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ⓘ Torre di raffreddamento




Torre di raffreddamento
                                     

ⓘ Torre di raffreddamento

Una torre di raffreddamento è uno scambiatore di calore gas-liquido nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa, riducendo così la propria temperatura. Nella grande maggioranza dei casi la fase gassosa è costituita da aria o vapore dacqua e la fase liquida da acqua di vario tipo. Lo scambio di calore può essere effettuato mediante contatto tra le fasi, ed in questo caso si parla di torre di raffreddamento "tout court", o a superficie in uno scambiatore di calore a tubi, piastre o altro, ed in questo caso si parla più sovente di batteria di raffreddamento.

                                     

1. Classificazione per destinazione di utilizzo

Le torri di raffreddamento possono venire utilizzate nellambito HVAC ovvero "riscaldamento, ventilazione e condizionamento dellaria" oppure in ambito industriale nelloperazione unitaria di umidificazione.

                                     

2.1. Torre evaporativa Tipologie costruttive

Dal punto di vista costruttivo, le torri evaporative possono essere di due tipi:

  • a flusso indotto
  • a circolazione forzata
                                     

2.2. Torre evaporativa Torre evaporativa a flusso indotto

Le torri più grandi sfruttano levaporazione stessa dellacqua e la differenza di densità della miscela aria - vapore acqueo e possono evitare luso del ventilatore di circolazione, che è costoso, consuma energia e riduce il raffreddamento in quanto lenergia spesa per la ventilazione passa in parte allacqua - seppure in quantità assai ridotta.

Queste torri senza ventilatore sono dette a flusso indotto o a circolazione naturale o a tiraggio naturale ed hanno una caratteristica sagoma a sezione verticale costituita da un iperboloide a una falda, per ragioni statiche e costruttive. Si noti il pennacchio uscente dalla parte alta della torre camino a sinistra, costituito da aria satura di vapore dacqua.

Le torri a circolazione naturale sono preferite nelle centrali nucleari e geotermiche, dove è giustificato il costo elevato dellapparecchiatura, entrando in gioco portate di aria elevate.

                                     

2.3. Torre evaporativa Principio di funzionamento

A fianco viene rappresentato il principio di funzionamento di una colonna di raffreddamento, semplificato per fini di trattazione.

Lacqua dispersa nella parte superiore della torre di portata L 2 {\displaystyle L_{2}}, e quindi cadente verso il basso, viene a contatto con laria di portata V ′ {\displaystyle V}, indotta a salire dal ventilatore o dalla differenza di densità. Il contatto è tanto più intimo quanto più è estesa la superficie delle gocce dacqua che entrano in contatto con laria ovvero la superficie di scambio di materia. Si ha quindi un trasferimento di massa dalle gocce dacqua fase dispersa verso laria fase continua, dovuto allumidificazione dellaria stessa, che non è satura in vapore. Questo trasferimento di massa è di tipo evaporativo, quindi lacqua cede energia allaria in modo sostanzialmente isotermico per laria, ma con cessione, e quindi con raffreddamento, da parte dellacqua. Questa esce quindi ad una temperatura T L 1 {\displaystyle T_{L1}} inferiore a quella di ingresso T L 2 {\displaystyle T_{L2}}. Si noti che la condizione essenziale per il funzionamento è la non saturazione dellaria in vapore acqueo; ne consegue che la torre non potrà funzionare o quasi in caso di aria satura ad esempio in un giorno di pioggia.



                                     

2.4. Torre evaporativa Bilancio di materia

Se consideriamo una sezione di colonna di spessore infinitesimo d z {\displaystyle dz} come volume di controllo, il bilancio di materia su questo volumetto si esprime come:

V ′ ⋅ Y | z + N A ⋅ a S ⋅ d z = V ′ ⋅ Y | z + d z {\displaystyle V\cdot Y|_{z}+N_{A}\cdot aS\cdot dz=V\cdot Y|_{z+dz}}

in cui:

  • V ′ {\displaystyle V} è la portata della corrente gassosa che può essere assunta costante lungo la colonna
  • z {\displaystyle z} è la quota, avendo assunto come riferimento la sezione 1 della colonna.
  • Y {\displaystyle Y} è lumidità molare, pari a y 1 − y {\displaystyle {\frac {y}{1-y}}} essendo y {\displaystyle y} la frazione molare
  • N A {\displaystyle N_{A}} è il coefficiente di scambio di materia
  • a S ⋅ d z {\displaystyle aS\cdot dz} è pari a d A {\displaystyle dA}, cioè è la superficie di scambio di materia

lequazione sopra può essere riscritta come:

il pedice ML indica una differenza media logaritmica.

                                     

2.5. Torre evaporativa Bilancio entalpico sulla fase gassosa

Il bilancio di calore sulla sola fase gassosa, in termini di entalpia, si scrive in forma differenziale:

d H T O T = V ′ d H V {\displaystyle dH_{TOT}=VdH_{V}}

essendo d H V {\displaystyle dH_{V}} dato dalla somma di un contributo di calore sensibile C h {\displaystyle C_{h}} e di un contributo di calore latente λ 0 {\displaystyle \lambda _{0}}:

d H V = d } = a S ⋅ k y H i − H V d z {\displaystyle =aS\cdot k_{y}H_{i}-H_{V}dz}

da cui:

d z = V ′ a S k y d H V H i − H V {\displaystyle dz=\left{\frac {V}{aSk_{y}}}\right{\frac {dH_{V}}{H_{i}-H_{V}}}}

integrando:

∫ 1 2 d z {\displaystyle \int _{1}^{2}dz} è laltezza della colonna, mentre V ′ a S k y {\displaystyle \left{\frac {V}{aSk_{y}}}\right} è laltezza dellunità di trasferimento o HTU.
                                     

2.6. Torre evaporativa Bilancio di entalpia lato liquido

In termini differenziali:

L ⋅ H L | z + d z = L ⋅ H L | z + d Q {\displaystyle L\cdot H_{L}|_{z+dz}=L\cdot H_{L}|_{z}+dQ}

ovvero:

d L ⋅ H L = h L ⋅ T L − T i ⋅ a S d z {\displaystyle dL\cdot H_{L}=h_{L}\cdot T_{L}-T_{i}\cdot aSdz}
                                     

2.7. Torre evaporativa Bilancio di entalpia globale

V ′ H V | z + L ⋅ H L | z + d z = V ′ H V | z + d z + L ⋅ H L | z {\displaystyle VH_{V}|_{z}+L\cdot H_{L}|_{z+dz}=VH_{V}|_{z+dz}+L\cdot H_{L}|_{z}}

da cui otteniamo:

V ′ d H V = d L ⋅ H L {\displaystyle VdH_{V}=dL\cdot H_{L}} a S K y H i − H V d z = h L T L − T i a S d z {\displaystyle aSK_{y}H_{i}-H_{V}dz=h_{L}T_{L}-T_{i}aSdz} H i − H V T i − T L = − h L K y {\displaystyle {\frac {H_{i}-H_{V}}{T_{i}-T_{L}}}=-{\frac {h_{L}}{K_{y}}}}

Il bilancio entalpico tra la sezione 1 e una sezione generica si scrive:

V ′ H V 1 + L ⋅ H L | z = V ′ H V | z + L 1 H L 1 {\displaystyle VH_{V1}+L\cdot H_{L}|_{z}=VH_{V}|_{z}+L_{1}H_{L1}} V ′ H V − H V 1 = L ⋅ c P, L T L − T 0 − L 1 ⋅ c P, L T L 1 − T 0 {\displaystyle VH_{V}-H_{V1}=L\cdot c_{P,L}T_{L}-T_{0}-L_{1}\cdot c_{P,L}T_{L1}-T_{0}}

supponendo che la portata di liquido sia costante:

In pratica si traccia in un diagramma temperatura-entalpia T L {\displaystyle T_{L}} - H V {\displaystyle H_{V}} la curva relativa a H V, s a T {\displaystyle H_{V,sat}T}, ch corrisponde alle condizioni di equilibrio, e la retta di lavoro, con pendenza L ⋅ c P, L V ′ {\displaystyle {\frac {L\cdot c_{P,L}}{V}}} e passante per i punti T L 1 {\displaystyle T_{L1}}, H V 1 {\displaystyle H_{V1}} e T L 2 {\displaystyle T_{L2}}, H V 2 {\displaystyle H_{V2}}. Si tracciano quindi delle rette di pendenza − h L K y {\displaystyle -{\frac {h_{L}}{K_{y}}}} a partire dai punti T L 1 {\displaystyle T_{L1}}, H V 1 {\displaystyle H_{V1}} e T L 2 {\displaystyle T_{L2}}, H V 2 {\displaystyle H_{V2}}, e si calcola larea racchiusa tra queste rette, la retta di lavoro e la curva di equilibrio basandosi sul calcolo dellintegrale a mezzo di metodi numerici ad esempio tramite la regola di Simpson.



                                     

2.8. Torre evaporativa Prestazioni

Una torre evaporativa correttamente dimensionata potrà fornire acqua fredda ad una temperatura pari alla temperatura di bulbo umido più 3 - 4 K. In un giorno ventilato e sereno di mezza stagione, è ragionevole pensare ad una temperatura di uscita di 20 - 25 °C, mentre in un giorno caldo e afoso di estate ci si aspetta di utilizzare acqua a 34 - 35 °C. Di questo va ovviamente tenuto conto nel dimensionamento delle apparecchiature che dipendono dalla torre.

                                     

3. Nella cultura di massa

Le torri di raffreddamento hanno un grande impatto visivo per via delle loro grandi dimensioni, la forma caratteristica e la grande quantità di vapore che ne fuoriesce, che a prima vista sembra fumo. Per questo sono diventate spesso un simbolo dellinquinamento industriale, sebbene le loro emissioni si limitino ad innocuo vapore dacqua.

Unaltra credenza, molto diffusa nellimmaginario di massa, associa indissolubilmente questi manufatti agli impianti nucleari, quando in realtà lapplicazione in quel settore è solo uno dei tanti, e variegati, ambiti in cui sono utilizzate.