzionare il modello finché non ottengo lo stesso carico termico di aria sensibile + evaporativo. Ho fatto questa procedura per +/- 10 gradi F e ora ho 3 serie di condizioni operative modellate per confrontare.

La prima cosa che salta fuori è che a temperature di ritorno più elevate, abbiamo meno utilizzo della ventola e più utilizzo di acqua. A temperature di ritorno più basse, abbiamo un maggiore utilizzo della ventola e un minore utilizzo di acqua. Questo è il "muro" fondamentale di cui si ha a che fare quando si utilizza il raffreddamento per evaporazione . Ora, questi risultati hanno un senso per me nel senno di poi per queste ragioni;

1. Se si guarda una carta psicometrica, si può vedere che l'umidità della saturazione sale esponenzialmente con la temperatura. Ciò significa che l'aria può trattenere più acqua, e la forza di trasferimento del trasferimento di massa è aumentata, più l'aria è calda, con l'inverso che è vero
2. Questo è analogo al raffreddamento a secco rispetto al raffreddamento a umido - il raffreddamento a umido utilizza meno energia della ventola, ma più acqua. Bene, in questa situazione stiamo scambiando energia elettrica per l'acqua, proprio come il raffreddamento a umido rispetto a quello a secco.

Quindi, in sostanza, se si consente alle ventole di correre più forte (e quindi mantenere le temperature della torre di raffreddamento più basse), si sta massimizzando la quantità di raffreddamento a secco (sensibile cambiamento di calore), ma usando molta più energia elettrica. Al contrario, se si rallentano le ventole, si utilizza meno energia elettrica ma si aumenta significativamente il tasso di evaporazione (ridotto cambiamento di calore sensibile).

Ci sono alcune cose che ho intenzione di guardare in futuro quando eseguirò un vero esperimento su alcune di queste torri di raffreddamento. Ancora più importante, il fatto che la variazione della portata dell'aria in modo lineare (velocità della ventola%) modifichi l'utilizzo di HP dei ventilatori come una funzione cubica e il fatto che l'umidità della saturazione cartografica psicrometrica aumenti esponenzialmente con la temperatura; queste cose mi fanno credere che ci possa essere un'ottimizzazione tra uso elettrico e consumo di acqua qui. Una volta completato un esperimento, posterò qui i risultati emperali per garantire che le conclusioni del modello corrispondano ai valori del mondo reale.

Prove empiriche - Ho avuto l'opportunità di provare questa idea in una struttura industriale durante il mese di marzo. Le prove sono state eseguite a ~ 44 gradi di latitudine nord. L'installazione consisteva in 2 torri di raffreddamento a tiraggio indotto strettamente progettate. Entrambe erano 3 celle e progettate per gestire carichi di calore identici per le stesse condizioni climatiche, sebbene le operazioni siano cambiate e non stessero gestendo anche carichi di calore. Inoltre, una torre è considerevolmente più nuova dell'altra, e il supporto di riempimento ha indubbiamente influito sulle prestazioni della torre. Per evitare che ciò diminuisca dall'analisi, la torre più vecchia con riempimento meno efficiente è stata utilizzata come gruppo di "controllo". Durante due periodi che hanno avuto temperature medie a bulbo secco di 33,7 F & amp; 33.3 F (controllo efficace della temperatura), la torre di controllo è stata mantenuta con un setpoint di temperatura della coppa di 65 F, mentre la torre variabile è stata commutata tra 50 F & amp; 65 set point F. Il controller della temperatura della torre è stato autorizzato a controllare la velocità della ventola per raggiungere il punto di regolazione in entrambe le torri.

I cicli di concentrazione in ciascuna torre sono stati controllati, poiché durante le prove non sono state apportate modifiche ai parametri di set up della qualità dell'acqua o della conducibilità.

Il carico di calore sulla torre variabile più recente era in media di 38,6 MW & amp; SD di 3.2. Torre di controllo in media 28,6 MW & amp; SD di 3.6. Va notato che la stima MW della torre di controllo è un po 'approssimativa, in quanto ho dovuto stimare la portata in base al numero di pompe attive (al contrario di un trasmettitore di flusso in tempo reale). Indipendentemente da ciò, il metodo che ho usato dei cambiamenti relativi in ​​ciascuna torre per garantire gli effetti climatici non viene interpretato come una risposta effettiva del sistema.

L'avvertenza finale è che le temperature più basse della coppa di 50 F erano difficili da mantenere per gli operatori per lunghi periodi di tempo a causa di problemi di congelamento dell'acqua sulle alette. Ciò ha richiesto frequenti inversioni della ventola, che hanno imbottigliato il calore nella torre e alterato la temperatura della coppa di effetto. Questi dati non sono stati presi in considerazione e per l'analisi sono stati tenuti solo i dati non transitori al set point raggiunto di 50F.

In base ai risultati: al punto impostato di 50 F, il consumo di acqua per MW di calore scartato è stato ridotto del 16%, con un consumo totale di kW del ventilatore in aumento del 168%. Questo rientra in linea con le previsioni del modello e risponde alla domanda con un carattere definitivo Sì: una CAN controlla i cambiamenti di calore latenti / sensibili in una torre di raffreddamento utilizzando gli effetti climatici / meteorologici

Tuttavia, il vero optimum economico sarà variabile in base ai costi dell'acqua e elettrici. Di seguito è riportato un grafico che mostra il punto di pareggio di acqua rispetto ai costi elettrici. In determinate condizioni di costi estremi dell'acqua (bonifica delle acque grigie, fonti di acqua sporche che richiedono notevoli pretrattamenti e costi chimici ecc.) E di elettricità a basso costo, può essere più sensato operare alla temperatura più fredda. Va inoltre notato che questa curva è per ~ 33 F di temperature a bulbo secco, e questo non verrà riconosciuto per tutto l'anno. Inoltre, prevedo che una diversa temperatura a bulbo secco cambierebbe probabilmente la pendenza di questa linea. Aumentando la capacità termica dell'aria in entrata per libbra (più disponibile Delta T), richiederemo meno aria per un dato carico di calore. Ciò ridurrebbe ulteriormente il consumo elettrico per un dato carico di calore. È probabile che anche il contrario valga.

Il problema fondamentale che stai incontrando è che l'evaporazione è stata inizialmente selezionata su un riscaldamento sensibile perché è molto più densa di energia.

Quando si evapora acqua, è possibile rifiutare 2257 kJ / kg. Ciò richiede una portata d'acqua uguale al calore respinto, Q, diviso per l'entalpia di fusione, h.

Quando si respinge sensibilmente il calore verso l'acqua, tuttavia, è possibile rimuovere solo 4,18 kJ / kg-C. Se consideriamo il migliore dei casi in cui è sempre possibile rifiutare il calore alla temperatura dell'acqua invernale, possiamo riscaldarlo di circa 30 ° C prima che inizi a evaporare molto rapidamente. Qui, la portata d'acqua deve essere uguale al calore respinto, Q, diviso per la capacità termica per il delta T.

Confrontando queste due portate, hai bisogno di 18 volte più acqua per riscaldarla in modo sensato. Quindi, una volta che tutta l'acqua è calda, è necessario raffreddarla nuovamente per riutilizzarla.

Ci sono state molte ricerche sui modi per ridurre al minimo il consumo di acqua dei condensatori raffreddati ad acqua. In breve, la ricerca ha dimostrato che non è possibile salvare la maggior parte dell'acqua attraverso il retrofit: è necessario passare al raffreddamento a secco. Quell'interruttore richiede nuove attrezzature e danneggia l'efficienza del sistema. Se si vuole esaminare la ricerca, gran parte di esso è stato fatto nell'area di concentrazione di energia solare poiché quelle piante stanno operando nel deserto. Questo articolo non è tecnico ma potrebbe indicarti alcune indicazioni interessanti.