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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
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Torri di raffreddamento
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.
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.
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Architettura
Torri di raffreddamento
G = portata di acqua da
raffreddare
c: calda (ingresso)
f: fredda (uscita)
Ga = portata di aria
1: ingresso aria
2: uscita aria
g = acqua di reintegro
0: ingresso reintegro
gs = acqua di spurgo
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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 (50-100 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.
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Catalogo di una torre evaporativa
Torri di raffreddamento
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Diagramma di Mollier dell’aria umida
L’acqua entra in torre a temperatura tc ed esce a temperatura tf,
mentre l’aria viene richiamata in torre a temperatura t1 ed esce a
temperatura t2.
Si potrebbe pensare che la minima temperatura raggiungibile
dall’acqua sia la temperatura di ingresso dell’aria t1. 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):
t3 < tf < t1
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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 t1, 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 t1
(superficie di scambio piccola o portata d’acqua elevata):
Q = G′ cl tc − t1 = Ga H2 − H1
Caso 2) L’acqua raggiunge la temperatura tf< t1:
Q = G cl tc − tf = Ga H2 − H1
Essendo tc − t1 < tc − tf , 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%.
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Bilancio di acqua
Evaporazione:
L’umidificazione di aria comporta la perdita di H2O (acqua
pura) dalla torre di raffreddamento che andrà quindi
reintegrata.
GW,e = Ga x2 − x1
Trascinamento:
Oltre all’H2O che evapora, l’aria trascina con sé goccioline
di acqua. L’acqua trascinata non è H2O pura, ma contiene
anche sali e minerali. Il trascinamento di goccioline è
stimabile pari al 10÷20% dell’acqua evaporata.
GW,t = Ga x2 − x1 τ , τ = 0,1 ÷ 0,2
Trascurando momentaneamente la presenza di uno
spurgo, la portata di reintegro è pari a:
g = Ga x2 − x1 1 + τ
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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.
C0 g = CM Ga x2 − x1 τ
C0 = concentrazione di sali disciolti nell’acqua disponibile
(es: acquedotto);
CM = concentrazione media di sali nell’impianto a regime.
Sostituendo g = Ga x2 − x1 1 + τ nell’equazione di
bilancio dei sali si ottiene:
CMC0
= 1 +1
τ
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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
CaCO3 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’H2O 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.)
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Se è necessario uno spurgo gs i bilanci visti divengono:
1) bilancio di acqua
g = Ga x2 − x1 1 + τ + gs
2) bilancio di sali
C0 g = CM Ga x2 − x1 τ + CM gs
da cui si ricava la portata di spurgo:
gs = Ga x2 − x1C0
CM − C0− τ
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* 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 Ga J2 .
Bilancio delle portate termiche entranti e uscenti dalla torre di raffreddamento
Contributo Potenza termica
entrante/reintegrata Potenza termica uscente
acqua
utenza G c𝑙 tc G c𝑙 tf
acqua
evaporata Ga x2 − x1 c𝑙 t0 *
acqua
trascinata Ga x2 − x1 τ c𝑙 t0 Ga x2 − x1 τ c𝑙 t2
acqua
spurgata Ga x2 − x1
C0CM − C0
− τ c𝑙 t0 Ga x2 − x1C0
CM − C0− τ c𝑙 tf
aria Ga J1 Ga J2
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Equilibrando le diverse componenti si ha:
G c𝑙tc + Ga x2 − x1 c𝑙t0 + Ga x2 − x1 τc𝑙t0 + Ga x2 − x1C0
CM − C0− τ c𝑙t0 + GaJ1 =
= G c𝑙tf + Ga x2 − x1 τc𝑙t2 + Ga x2 − x1C0
CM − C0− τ c𝑙tf + GaJ2
Riorganizzando i termini, la potenza scambiata
in torre dall’acqua proveniente dall’utenza, vale:
G c𝑙 tc − tf = Ga J2 − J1 − Ga x2 − x1 c𝑙t0 +
+Ga x2 − x1 τc𝑙 t2 − t0 + Ga x2 − x1C0
CM − C0− τ c𝑙 tf − t0
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Esercitazione
• Portata di aria che attraversa la torre:
Ga = 1,209 kg
m3 ∙ 1,19m3
s= 1,44
kg
s
• Portata di acqua evaporata
Gw,e =1 g l ∙ 1,11 l min
60 s min = 18,5
g
s
• Acqua evaporata per chilogrammo di aria secca:
∆x =GwGa
=18,5 g s
1,44 kg s = 12,85
g
kg
• Verifica potenza scambiata:
Q = G cl tc − tf = 2,55kg
s∙ 4,187
kJ
kg K∙ 35 − 31 K = 42,7 kW
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Modalità di installazione
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
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