ΠΡΟΛΟΓΟΣ. Μαριάννα Α. Ιωαννίδου. Χαλάνδρι, Οκτώβριος 2011

1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί τη ιπλωµατική µου Εργασία στο πλαίσιο των σπουδών µου στο τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας Α του Τοµέα Θερµότητας κ. Αθηνάς Σαγιά, την οποία ευχαριστώ εκ βαθέων για την ανάθεση του θέµατος, την εποικοδοµητική παρακολούθηση αλλά και γενικότερα για την ουσιαστική συµβολή της στις σπουδές µου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τη Μυρσίνη Γλέζου για τη συµπαράσταση και την καλλιτεχνική επιµέλεια. Ακόµα ευχαριστώ τη Μυρτώ Ζενέλη για τη βοήθειά της. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω τους γονείς µου για την υποστήριξή τους αλλά και για την κατανόηση που επέδειξαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών µου. Μαριάννα Α. Ιωαννίδου Χαλάνδρι, Οκτώβριος 2011 2

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται τους πύργους ψύξης µε πληρωτικό υλικό και αναλύει την απόδοση κάποιων συγκεκριµένων πληρωτικών υλικών σε διάφορες συνθήκες. Γράφτηκαν δύο κώδικες σε γλώσσα Fortran77, µέσω των οποίων υπολογίζεται ο ολικός συντελεστής µεταφοράς µάζας, η πτώση πίεσης και το ενεργό ύψος του πύργου για 20 διαφορετικά πληρωτικά υλικά (προτεινόµενα από τη βιβλιογραφία) και µε βάση κάποιες συνθήκες που εισάγει κάθε φορά ο χρήστης. Τα αποτελέσµατα των υπολογισµών παρουσιάζονται σε διαγράµµατα και µέσω της επεξεργασίας αυτών, µελετάται η συµπεριφορά αυτών των 20 πληρωτικών υλικών. 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ: ΠΡΟΛΟΓΟΣ...2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ...3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...4 ΣΥΜΒΟΛΑ...7 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΨΥΞΗΣ...9 1.2. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΑΣ...9 1.3. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Α ΙΑΒΑΤΙΚΟΥ ΚΟΡΕΣΜΟΥ...11 1.4. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΓΡΗΣ ΣΦΑΙΡΑΣ...11 1.5. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΞΗΡΗΣ ΣΦΑΙΡΑΣ...12 2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ...13 2.2. ΤΥΠΟΙ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ...15 2.3. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ...17 2.3.1. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΤΥΠΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ (SPRAY TYPE)...19 2.3.2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΤΥΠΟΥ SPLASH (ΦΥΛΛΑ ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ)...21 2.4. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ...21 2.4.1. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΘΛΙΨΗ ΑΕΡΑ (ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ)...22 2.4.2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΛΚΥΣΜΟ ΑΕΡΑ (ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ)...23 2.4.3. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΘΛΙΨΗ ΑΕΡΑ (ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ) ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΛΚΥΣΜΟ ΑΕΡΑ (ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ)...24 4

2.5. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ...25 2.6. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΤΗΝ ΕΞΟ Ο ΑΠΟ ΤΟΝ ΠΥΡΓΟ ΨΥΞΗΣ...26 2.7. ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ...26 2.8. ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ...30 3. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ...32 3.1. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ SPLASH (ΦΥΛΛΑ ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ)...32 3.1.1. ΟΚΟΙ ΣΕ ΙΑΤΑΞΗ V (V-BAR)...34 3.1.2. ΛΩΡΙ ΕΣ ΣΕ ΣΧΗΜΑ ΦΤΕΡΩΝ ΓΛΑΡΟΥ (GULL WING FILL SLATS)...34 3.1.3. ΕΣΧΑΡΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΗΡΙΓΜΑΤΑ ΓΙΑ ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ SPLASH (ΦΥΛΛΑ ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ)...35 3.2. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ ΦΙΛΜ (FILM TYPE)...36 3.2.1. ΚΥΜΑΤΟΕΙ Η ΦΥΛΛΑ ΣΕ ΣΧΗΜΑ ΚΥΨΕΛΗΣ (HONEYCOMB)...37 3.3. ΑΛΛΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ...38 3.4. ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΣΕ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΑ ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ...39 3.5. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΥΟ ΤΥΠΩΝ ΠΛΗΡΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ...41 4. Η ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ 4.1. ΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ...42 4.2. ΟΙ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ...43 5

5. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ 5.1. ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ ΟΣΟΝ ΑΦΟΡΑ ΤΑ ΑΛΑΤΑ... 44 5.2. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ...46 5.3. ΣΥΝΟΨΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ...47 6. ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ 6.1. ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ...48 6.2. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ...49 6.3. ΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΟΝ ΠΥΡΓΟ ΨΥΞΗΣ ΣΤΟ SI...50 6.3.1. ΕΝΕΡΓΟ ΥΨΟΣ ΤΟΥ ΨΥΚΤΙΚΟΥ ΠΥΡΓΟΥ...52 6.3.2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΥΨΟΥΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΟΛΙΚΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ Κ Y α...53 6.3.3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΜΟΝΑ ΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ...54 7. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 7.1. ΣΕ ΤΙ ΕΓΚΕΙΤΑΙ ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ...55 7.2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ...78 7.2.1. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ Κ Y α ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΚΩ ΙΚΑ 1...78 7.2.2. ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ...87 7.2.3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΕΝΕΡΓΟΥ ΥΨΟΥΣ Ζ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΚΩ ΙΚΑ 2...89 8. ΣΥΖΗΤΗΣΗ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...95 8.1. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ...95 8.2. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ...96 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...98 6

ΣΥΜΒΟΛΑ α Ειδική διαχωριστική επιφάνεια, ανηγµένη στον όγκο γεµίσµατος, L 2 /L 3. α Η Ειδική διαχωριστική επιφάνεια, για µεταφορά θερµότητας, L 2 /L 3. α Μ Ειδική διαχωριστική επιφάνεια, για µεταφορά µάζας, L 2 /L 3 C Θερµοχωρητικότητα αερίου ή ατµού σε σταθερή πίεση, F L/M T. G Παροχή αερίου ανά µονάδα επιφάνειας, M/L 2 Θ. G S Παροχή ξηρού αερίου ανά µονάδα επιφάνειας, M/L 2 Θ. h Συντελεστής µεταφοράς θερµότητας λόγω συναγωγής, F L/L 2 TΘ. H Ενθαλπία µίγµατος ατµού-αερίου ανά µονάδα µάζας ξηρού αερίου, F L/M. Η tg Ύψος µονάδας µεταφοράς αερίου, L. Η tog Ολικό ύψος µονάδας µεταφοράς αερίου, L. k G Συντελεστής µεταφοράς µάζας για το αέριο, mole/ L 2 Θ(F/L 2 ). k Y Κ Υ L Μ Ν tg Ν tοg Συντελεστής µεταφοράς µάζας για το αέριο, Μ/L 2 Θ(Μ/Μ). Ολικός συντελεστής µεταφοράς µάζας για την αέριο φάση, Μ/L 2 Θ(Μ/Μ). Παροχή µάζας υγρού, Μ/L 2 Θ Μοριακό βάρος, Μ/mole. Αριθµός µονάδων µεταφοράς για το αέριο. Ολικός αριθµός µονάδων µεταφοράς για το αέριο. P B,M Μέση µερική πίεση µη διαχεοµένου αερίου, F/L 2. r h G α Η /C S k Y α Μ. t Θερµοκρασία, Τ. Υ Απόλυτη υγρασία, µάζα ατµού / µάζα ξηρού αερίου, Μ/Μ. Ζ Μήκος ή ύψος του ενεργού τµήµατος της συσκευής, L. ιαφορά. λ Λανθάνουσα θερµότητα ατµοποίησης, F L/M. ΕΙΚΤΕΣ 0 Κατάσταση αναφοράς. 1,2 Θέσεις 1,2. as Αδιαβατικός κορεσµός. A Ουσία Α, ατµός. Β Ουσία Β, αέριο. DP Σηµείο δρόσου. 7

L G i S W Αναφέρεται σε υγρό. Αναφέρεται σε αέριο. ιαχωριστική επιφάνεια. Κορεσµός. Θερµοκρασία υγρής σφαίρας. ΕΚΘΕΤΗΣ * Στην κατάσταση κορεσµού. ΜΟΝΑ ΕΣ F ύναµη L Μήκος M Μάζα T Θερµοκρασία Θ Χρόνος 8

1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ: 1.1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΨΥΞΗΣ [1]: Ψύξη (η) ουσ. [ <αρχ. ψύξις < ψύχω] ( Κ ψύξις, -εως) η ανάπτυξη χαµηλής θερµοκρασίας σε χώρο µε τεχνητά ή φυσικά µέσα. Το σύστηµα ψύξης που θα αναλυθεί στην παρούσα εργασία είναι οι πύργοι ψύξης µε πληρωτικό υλικό, των οποίων η λειτουργία έγκειται στην ψύξη νερού µε αέρα. 1.2. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΑΣ [1]: Ψυχροµετρία (η) ουσ. [γαλλ, psychometrie <ελλ. ψυχρός + µέτρον] ( Κ ψυχόµετρον ) (µετεωρ.)συσκευή που καταµετρά την υγρασία της ατµόσφαιρας. Ανάλυση: Η ψυχροµετρία ασχολείται µε τα θερµοδυναµικά χαρακτηριστικά του υγρού αέρα και τα χρησιµοποιεί για την ανάλυση καταστάσεων και διεργασιών, οι οποίες περιλαµβάνουν υγρό αέρα. Ο ατµοσφαιρικός αέρας περιέχει, εκτός από τα κύρια συστατικά του, και άλλα αέρια συστατικά, όπως υδρατµό και ποικίλα µολυσµατικά αέρια (καπνό, γύρη, αέριους ρύπους κλπ.). Η έννοια του ξηρού αέρα υφίσταται όταν όλα τα παραπάνω συστατικά έχουν αποµακρυνθεί από τον αέρα περιβάλλοντος. Η σύσταση του αέρα περιβάλλοντος είναι γενικά σταθερή, υπάρχουν όµως µικρές διαφορές στα ποσοστά διαφόρων συστατικών, ανάλογα µε τη γεωγραφική θέση και την απόσταση από την επιφάνεια της θάλασσας. Το µοριακό βάρος του ξηρού αέρα ισούται µε ΜΒ = 28.9645 kg/kmol, air. [2] Ο υγρός αέρας είναι διµερές µίγµα ξηρού αέρα και υδρατµού. Το ποσοστό του υδρατµού στον υγρό αέρα ποικίλει από την τιµή µηδέν (το οποίο σηµαίνει ξηρός αέρας) µέχρι ένα ανώτατο όριο, το οποίο εξαρτάται από τις συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Το ανώτατο αυτό όριο ουσιαστικά είναι κατάσταση κορεσµού, δηλαδή η κατάσταση ισορροπίας ανάµεσα στον υγρό αέρα και στη φάση συµπύκνωσης του νερού. Η κατάσταση κορεσµού µπορεί να περιγραφεί και ως µια επίπεδη διαχωριστική επιφάνεια µεταξύ του υγρού αέρα και της φάσης συµπύκνωσης. Το µοριακό βάρος του νερού είναι ΜΑ= 18.01528 kg/kmol, H 2 O.[2] 9

Η θερµοκρασία και η βαροµετρική πίεση του ατµοσφαιρικού αέρα ποικίλουν σηµαντικά ανάλογα µε το υψόµετρο, το γεωγραφικό πλάτος και τις καιρικές συνθήκες. Έχουν διατυπωθεί κάποιες πρότυπες συνθήκες προκειµένου να εκτιµώνται κάποια βασικά µεγέθη ανάλογα µε το εκάστοτε επίπεδο. Στο επίπεδο της θάλασσας η τυπική θερµοκρασία είναι 59 ºF (15 ºC) και η τυπική βαροµετρική πίεση 29.921 inch Hg (759.993 mm Ηg). Η θερµοκρασία θεωρείται ότι µειώνεται γραµµικά όσο αυξάνεται το υψόµετρο σε όλη την τροπόσφαιρα (κατώτερη ατµόσφαιρα) και ότι παραµένει σταθερή στα κατώτερα επίπεδα της στρατόσφαιρας. Ακόµα, θεωρείται ότι στην κατώτερη ατµόσφαιρα ο ξηρός αέρας συµπεριφέρεται ως τέλειο αέριο. [2] Η απόλυτη υγρασία ορίζεται ως το κλάσµα της µάζας ατµού προς τη µάζα ξηρού αέρα. Η ειδική υγρασία είναι ο λόγος της µάζας ατµού προς την ολική µάζα του υγρού αέρα. Κορεσµένος λόγος υγρασίας είναι ο λόγος υγρασίας του κεκορεσµένου υγρού αέρα θεωρώντας το νερό στην ίδια θερµοκρασία και πίεση. Ο βαθµός κορεσµού είναι το κλάσµα του λόγου υγρασίας του αέρα προς το λόγο υγρασίας του κεκορεσµένου αέρα σε ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Η σχετική υγρασία είναι ο λόγος της ποσότητας σε mole του ατµού προς την ποσότητα σε mole του κεκορεσµένου αέρα στις ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Η ενθαλπία του µίγµατος αέρα Η είναι άθροισµα των διαφόρων µερικών ενθαλπιών του ξηρού αέρα και του κεκορεσµένου ατµού στη θερµοκρασία του µίγµατος. Η ενθαλπία µίγµατος αέρα ορίζεται από την ακόλουθη σχέση [3]: B [ ] ( t t ) + Y C ( t t ) + λ + C ( t t ) Η = C (1.1) G 0 A G DP DP A,L DP 0 Για µικρές πιέσεις ισχύει και η ακόλουθη σχέση: B ( t G t 0) + Y [ C A( t G t 0) + λ 0] = CS( t t 0) + Y λ 0 H = C (1.2) 10

1.3. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Α ΙΑΒΑΤΙΚΟΥ ΚΟΡΕΣΜΟΥ [3] Η θερµοκρασία αδιαβατικού κορεσµού tas είναι η θερµοκρασία που υπάρχει για κάθε µίγµα, τέτοια που εάν αυτό έρθει σε επαφή µε υγρό, υφίσταται ύγρανση και ψύξη. Εάν ο χρόνος επαφής των ρευστών είναι αρκετός το µίγµα γίνεται κεκορεσµένο και επικρατούν οι συνθήκες Υ as, t as. Εάν ο χρόνος επαφής είναι µικρός, η τελική κατάσταση του µίγµατος µετά την επαφή του µε το υγρό, είναιυ 2, t G2. Το σηµείο 2 ευρίσκεται επί της καµπύλης αδιαβατικού κορεσµού του αρχικού µίγµατος. Η τοµή κάθε καµπύλης αδιαβατικού κορεσµού µε την καµπύλη υγρασίας 100% είναι η αντίστοιχη θερµοκρασία αδιαβατικού κορεσµού. Η σχέση, µέσω της οποίας ορίζεται η θερµοκρασία αδιαβατικού κορεσµού, είναι η ακόλουθη: S1 ( t G1 t as) = ( Y as Y1) λ as C (1.3) 1.4. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΓΡΗΣ ΣΦΑΙΡΑΣ [3,4] Η θερµοκρασία υγρής σφαίρας (ή υγρού βολβού) t w είναι η θερµοκρασία ισορροπίας, η οποία επικρατεί, όταν µικρή ποσότητα υγρού εξατµίζεται σε µεγάλη ποσότητα µη κεκορεσµένου µίγµατος αερίου-ατµού. Η θερµοκρασία αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µέτρηση της σύστασης του µίγµατος. Η τιµή της θερµοκρασίας υγρής σφαίρας δίνεται από την ακόλουθη απλοποιηµένη σχέση: t λ ( Υ Υ ) W W G t W = (1.4) h G /k Y όπου o k Y είναι ο ευνοϊκός συντελεστής µεταφοράς µάζας και είναι ίσος µε : k = M p K (1.5) Y B B,M G Όταν σταθερό διερχόµενο ρεύµα ψύχει υγρή επιφάνεια υλικού εµποτισµένου µε καθαρό νερό, τότε µετά από ικανό χρόνο και υπό συνθήκες αδιαβατικής µεταβολής, η θερµοκρασία της υγρής επιφάνειας δε µεταβάλλεται πλέον. Η θερµοκρασία αυτή που 11

είναι µικρότερη της θερµοκρασίας του αέρα (θερµοκρασία ξηρού βολβού), καλείται θερµοκρασία υγρού βολβού (WBT) και είναι συνάρτηση της υγρασίας του αέρα. 1.5. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΞΗΡΗΣ ΣΦΑΙΡΑΣ [3,4] Η θερµοκρασία ξηρής σφαίρας (ξηρού βολβού (DBT)) είναι η θερµοκρασία αερίου ή µίγµατος αερίων π.χ ατµοσφαιρικού αέρα που µετράται µε µια από τις γνωστές θερµοµετρικές διατάξεις ακριβείας. Γνωρίζοντας τη θερµοκρασία ξηρής σφαίρας (ξηρού βολβού) και τη σχετική υγρασία που επικρατεί στη συγκεκριµένη θερµοκρασία, είναι δυνατός ο υπολογισµός της εκάστοτε θερµοκρασίας υγρής σφαίρας (υγρού βολβού) από τον ψυχροµετρικό χάρτη- διάγραµµα. Σχήµα 1.1.[5] 12

Για παράδειγµα αν η θερµοκρασία ξηρού βολβού είναι 30 ο C και η σχετική υγρασία 50% από το παραπάνω διάγραµµα προκύπτει ότι η θερµοκρασία υγρού βολβού θα είναι 22 ºC, ενώ για την ίδια θερµοκρασία ατµόσφαιρας αν έχουµε σχετική υγρασία 80%, η θερµοκρασία υγρού βολβού θα είναι 27 ºC περίπου. Το πλεονέκτηµα που εµφανίζει ο υγρός πύργος ψύξης είναι ότι και για θερµοκρασία αέρα ξηρού βολβού µεγαλύτερη από τη θερµοκρασία εισόδου του νερού, ο πύργος ψύξης ψύχει το νερό, από τη στιγµή που η θερµοκρασία υγρού βολβού είναι µικρότερη από τη θερµοκρασία εισόδου του νερού. 2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ Ο πύργος ψύξης είναι συσκευή, µέσα στην οποία έρχονται σε επαφή ένα ρεύµα αέρα περιβάλλοντος µε ένα ρεύµα θερµού νερού και λαµβάνουν χώρα φαινόµενα µεταφοράς θερµότητας και µάζας. Το θερµό νερό ψύχεται και από την επαφή µε το ρεύµα του αέρα και λόγω της µεταφοράς θερµότητας µέσω εξάτµισης. Αυτός είναι και ο λόγος ύπαρξης του πύργου ψύξης. Οι πύργοι ψύξης έχουν χρησιµοποιηθεί ευρέως για τη διάθεση των θερµικών αποβλήτων βιοµηχανικών διεργασιών και των ψυκτικών συστηµάτων ή συστηµάτων κλιµατισµού, καθιστώντας φτηνότερη ή πιο βολική την αποβολή θερµότητας στην ατµόσφαιρα, παρά στο νερό κοντινού ποταµού, λίµνης, ή ωκεανού. Σε πολλές περιπτώσεις, η λύση που επιλεγόταν καθοριζόταν κυρίως από το κόστος. Όµως από τον Β' Παγκόσµιο Πόλεµο και µετά, η ραγδαία ανάπτυξη των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας είχε αρχίσει να υπερβαίνει το ποσό της θερµότητας που µπορούν να δεχτούν κάποια από τα ποτάµια. Έτσι, ακόµα και µε το ευρύ γεωγραφικό πλάτος που αφήνει ανοιχτή την επιλογή τοποθεσιών για τους κεντρικούς σταθµούς, σε πολλές περιπτώσεις δεν έχει υπάρξει άλλη εναλλακτική λύση από το να χτιστούν µεγάλες εγκαταστάσεις ψυκτικών πύργων. Ο σχεδιασµός των ψυκτικών πύργων είναι πολύ πιο εµπειρικός από οποιονδήποτε άλλο τύπο εναλλάκτη θερµότητας. Υπάρχουν τόσοι πολλοί αστάθµητοι παράγοντες, ώστε µερικοί µηχανικοί βασίζονται και στον παράγοντα της τύχης. Η µεγαλύτερη δυσκολία απορρέει από τις ιδιοµορφίες της συµπεριφοράς της ατµόσφαιρας στην 13

περιοχή που γειτονεύει µε τον ψυκτικό πύργο. Κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες, µε λίγο ή καθόλου άνεµο, οι συνδυασµένες επιδράσεις της γεωµετρίας του τοπίου και των κτιρίων στην περιοχή που γειτονεύουν, µπορεί να οδηγήσει στην ανακυκλοφορία του αέρα µέσω του πύργου και κατά συνέπεια στη µείωση της απόδοσης. Αυτές οι επιπτώσεις εξαρτώνται τόσο πολύ από την τοπική τοπογραφία, την κυριαρχούσα διεύθυνση των ανέµων, τις καιρικές συνθήκες και τα συναφή που είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Έτσι, η απόδοση ενός πύργου ψύξης συγκεκριµένου σχεδιασµού µπορεί να ποικίλει ανάλογα µε την εκάστοτε τοποθεσία. Για τις διεργασίες που περιγράφηκαν µέχρι τώρα µπορούν να χρησιµοποιηθούν συσκευές, όπως οι πύργοι ψύξης µε πληρωτικά υλικά. Το νερό που χρησιµοποιείται σε χηµικές και πετρελαϊκές βιοµηχανίες, θερµικές και πυρηνικές εγκαταστάσεις, ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, καθώς και σε συστήµατα ψύξης και κλιµατισµού, θερµαίνεται κατά τη διάρκεια της χρήσης του και στη συνέχεια πρέπει να ψυχθεί για εκ νέου χρήση. Ο πύργος ψύξης επιτυγχάνει σηµαντική µείωση της θερµοκρασίας του νερού µια ποσότητα του νερού εξατµίζεται σε ρεύµα αέρα. Μέσα στον πύργο, τα δύο ρευστά, ο αέρας περιβάλλοντος και το θερµό νερό, έρχονται σε απευθείας επαφή και µέσω της µεταφοράς θερµότητας, (που συνοδεύεται και από εξάτµιση µέρους του νερού), η θερµοκρασία του νερού µειώνεται. Το είδος του πληρωτικού υλικού που χρησιµοποιείται στον πύργο παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο, γιατί παρέχει πολύ µεγάλη επιφάνεια επαφής του θερµού νερού µε τον αέρα περιβάλλοντος. Αυτό αιτιολογεί την εξάτµιση µικρού µέρους του νερού, µε µια αντίστοιχη αφαίρεση θερµότητας από το υπόλοιπο νερό, καθώς το ρεύµα αέρα θερµαίνεται και υγραίνεται απορροφώντας θερµότητα και υγρασία. Μια µελέτη του Συµβουλίου Ηλεκτρικής Αξιοπιστίας της Βόρειας Αµερικής εκτίµησε ότι το 5 % της απώλειας θερµότητας οφείλεται στην κακή λειτουργία των πύργων ψύξης. Έτσι, είναι εξαιρετικά σηµαντική η βελτιστοποίηση στο σχεδιασµό και στη λειτουργία των πύργων ψύξης. Μέχρι σήµερα, αρκετοί ερευνητές έχουν επεξεργαστεί αυτό το θέµα, µέσα από πειραµατικές αναλύσεις των φαινοµένων µεταφοράς θερµότητας και µάζας στους πύργους ψύξης, καθώς αποτελούν σηµαντική πηγή διατήρησης της ενέργειας. 14

2.2. ΤΥΠΟΙ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ [3,6] Οι ψυκτικοί πύργοι αναπτύχθηκαν από τις τεχνητές λίµνες ψεκασµού (spray ponds) σε µια προσπάθεια να αποκτηθεί ένα σύστηµα που καταλάµβανε λιγότερο χώρο. Πρέπει να τονιστεί σ αυτό το σηµείο ότι η ικανότητα διάχυσης θερµότητας ανά µονάδα επιφάνειας µιας µικρής λίµνης µπορεί να αυξηθεί περίπου 20 φορές εγκαθιστώντας ένα απλό σύστηµα ψεκασµού και περίπου 1000 χτίζοντας ένα ψυκτικό πύργο. Οι ψυκτικοί πύργοι έχουν ακόµα ένα πλεονέκτηµα έναντι των τεχνητών λιµνών ψεκασµού: µειώνουν την κατανάλωση νερού για ένα συγκεκριµένο φορτίο θερµότητας σε ένα συντελεστή περίπου 5, γιατί µπορούν να σχεδιαστούν για να µειώσουν την απώλεια του νερού που αφαιρείται υπό µορφή σταγονιδίων λόγω του ανέµου. Η επαφή και κατ επέκταση η συναλλαγή θερµότητας και µάζας µεταξύ των δύο ρευµάτων αέρα νερού µπορεί να γίνεται µε δύο τρόπους. Κατά αντιρροή, όπου οι κατευθύνσεις των ροών αέρα και νερού είναι παράλληλες και αντίθετες και µε εγκάρσια ροή, όπου είναι κάθετες µεταξύ τους. ηλαδή στην πρώτη περίπτωση τα δύο ρεύµατα ρέουν παράλληλα (βλ. σχήµα 2.1), ενώ στη δεύτερη διασταυρώνονται (βλ. σχήµα 2.2). Ακόµα, ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο επιτυγχάνεται η κυκλοφορία του αέρα µέσα σε έναν πύργο, οι ψυκτικοί πύργοι διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: στους πύργους φυσικής κυκλοφορίας (natural draft cooling towers) και στους πύργους µηχανικής κυκλοφορίας (mechanical draft cooling towers). 15

Σχήµα 2.1. Πύργος ψύξης αντιρροής. [7] Σχήµα 2.2. Πύργος ψύξης εγκάρσιας ροής. [7] Εδώ αξίζει να σηµειωθεί ότι µηχανικός αερισµός (µηχανική κυκλοφορία) χρησιµοποιείται στις µικρού και µεσαίου µεγέθους εγκαταστάσεις και για τους δυο τρόπους επαφής των δύο ρευµάτων αέρα νερού (αντιρροή των δύο ρευµάτων και εγκάρσια ροή). Υπάρχουν δύο είδη πύργων µηχανικής κυκλοφορίας, οι πύργοι εξαναγκασµένης κυκλοφορίας - µε κατάθλιψη αέρα (forced) και οι πύργοι 16

υποβοηθούµενης- επαγόµενης κυκλοφορίας- µε ελκυσµό (induced). Από την άλλη πλευρά, πύργοι φυσικής κυκλοφορίας χρησιµοποιούνται σε πολύ µεγάλες εγκαταστάσεις (πυρηνικοί και οι θερµοηλεκτρικοί σταθµοί). Η λειτουργία των πύργων φυσικής κυκλοφορίας βασίζεται στη ροή λόγω διαφοράς πυκνότητας µεταξύ του ψυχρού αέρα εισόδου και του θερµού αέρα εξόδου. Η ταχύτητα του αέρα σε αυτούς τους πύργους ψύξης κυµαίνεται µεταξύ 1.5-2 m/s. [3] 2.3. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ [2,6,8] Ο απλούστερος τύπος ψυκτικού πύργου είναι µια µικρή τεχνητή λίµνη ψεκασµού που περιβάλλεται από τοίχους, οι οποίοι έχουν κεκλιµένα µικρά ανοίγµατα. Σε αυτό τον τύπο πύργου ψύξης ο αέρας αλλάζει κατεύθυνση στο πέρασµά του από τα ανοίγµατα, καθώς διαφεύγει, και τα σταγονίδια νερού που εγκλωβίζονται, προσκρούουν πάνω στα πτερύγια των ανοιγµάτων, αποµακρύνονται από τον πύργο και διοχετεύονται πίσω µέσα στη δεξαµενή στη βάση του πύργου. Οι απαιτήσεις για την άντληση των υδάτων και η χωρητικότητα του πύργου ψύξης ανά µονάδα βασικής έκτασης µπορούν να βελτιωθούν τοποθετώντας οριζόντιες επιφάνειες εσωτερικά στον πύργο ψύξης, ώστε να µειωθεί η µέση ταχύτητα των σταγονιδίων που πέφτουν και να αυξηθεί ο χρόνος που αυτά εκτίθενται στο ρεύµα ψύξης αέρα που υπάγεται µέσω του πύργου. Άλλο ένα πλεονέκτηµα αυτής της προσέγγισης είναι ότι καθιστά δυνατή την εµφάνιση αντιρροής και κατά συνέπεια, χαµηλότερη θερµοκρασία κατά την έξοδο του ρεύµατος νερού. Η χρήση ψεκαστήρων νερού χαµηλής πίεσης στην κορυφή του πύργου, η τοποθέτηση οριζόντιων στρωµάτων από συρµατόπλεγµα µέσα σ αυτόν και η διαρρύθµιση των τοίχων, έτσι ώστε ο αέρας να εισέρχεται οριζόντια και να εκτονώνεται κατακόρυφα, σχετίζονται µε το τελευταίο αναφερθέν πλεονέκτηµα. Ένα επιθυµητό χαρακτηριστικό της επιλεγοµένης διευθέτησης (-διάταξης) είναι η κατακόρυφη ανοδική κίνηση του αέρα να επιβραδύνει την πτώση των σταγονιδίων νερού και συνεπώς να αυξάνει την αποτελεσµατική επιφάνεια για οποιαδήποτε δεδοµένο ρυθµό ροής. Σε αυτόν τον τύπο πύργου ψύξης οι επιφάνειες εσωτερικά στον πύργο ονοµάζονται επιφάνειες γεµίσµατος- πληρωτικού υλικού και είναι συνήθως κατανεµηµένες µε τέτοιο τρόπο, ώστε τα σταγονίδια νερού να διανύουν απόσταση µόνο λίγων ποδιών (1ft= 0.305 m) πριν προσκρούσουν σε µια επιφάνεια 17

πληρωτικού υλικού. Μερικά τυπικά πλέγµατα ή στρώµατα είναι φτιαγµένα από λωρίδες redwood (ερυθρόδεντρου) καρφωµένες σε δοκούς επίσης του ίδιου υλικού. Συχνά αυτά αντικαθιστώνται από πλέγµατα κατασκευασµένα από πλαστικά υλικά. Η αυξανόµενη θερµοκρασία του αέρα που µετακινείται ανοδικά ανάµεσα στον πύργο δηµιουργεί αγωγή θερµότητας κατά την κυκλοφορία, η οποία είναι ιδιαίτερα χρήσιµη, αν η ταχύτητα του ανέµου είναι πολύ χαµηλή. Για µεγάλες εγκαταστάσεις, πολλοί πύργοι ψύξης αυτού του είδους µπορούν να τοποθετηθούν σε σειρά (βλ. Εικόνα 2.1.) σε σωστή γωνία προς την κατεύθυνση της κυρίαρχης διεύθυνσης του ανέµου. Αυτός είναι ένας αποτελεσµατικός διακανονισµός σε παράκτιες περιοχές, όπου οι άνεµοι είναι κατά κύριο λόγο χερσαίοι ή υπεράκτιοι. Άλλες συνθήκες που ευνοούν αυτούς τους µεγάλους πύργους ψύξης φυσικής κυκλοφορίας είναι το µεγάλο θερµοκρασιακό εύρος (και συνακόλουθα µια ουσιαστική αύξηση της θερµοκρασίας του αέρα), η ελευθερία, όσον αφορά τo approach-προσέγγιση (Τ 2 -Τ WB ), το µεγάλο φορτίο θερµότητας κατά το χειµώνα και οι χαµηλές κεφαλαιακές επιβαρύνσεις. Οι σωροί είναι φτιαγµένοι από ενισχυµένο σκυρόδεµα µε πάχος τοιχωµάτων που κυµαίνεται συνήθως από 2 in (0.0508 m) έως 6 in (0.1524 m). Το σχήµα είναι κατάλληλο έτσι ώστε τα δύο στρώµατα των ευθέων δοκών από ενισχυµένο χάλυβα, να µπορούν να τοποθετηθούν υπό κλίση σε διαφορετικές κατευθύνσεις από την κατακόρυφο, και να σχηµατίζουν δίκτυο. Αυτή η διευθέτηση διευκολύνει την επεξεργασία και παρέχει στιβαρή κατασκευή (hypoidυποειδές). Οι πύργοι φυσικής κυκλοφορίας χρησιµοποιούνται για λόγους ροής νερού µεγαλύτερους από 45,000 m 3 /hr. Σχήµα 2.3. Πύργος ψύξης φυσικής κυκλοφορίας.[9] 18

Εικόνα 2.1. Πύργοι ψύξης φυσικής κυκλοφορίας τοποθετηµένοι σε σειρά. [10] Υπάρχουν δύο είδη πύργων φυσικής κυκλοφορίας, oι πύργοι φυσικής κυκλοφορίας τύπου ψεκασµού (spray type) και οι πύργοι φυσικής κυκλοφορίας τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού). 2.3.1. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΤΥΠΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ (SPRAY TYPE) Στους πύργους φυσικής κυκλοφορίας τύπου ψεκασµού, το θερµό νερό ψεκάζεται στο πληρωτικό υλικό. Όλο το σύστηµα στεγάζεται σε µια κατασκευή, µέσα στην οποία υπάρχει διάταξη ψεκασµού (spray header), ακροφύσια ψεκασµού-ψεκαστήρες (spray nozzles) και ανοίγµατα αερισµού-κεκλιµένα ανοίγµατα (louvers). Τα ανοίγµατα αερισµού συνήθως κατασκευάζονται από χάλυβα και είναι τοποθετηµένα στις πλευρές της εγκατάστασης, ώστε να ενισχύουν την κυκλοφορία του αέρα στο εσωτερικό της. Προκειµένου να αποφευχθεί η απώλεια σταγόνων νερού στην ατµόσφαιρα, τα ανοίγµατα έχουν κλίση προς το εσωτερικό. Συνήθως αυτός ο τύπος πύργου ψύξης τοποθετείται έξω από το κτίριο, ώστε ο αέρας να κυκλοφορεί ελεύθερα µέσα σε αυτόν. Το σχήµα 2.4. εξηγεί τον τρόπο λειτουργίας της παραπάνω εγκατάστασης: 19

Σχήµα 2.4. Πύργος φυσικής κυκλοφορίας τύπου ψεκασµού.[8] Το θερµό νερό διοχετεύεται µέσω αντλίας στη διάταξη ψεκασµού (spray header). Η διάταξη ψεκασµού είναι τοποθετηµένη στην κορυφή, όπως φαίνεται και στο σχήµα (σχήµα 2.4). Τα ακροφύσια ψεκασµού, ψεκάζουν το θερµό νερό στο εσωτερικό του πύργου. Αέρας από το περιβάλλον έρχεται σε επαφή µε το θερµό νερό και ως εκ τούτου κάποιες σταγόνες νερού εξατµίζονται. Το εξατµιζόµενο νερό απορροφά ένα ποσό λανθάνουσας θερµότητας από το υπόλοιπο νερό, γεγονός που έχει ως αποτέλεσµα το νερό που µένει να ψύχεται. Ακόµα, ο διερχόµενος αέρας απορροφά ένα ποσό αισθητής θερµότητας από το θερµό νερό. Το νερό που χάνεται λόγω εξάτµισης υπολογίζεται µετρώντας τη στάθµη του νερού στη δεξαµενή και συµπληρώνεται όσο χρειάζεται µέσω βάνας. Το µέγεθος των σταγόνων του νερού που ψεκάζεται µέσα στον πύργο έχει ιδιαίτερη σηµασία για τη λειτουργία του πύργου. Αν οι σταγόνες είναι πολύ µικρές, παρασύρεται µεγαλύτερη ποσότητα νερού από το ρεύµα αέρα. Από την άλλη πλευρά, αν οι σταγόνες του νερού είναι πολύ µεγάλες, µειώνεται η επιφάνεια επαφής νερούαέρα. 20

2.3.2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΤΥΠΟΥ SPLASH ( ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ) Στους πύργους φυσικής κυκλοφορίας τύπου διασκορπισµού (splash deck type), το νερό περνά από µικρές οπές. Αυτός ο τύπος πύργου ψύξης είναι παρόµοιος µε τον προηγούµενο, αλλά αντί για ψεκαστήρα στην περίπτωση αυτή υπάρχει µια µικρή λεκάνη νερού µε µικρές οπές στον πυθµένα. Το θερµό νερό εισέρχεται στη λεκάνη και διαµέσου των µικρών οπών διανέµεται στο εσωτερικό της εγκατάστασης. Ο κύριος σκοπός αυτού του πύργου είναι η αύξηση της επιφάνειας επαφής των δύο ρευµάτων νερού - αέρα και είναι κατά 20-30% πιο αποδοτικός από τον πύργο τύπου ψεκασµού. Εικόνα 2.2. ιανοµή νερού σε πύργο ψύξης τύπου φύλλα διασκορπισµού. 2.4. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ Η απόδοση ενός πύργου ψύξης δεδοµένου µεγέθους µπορεί να αυξηθεί µε την εγκατάσταση ενός ανεµιστήρα. Το προστιθέµενο κόστος λόγω του ανεµιστήρα και η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει συνήθως αντισταθµίζονται από τις µειώσεις στις βασικές δαπάνες ανά µονάδα ικανότητας απόρριψης θερµότητας. Οι πύργοι µηχανικής κυκλοφορίας προτιµώνται σε διυλιστήρια πετρελαίου και σε άλλες βιοµηχανίες κατεργασιών, καθώς και σε κεντρικά συστήµατα κλιµατισµού, γιατί καλύπτουν µεγάλο εύρος µεγεθών, είναι πιο συµπαγείς, παρέχουν πιο οµοιόµορφη ψύξη του νερού και έχουν χαµηλότερη απώλεια νερού σε σχέση µε τους πύργους 21

ψύξης φυσικής κυκλοφορίας. Υπάρχουν δύο τύποι πύργων µε ανεµιστήρα που ξεχωρίζουν ανάλογα µε τη θέση που βρίσκεται ο ανεµιστήρας: οι πύργοι κυκλοφορίας µε κατάθλιψη αέρα (εξαναγκασµένης ροής)-(forced) και οι πύργοι κυκλοφορίας µε ελκυσµό αέρα (υποβοηθούµενης-επαγόµενης ροής)- (induced). 2.4.1. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΘΛΙΨΗ ΑΕΡΑ (ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ) [3,6,9] Στους πύργους εξαναγκασµένης ροής - µε κατάθλιψη αέρα οι ανεµιστήρες εγκαθίστανται κοντά στη βάση του πύργου, ώστε η ροή του αέρα να κατευθύνεται οριζόντια στο εσωτερικό και έτσι να επιτυγχάνεται η εξαναγκασµένη ροή. Σε αυτή τη διάταξη συµπεριλαµβάνεται και ένας συλλέκτης νερού (eliminator), ώστε να µειώνεται η ποσότητα των σταγόνων νερού που παρασύρει το ρεύµα του αέρα. Πτώση πίεσης του αέρα Η πτώση πίεσης του αέρα σε έναν πύργο ψύξης εξαναγκασµένης κυκλοφορίας εν µέρει οφείλεται στην γεωµετρία της πλήρωσης και εν µέρει στο ποσοστό ροής του νερού, αφού τα σταγονίδια που πέφτουν έχουν µια συνολική επιφάνεια, η οποία µπορεί να είναι µεγαλύτερη από αυτή της πλήρωσης. Αυτό συνεπάγεται ότι η έκφραση για την πτώση της πίεσης θα έπρεπε να έχει δύο όρους: ο πρώτος είναι η συνάρτηση της γεωµετρίας της πλήρωσης µε το ποσοστό ροής του αέρα και ο δεύτερος η συνάρτηση της γεωµετρίας της πλήρωσης µε το ποσοστό ροής του νερού και του αέρα. 22

Σχήµα 2.5. Ψυκτικός πύργος αντιρροής µε κατάθλιψη αέρα.[9] 2.4.2. ΠΥΡΓΟΙ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΛΚΥΣΜΟ ΑΕΡΑ (ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ) [3,6,9] Στους πύργους υποβοηθούµενης ροής - µε ελκυσµό (induced) ο ανεµιστήρας τοποθετείται στην κορυφή του πύργου, ώστε να ανασηκώνει τον αέρα µέσα στον πύργο και στη συνέχεια να τον αποβάλλει κατακόρυφα από την κορυφή. Οι πύργοι υποβοηθούµενης ροής µπορούν να είναι και αντιρροής και εγκάρσιας ροής. Σχήµα 2.6. Ψυκτικός πύργος αντιρροής µε ελκυσµό αέρα (χωρίς πληρωτικό υλικό).[9] 23

Σχήµα 2.7. Ψυκτικός πύργος εγκάρσιας µονής ροής µε ελκυσµό.[9] Σχήµα 2.8. Ψυκτικός πύργος εγκάρσιας διπλής ροής.[9] 2.4.3. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΘΛΙΨΗ ΑΕΡΑ (ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ) ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΕ ΕΛΚΥΣΜΟ ΑΕΡΑ (ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΗΣ ΡΟΗΣ) Εκ πρώτης όψεως είναι απλούστερο να τροφοδοτείται µια ισχυρή κατασκευή ανεµιστήρα, στην πραγµατικότητα όµως η δεύτερη περίπτωση είναι ορθότερη. Αυτό συµβαίνει γιατί επηρεάζεται λιγότερο από τη διεύθυνση του ανέµου, αλλά και επειδή αποβάλλοντας τον αέρα από την κορυφή του πύργου µέσα σε ένα δυνατό 24

κατακόρυφο ρεύµα, µειώνεται η ανακυκλοφορία του θερµού υγρού αέρα ξανά µέσα στον πύργο υπό δυσµενείς συνθήκες. Οι ανεµιστήρες χαµηλής ταχύτητας χρησιµοποιούνται για να περιοριστεί η κατανάλωση ενέργειας. Για τις εγκαταστάσεις ανεµιστήρων υποβοηθούµενης κυκλοφορίας (induced draft installations) ο κινητήρας είναι συνήθως τοποθετηµένος στη µια πλευρά του ανεµιστήρα και η ενέργεια µεταδίδεται διαµέσου οριζοντίου άξονα σε ένα κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο βρίσκεται στον κατακόρυφο άξονα κάτω από τον ανεµιστήρα. Η διαµόρφωση οριζόντιας ροής επιτρέπει µείωση του ύψους του πύργου και προφανώς του κόστους, σε περιοχές που δεν απαιτείται ένας µεγαλύτερος σε ύψος πύργος λόγω της φύσης του εδάφους και των γειτονικών κτιρίων. 2.5. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ Στους πύργους µηχανικής κυκλοφορίας, ο ανεµιστήρας που τραβά τον αέρα προς τα επάνω, συντελεί στην ταχύτερη και αποτελεσµατικότερη ψύξη του νερού. Επίσης, για την ίδια απόδοση, ο πύργος µηχανικής κυκλοφορίας είναι πολύ µικρότερος από τον πύργο φυσικής κυκλοφορίας, γιατί η ψύξη του νερού µε τη βοήθεια του ανεµιστήρα επιτυγχάνεται πολύ πιο γρήγορα. Ακόµα, στους πύργους µηχανικής κυκλοφορίας, ρυθµίζοντας την ταχύτητα του ανεµιστήρα, ρυθµίζεται η ροή του αέρα και κατ επέκταση η απόδοση της συσκευής. Περαιτέρω, οι πύργοι µηχανικής κυκλοφορίας δεν έχουν απαιτήσεις όσον αφορά την περιοχή τοποθέτησης τους- µπορούν να τοποθετηθούν ακόµα και µέσα σε κτίριο, σε αντίθεση µε τους πύργους φυσικής κυκλοφορίας που τοποθετούνται µόνο σε ανοιχτό χώρο. Από την άλλη πλευρά, στους πύργους µηχανικής κυκλοφορίας απαιτείται µεγαλύτερο ποσό ενέργειας για τη λειτουργία του συστήµατος που σηµαίνει µεγαλύτερο κόστος. Το κόστος αυξάνεται και από τη συντήρηση των ανεµιστήρων, των κινητήρων και των συναφών στοιχείων. 25

2.6. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΣΤΗΝ ΕΞΟ Ο ΑΠΟ ΤΟΝ ΠΥΡΓΟ ΨΥΞΗΣ [11,12] Ο αέρας που εξέρχεται από τους πύργους ψύξης περιέχει νερό κυκλοφορίας υπό µορφή σταγονιδίων. Οι σταγόνες που έχουν διάµετρο µέχρι 10 µm κατατάσσονται στην οµίχλη και στον υπερκεκορεσµένο αέρα, ενώ οι σταγόνες µε διάµετρο µεγαλύτερη από 10 µm στο µηχανικά παρασυρόµενο νερό, το οποίο δεν συγκρατείται από τον εξοπλισµό διαχωρισµού του νερού και αέρα του πύργου ψύξης. Ένα µέρος από τα εκπεµπόµενα σταγονίδια εξατµίζεται και το υπόλοιπο συµπυκνώνεται και πέφτει σαν βροχή στο έδαφος. Ακόµα, επειδή ο αέρας που εξέρχεται από τον πύργο ψύξης είναι περίπου κορεσµένος και έχει θερµοκρασία, συνήθως µεγαλύτερη από την θερµοκρασία περιβάλλοντος, κατά την έξοδό του από τον πύργο ψύξης ψύχεται και αποβάλλει µέρος από την θερµότητα που έχει απορροφήσει. Έτσι, εµφανίζεται ένα σύννεφο υδρατµών πάνω από τους πύργους ψύξης. Βέβαια, αξίζει να σηµειωθεί ότι σύγχρονες µελέτες έχουν αποδείξει ότι το τοπικό κλίµα δεν επηρεάζεται από τους πύργους ψύξης. 2.7. ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ [3,9] Τα βασικά στοιχεία που αποτελούν έναν πύργο ψύξης είναι: ο σκελετός και το περίβληµα (frame and casing), το πληρωτικό υλικό (fill), η δεξαµενή κρύου νερού (cold water basin), η είσοδος του αέρα στον πύργο (inlet air), τα ανοίγµατα αερισµού (louvers), τα ακροφύσια (nozzles) και οι ανεµιστήρες (fans). Ακολουθεί ανάλυση των στοιχείων αυτών: Ο σκελετός και το περίβληµα (frame and casing). Οι περισσότεροι ψυκτικοί πύργοι έχουν ένα σκελετό- πλαίσιο που στηρίζει το περίβληµα του πύργου, καθώς και τα στοιχεία που τον αποτελούν. Σε µικρές µονάδες πολλές φορές το περίβληµα είναι και ο σκελετός. Το πληρωτικό υλικό (fill) διευκολύνει τη µεταφορά θερµότητας ανάµεσα στο δύο ρεύµατα νερού και αέρα, αυξάνοντας την επιφάνεια επαφής τους. Συνήθως κατασκευάζεται από πλαστικό ή ξύλο. 26

Η δεξαµενή-λεκάνη κρύου νερού (cold water basin) τοποθετείται στη βάση του πύργου ή πολύ κοντά σε αυτή. Εκεί συλλέγεται το νερό που έχει ψυχθεί στον πύργο έχοντας διέλθει από την περιοχή του πληρωτικού υλικού. Στη δεξαµενή κρύου νερού ελέγχεται η στάθµη του νερού και µέσω βάνας συµπληρώνεται η απαιτούµενη ποσότητα νερού. Σε πολλούς πύργους η λεκάνη βρίσκεται κάτω από το πληρωτικό υλικό. Εικόνα 2.3. εξαµενή κρύου νερού. Οι Συλλέκτες νερού (drift eliminators) είναι συσκευές που συλλέγουν τα σταγονίδια νερού που έχουν εγκλωβιστεί στο ρεύµα αέρα προκειµένου αυτά να µη χαθούν στην ατµόσφαιρα. Εικόνα 2.4. Συλλέκτης νερού σε πύργο ψύξης.[13] 27

Η είσοδος του αέρα στον πύργο (inlet air) είναι το µέρος του πύργου, από το οποίο εισέρχεται ο αέρας. Στους πύργους εγκάρσιας ροής βρίσκεται στη µια πλευρά του πύργου (γιατί ο αέρας εισέρχεται από τα πλάγια), ενώ στους πύργους αντιρροής µπορεί να βρίσκεται στη βάση του πύργου ή πολύ κοντά σε αυτή (γιατί ο αέρας ρέει παράλληλα µε το νερό). Τα ανοίγµατα αερισµού (louvers): σκοπός τους είναι να ελέγχουν τη ροή του αέρα µέσα στο πληρωτικό υλικό, να τη διορθώνουν, όταν χρειάζεται, καθώς και να διατηρούν το νερό µέσα στο πληρωτικό υλικό. Ανοίγµατα αερισµού υπάρχουν στους πύργους εγκάρσιας ροής. Τα ακροφύσια - εγχυτήρες-ψεκαστήρες (nozzles): σκοπός τους είναι η διοχέτευση του νερού στην περιοχή του πληρωτικού υλικού. Είναι απαραίτητη η οµοιόµορφη διανοµή νερού στο άνω µέρος του πληρωτικού υλικού, προκειµένου να επιτευχθεί σωστή κατανοµή του νερού στις επιφάνειες του πληρωτικού υλικού. Τα ακροφύσια µπορεί να είναι σταθερά σε ένα µέρος, τετράγωνης µορφής ψεκαστήρες ή µέρος ενός περιστρεφόµενου µηχανισµού (τέτοιοι υπάρχουν σε κυκλικούς πύργους εγκάρσιας ροής). Εικόνα 2.5. Σύστηµα διανοµής του νερού µε ακροφύσια-ψεκαστήρες σε πύργους ψύξης.[14] Τα ακροφύσια- εγχυτήρες- ψεκαστήρες διακρίνονται σε ακροφύσια πύργων αντιρροής και σε ακροφύσια πύργων εγκάρσιας ροής. Ακολουθεί σύντοµη ανάλυση των ψεκαστήρων σε πύργους αντιρροής µε πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ και των 28

ψεκαστήρων σε πύργους εγκάρσιας ροής µε πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού). Τα ακροφύσια- εγχυτήρες που χρησιµοποιούνται σε πύργους ψύξης αντιρροής είναι συνήθως ενιαία (δε διαθέτουν ξεχωριστά εσωτερικά µέρη ή εσωτερικά περάσµατα). Ο συνδεδεµένος δακτύλιος διασκορπισµού (attached diffusion ring) δε συγκεντρώνει τις διάφορες φερτές ύλες. Το κωνικό πρότυπο διανοµής του νερού (full-cone distribution pattern) εξασφαλίζει οµοιόµορφη διανοµή του νερού κυρίως σε πληρωτικά υλικά τύπου φιλµ. Εικόνα 2.6. Ψεκαστήρες σε πύργους αντιρροής.[13] Τα ακροφύσια πύργων εγκάρσιας ροής µε πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) είναι συνήθως µεγαλύτερα από τα ακροφύσια που χρησιµοποιούνται σε πύργους αντιρροής µε πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ. Αυτό συµβαίνει διότι στους πύργους εγκάρσιας ροής τα µικρότερα ακροφύσια τείνουν να φράζουν. Συνήθως είναι ενιαία και κατασκευάζονται από υψηλής αντοχής πολυπροπυλένιο. Ο συγκεκριµένος τύπος ακροφυσίων είναι ιδανικός προκειµένου να αποφεύγονται προβλήµατα υπερχείλισης στη δεξαµενή κρύου νερού που συχνά προκύπτουν στους πύργους εγκάρσιας ροής. Εικόνα 2.7. Ψεκαστήρες σε πύργους εγκάρσιας ροής.[13] 29

Ανεµιστήρες (fans): στους πύργους ψύξης µπορούν να τοποθετηθούν και αξονικοί και φυγοκεντρικοί ανεµιστήρες. Και οι δύο τύποι ανεµιστήρων µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πύργους εξαναγκασµένης ροής, ενώ µόνο αξονικοί ανεµιστήρες τοποθετούνται στους πύργους µε ελκυσµό αέρα (υποβοηθούµενης ροής- induced cooling towers). Οι ανεµιστήρες είναι ρυθµιζόµενου βήµατος, γεγονός που επιτρέπει τη λειτουργία τους, όταν και όσο χρειάζεται, ανάλογα µε το πότε και πόσο πρέπει να ψυχθεί το νερό. Εικόνα 2.8. Ανεµιστήρας σε πύργο ψύξης.[15] 2.8. ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ Τα πρώτα χρόνια κατασκευής των πύργων ψύξης, οι πύργοι κατασκευάζονταν από ξύλο. Από ξύλο κατασκευαζόταν ο σκελετός, το περίβληµα, τα ανοίγµατα αερισµού, το γέµισµα (πληρωτικό υλικό) και συχνά η δεξαµενή του κρύου νερού στη βάση του πύργου. Η δεξαµενή µπορούσε να είναι και από τσιµέντο, αντί για ξύλο. Σήµερα οι κατασκευαστές ψυκτικών πύργων κατασκευάζουν τους πύργους και τα διάφορα µέρη τους από διάφορα υλικά. Συνήθως χρησιµοποιούνται υλικά που είναι ανθεκτικά στη διάβρωση, δε χρειάζονται ιδιαίτερη συντήρηση, είναι αξιόπιστα και έχουν µεγάλη διάρκεια ζωής. Στην κατασκευή των πύργων συχνά χρησιµοποιείται γαλβανισµένος χάλυβας, διάφοροι τύποι ανοξείδωτου χάλυβα, υαλονήµατα (fiber glass) και τσιµέντο, ενώ στην κατασκευή κάποιων επιµέρους στοιχείων του πύργου, χρησιµοποιείται αλουµίνιο και διάφοροι τύποι πλαστικού. 30

Στις µέρες µας υπάρχουν ακόµα πύργοι κατασκευασµένοι από ξύλο, αλλά έχουν συνήθως περιβλήµατα από υαλονήµατα που καλύπτουν τον ξύλινο σκελετό. Συνήθως, τα ανοίγµατα για την εισαγωγή αέρα (inlet air louvers) είναι από υαλονήµατα, το πληρωτικό υλικό από πλαστικό και η δεξαµενή κρύου νερού από χάλυβα. Οι µεγάλοι πύργοι συνήθως κατασκευάζονται από τσιµέντο. Το περίβληµα και η δεξαµενή κρύου νερού αρκετών πύργων φτιάχνονται από γαλβανισµένο χάλυβα. Σε περίπτωση που η ατµόσφαιρα σε κάποια δεδοµένη γεωγραφική θέση είναι ιδιαίτερα οξειδωτική κατασκευάζονται από ανοξείδωτο χάλυβα. Σε κάποιες περιπτώσεις, σε πύργο µε περίβληµα από γαλβανισµένο χάλυβα, η δεξαµενή κρύου νερού κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα. Τα υλικά από υαλονήµατα (fiber glass) είναι επίσης ευρέως χρησιµοποιούµενα στα περιβλήµατα και στις δεξαµενές κρύου νερού των πύργων ψύξης. Προσφέρουν µεγάλη διάρκεια ζωής και προστασία από τις επιπτώσεις διαφόρων χηµικών. Τα πληρωτικά υλικά συνήθως είναι πλαστικά (PVC, πολυπροπυλένιο και άλλα πολυµερή). Τα πληρωτικά υλικά από ξύλο, τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) χρησιµοποιούνται, συνήθως, σε ξύλινους πύργους. Όµως, τα πληρωτικά, υλικά από πλαστικό, τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) χρησιµοποιούνται επίσης ευρέως, όταν οι συνθήκες του νερού απαιτούν χρήση τέτοιου είδους υλικού. Τα πληρωτικά υλικά τύπου φιλµ, τα οποία προσφέρουν καλύτερη απόδοση στη µεταφορά θερµότητας, επιλέγονται σε εγκαταστάσεις, όπου το νερό που κυκλοφορεί δε φέρει πολλά άχρηστα συντρίµµατα, γιατί αυτά µπορούν να φράξουν τα φύλλα και να βλάψουν την κυκλοφορία του νερού. Ακόµα, από πλαστικό συνήθως κατασκευάζονται και τα ακροφύσια- εγχυτήρες (nozzles). Πολλά ακροφύσια κατασκευάζονται από PVC, ABS, πολυπροπυλένιο και νάιλον γεµισµένο µε ύαλο (glass-filled nylon). Οι ανεµιστήρες συνήθως κατασκευάζονται από αλουµίνιο, υαλονήµατα και υψηλής αντοχής γαλβανισµένο χάλυβα. 31

3. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ Το πληρωτικό υλικό ή αλλιώς γέµισµα του ψυκτικού πύργου είναι όλη η ουσία του. Πρέπει ταυτόχρονα να παρέχει καλή επαφή του νερού µε τον αέρα για µεγάλα ποσοστά µεταφοράς θερµότητας και µάζας, αλλά και µικρή αντίσταση στο ρεύµα του αέρα. Ακόµα, πρέπει να είναι ανθεκτικό, ελαφρύ και όσο το δυνατόν άφθαρτο. Αξίζει να σηµειωθεί ότι το πληρωτικό υλικό έχει υποστεί περισσότερες πρόσφατες µετατροπές, όσον αφορά το υλικό και τη δοµή, από κάθε άλλο µέρος των πύργων ψύξης, στη συνεχή έρευνα της απόδοσης και του κόστους. Αυτό εξηγείται γιατί από το συνολικό κόστος του πύργου, το 20-25% οφείλεται στο πληρωτικό υλικό. Έτσι, προκειµένου να βελτιωθεί η απόδοση του πύργου ψύξης, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή σε αυτό. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι πληρωτικών υλικών, ο τύπος splash (φύλλα διασκορπισµού) και ο τύπος φιλµ (film type) που καµιά φορά αναφέρεται και ως τύπος non-splash (όχι διασκορπισµού). 3.1. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ SPLASH (ΦΥΛΛΑ ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ) Το πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) κατασκευάζεται από δοκούς ή εσχάρες τοποθετηµένες σε στρώµατα, τα οποία διαχωρίζουν το νερό σε σταγονίδια, καθώς αυτό ρέει από στρώµα σε στρώµα. Οι δοκοί και οι εσχάρες έχουν διάφορα σχήµατα και πάχη (shapes narrow) και κατασκευάζονται από διάφορα υλικά όπως redwood, πολυστυρόλιο, πολυαιθυλένιο κ.α. Το συγκεκριµένο πληρωτικό υλικό προσφέρει µεταφορά µάζας και θερµότητας ανάµεσα στο νερό και τον αέρα σε εξαιρετικό βαθµό. Στις ακόλουθες εικόνες φαίνονται πληρωτικά υλικά τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού). 32

Εικόνα 3.1. Πληρωτικό υλικό τύπου V-bar.[16] Εικόνα 3.2. Πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) όπως φαίνεται από το κάτω µέρος πύργου φυσικής κυκλοφορίας.[17] Εικόνα 3.3. Πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) για πύργους εγκάρσιας ροής.[15] Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές διατάξεις πληρωτικών υλικών τύπου splash που ποικίλλουν, όσον αφορά τη γεωµετρία, το βήµα και το υλικό κατασκευής. Οι 33

κυριότερες µορφές πληρωτικού υλικού τύπου splash είναι δοκοί σε διάταξη V (Vbar), δοκοί σε διάταξη Α (α-bar), λωρίδες σε διάταξη φτερών γλάρου (gull wing fill slats) και σιγµοειδείς εσχάρες και υποστηρίγµατα (hanger grids and brackets). 3.1.1. ΟΚΟΙ ΣΕ ΙΑΤΑΞΗ V (V-BAR) Οι δοκοί σε διάταξη V συχνά κατασκευάζονται από PVC διαµορφωµένο σε δοκούς σε συνδυασµό µε κάποιο υλικό που εξασφαλίζει προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία (UV) (διοξείδιο του τιτανίου που προσδίδει λευκό και αιθάλη που προσδίδει µαύρο χρώµα). Το πλάτος της κάθε δοκού είναι περίπου 50 mil (1.27 mm). Η κάθε δοκός διαθέτει οπές, οµοιόµορφα κατανεµηµένες, που εξυπηρετούν στο διαχωρισµό του ρεύµατος του νερού σε οµοιόµορφα µικρότερα ρεύµατα και συνεπώς στη διευκόλυνση της ψύξης του. Αξίζει να σηµειωθεί ότι χρησιµοποιούνται συνδετήρες, ώστε να διατηρούνται οι δοκοί στη σωστή θέση. Εικόνα 3.4. οκός σε διάταξη V (V-bar) και συνδετήρας.[18] 3.1.2. ΛΩΡΙ ΕΣ ΣΕ ΣΧΗΜΑ GULL WING (ΦΤΕΡΩΝ ΓΛΑΡΟΥ) Οι λωρίδες σε σχήµα gull wing είναι ένας από τους πιο σύγχρονους τύπους πληρωτικού υλικού τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) και συνήθως διατίθενται σε πλάτος 4-in ή 6-in. Η κάθε λωρίδα, διαθέτει οπές, οµοιόµορφα κατανεµηµένες που εξυπηρετούν στο διαχωρισµό του ρεύµατος του νερού σε µικρότερα ρεύµατα και συνεπώς στη διευκόλυνση της ψύξης του. 34

Εικόνα 3.5. Λωρίδα σε σχήµα φτερών γλάρου (gull wing fill slat) και συνδετήρας.[18] 3.1.3. ΕΣΧΑΡΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΗΡΙΓΜΑΤΑ ΓΙΑ ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ SPLASH (ΦΥΛΛΑ ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΜΟΥ) Σιγµοειδείς εσχάρες (hanger grids) Οι σιγµοειδείς εσχάρες έχουν οµοιόµορφη δοµή και είναι ανθεκτικές στη διάβρωση. Προσφέρουν στον πύργο ψύξης µεγάλη διάρκεια ζωής και περιορίζουν την πιθανότητα κακής στήριξης του υλικού πλήρωσης (eliminate fill support failure). Συνήθως κατασκευάζονται από γαλβανισµένο χάλυβα, επιστρωµένο µε PVC ή ανοξείδωτο χάλυβα. 35

Εικόνα 3.6. Σιγµοειδής εσχάρα (hanger grid).[18] Σιγµοειδή υποστηρίγµατα (hanger brackets) Τα σιγµοειδή υποστηρίγµατα καθιστούν πιο γρήγορη και εύκολη την τοποθέτηση του πληρωτικού υλικού. Πρέπει να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση και συνήθως κατασκευάζονται από πολυπροπυλένιο ανθεκτικό στη διάβρωση. Εικόνα 3.7. Σιγµοειδή υποστηρίγµατα (hanger brackets).[18] 3.2. ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΥ ΦΙΛΜ (FILM TYPE) Το πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ (film type) συνήθως κατασκευάζεται από κατακόρυφα φύλλα, τα οποία διαθέτουν απορροφητική επιφάνεια που βρέχεται καλά, και επιτρέπουν στο νερό να πέφτει υπό µορφή φιλµ και να προσκολλάται στην κατακόρυφη επιφάνεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη µέγιστη επιφάνεια επαφής νερού αέρα, χωρίς όµως να διαχωριστεί το νερό σε σταγονίδια ή µικρά ρεύµατα. Ο τύπος φιλµ (film type) υπάρχει σε διάφορα σχήµατα και κατασκευάζεται από διάφορα υλικά, όπως για παράδειγµα διατάξεις από redwood, κυµατοειδή φύλλα κυτταρίνης, στο παρελθόν φύλλα αµιάντου- τσιµέντου (asbestos- cement sheets) 1 και κυµατοειδείς φόρµες από µέταλλο ή πλαστικό. Το πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ 1 εν χρησιµοποιούνται σήµερα λόγω της επικινδυνότητας του αµιάντου. 36

παρουσιάζει µικρότερη αντίσταση στο ρεύµα αέρα και απαιτεί µικρότερο ύψος πλήρωσης σε σχέση µε το πληρωτικό υλικό τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού). Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές διατάξεις πληρωτικών υλικών τύπου φιλµ που ποικίλλουν όσον αφορά τη γεωµετρία, το βήµα και το υλικό κατασκευής. Οι κυριότερες µορφές πληρωτικού υλικού τύπου φιλµ είναι: τα κυµατοειδή φύλλα σε σχήµα κυψέλης (honeycomb), τα επίπεδα φύλλα αµιάντου 1 και τα πτυχωτά φύλλα αµιάντου 1. Σε όλες τις περιπτώσεις το ρεύµα νερού περνά ανάµεσα από τα φύλλα, αποκτά οµοιόµορφη µορφή φιλµ λόγω της κυµάτωσής τους, και συνεπώς ψύχεται πιο γρήγορα και εύκολα. 3.2.1. ΚΥΜΑΤΟΕΙ Η ΦΥΛΛΑ ΣΕ ΣΧΗΜΑ ΚΥΨΕΛΗΣ (HONEYCOMB) Τα κυµατοειδή φύλλα σε σχήµα κυψέλης είναι ένας από τους πιο διαδεδοµένους τύπους πληρωτικού υλικού τύπου φιλµ. Η κυµάτωσή τους δίνει τη µορφή κυψέλης εξωτερικά και γι αυτό ο συγκεκριµένος τύπος πληρωτικού υλικού ονοµάζεται τύπος κυψέλης (honeycomb). Το ρεύµα νερού περνά ανάµεσα από τα κυµατοειδή φύλλα και λόγω της κυµάτωσής τους απλώνεται οµοιόµορφα. Η οµοιόµορφη διάταξη των κυµατοειδών φύλλων εξασφαλίζει την οµοιόµορφη κατανοµή του νερού στην περιοχή πλήρωσης και συνεπώς συντελεί στη σωστή ψύξη του. Συνήθως κατασκευάζονται από PVC (πολυβινυλοχλωρίδιο), υλικό που διατηρεί τις διαστάσεις του, είναι θερµοπλαστικό, ανθεκτικό στη διάβρωση και στο νερό, καθώς και σε χηµικά. 37

Εικόνα 3.8. Πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ σε σχήµα κυψέλης, όπως φαίνεται εξωτερικά.[15] Εικόνα 3.9. Πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ σε σχήµα κυψέλης, όπως είναι εσωτερικά.[19] 3.3. ΑΛΛΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Η απόδοση του πληρωτικού υλικού σε έναν πύργο ψύξης δεν επηρεάζεται µόνο από τη διάταξη του πληρωτικού υλικού, αλλά και από τα φορτία του νερού και του αέρα. Το µικρό φορτίο νερού έχει ως αποτέλεσµα να µη διανέµεται καλά το νερό στον πύργο. Από την άλλη πλευρά, το µεγάλο φορτίο νερού µπορεί να προκαλέσει πληµµύριση στον πύργο, προκαλώντας τεράστιες απώλειες στην πίεση του αέρα. Και στις δύο περιπτώσεις, η απόδοση του πληρωτικού υλικού δεν είναι ικανοποιητική. 38

Μια άλλη, πολύ σηµαντική, παράµετρος που επηρεάζει την εκλογή πληρωτικού υλικού σε ένα πύργο ψύξης είναι το πραγµατικό φυσικό σχήµα (actual physical shape). 3.4. ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΣΕ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΑ ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ [20,21,22] Στο παρελθόν έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες βελτιστοποίησης των πύργων ψύξης, οι οποίες βασίζονται κυρίως στη βελτίωση του πληρωτικού υλικού. Κάποιες από αυτές αναφέρονται συνοπτικά παρακάτω: Οι Simpson και Sherwood µελέτησαν τις επιδόσεις πύργου ψύξης εξαναγκασµένης κυκλοφορίας (forced draft cooling towers) µε ύψος πληρωτικού υλικού 1.05 m, το οποίο αποτελείτο από λωρίδες ξύλου. Οι Kelly και Swenson µελέτησαν τη µεταφορά θερµότητας και την πτώση πίεσης που είναι χαρακτηριστικές πύργου ψύξης µε πληρωτικό υλικό που αποτελείται από εσχάρες (splash grid packing). Οι ερευνητές συνέκριναν τα χαρακτηριστικά του πύργου µε την αναλογία ροής νερού / αέρα και παρατήρησαν ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση του πύργου ήταν το ποσοστό εξάτµισης του νερού, το ύψος του πληρωτικού υλικού, η γεωµετρία, και σε µικρό βαθµό, η θερµοκρασία εισόδου του νερού. Επίσης παρατήρησαν ότι τα χαρακτηριστικά του πύργου, µε δεδοµένο το ποσοστό εξάτµισης του νερού, ήταν ανεξάρτητα από τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας και τον αέρα γεµίσµατος, µέσα στα όρια (που ισχύουν για τον αέρα γεµίσµατος) που ισχύουν σε εµπορικούς πύργους ψύξης. Οι Bedekar et al. µελέτησαν πειραµατικά την απόδοση ενός πύργου κλίνης (bed), µηχανικής κυκλοφορίας, µε πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ (film). Τα αποτελέσµατα της έρευνας παρουσιάστηκαν βασιζόµενα στα χαρακτηριστικά του πύργου, τη θερµοκρασία εξόδου του νερού και την αποδοτικότητα ως παράγοντες που επηρεάζουν το λόγο L/G. Επίσης υποστήριξαν ότι η απόδοση του πύργου µειώνεται, όταν αυξάνεται ο λόγος L/G, όµως δεν υπέβαλλαν κάποια ιδέα συσχέτισης στη µελέτη τους. Οι Goshayshi και Missenden επίσης µελέτησαν πειραµατικά τη µεταφορά µάζας και την πτώση πίεσης που αποτελούν χαρακτηριστικά 39

πολλών τύπων κυµατοειδών, µε πτυχές, πληρωτικών υλικών, περιλαµβάνοντας λεία και τραχιά επιφάνεια κυµατοειδούς πληρωτικού υλικού σε ατµοσφαιρικούς πύργους ψύξης. Οι Milosavljevic και Heikkila διεξήγαγαν πειραµατικές µετρήσεις σε δύο ψυκτικούς πύργους σε πιλοτική κλίµακα µε σκοπό να αναλύσουν την απόδοση διαφόρων πληρωτικών υλικών πύργων ψύξης. Έλεγξαν εφτά τύπους αντιρροής µε πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ και συνέδεσαν την πτώση πίεσής τους, καθώς και την ογκοµετρική µεταφορά µάζας µε το λόγο ροής νερούαέρα. Οι Kloppers και Krφger πρόσφατα µελέτησαν το συντελεστή απωλειών για πληρωτικά υλικά πύργων ψύξης. Έλεγξαν πληρωτικά υλικά λεπτής ροής (trickle), τύπου splash (φύλλα διασκορπισµού) και τύπου φιλµ (film) σε πύργους ψύξης αντιρροής, µε διατοµή 2.25 m 2. Επίσης πρότειναν µια εµπειρική εξίσωση που συνδέει το συντελεστή απωλειών του πληρωτικού υλικού µε το λόγο ροής µάζας νερού αέρα. Σε µια άλλη µελέτη τους οι Kloppers και Krφger µελέτησαν πειραµατικά τα χαρακτηριστικά µεταφοράς των πληρωτικών υλικών σε πύργους ψύξης και συµπέραναν ότι τα χαρακτηριστικά µεταφοράς στο πληρωτικό υλικό είναι συναρτήσεις του λόγου ροής νερού αέρα, της θερµοκρασίας εισόδου του νερού, του ύψους του πληρωτικού υλικού, αλλά όχι των θερµοκρασιών υγρής και ξηρής σφαίρας του αέρα. Ο Elsarrag παρουσίασε µια πειραµατική µελέτη, καθώς και κάποιες υποθέσεις, για ψυκτικό πύργο εξαναγκασµένης κυκλοφορίας µε πληρωτικό υλικό κεραµικής επίστρωσης. Χρησιµοποίησε πύργο µε διατοµή 0.64 m 2 και 2m ύψος µε περιοχή γεµίσµατος 0.8 m και αποξηραµένες πλίνθους ως πληρωτικό υλικό. Συµπέρανε ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν τους συντελεστές µεταφοράς θερµότητας και µάζας είναι ο λόγος ροής νερού αέρα, η θερµοκρασία εισόδου του νερού και η ενθαλπία του εισερχόµενου αέρα. Οι Gharagheizi et al. ακόµα πιο πρόσφατα, παρουσίασαν µια πειραµατική και συγκριτική µελέτη σχετική µε την απόδοση µηχανικού πύργου ψύξης µε δύο τύπους γεµίσµατος µορφής φιλµ. Χρησιµοποίησαν κατακόρυφο και οριζόντιο κυµατοειδές πληρωτικό υλικό µε ύψος 0.64 m και διατοµή 0.25 m 2 και εξήγαγαν ότι η απόδοση του πύργου ψύξης επηρεάζεται 40

από το λόγο ροής µάζας νερού αέρα, τον τύπο και τη διάταξη του πληρωτικού υλικού. Οι Johnson και Barz χρησιµοποίησαν µια µέθοδο σύγκρισης πληρωτικών υλικών, χωρίς να λαµβάνουν υπόψη την τραχύτητα της επιφάνειάς τους. Έτσι, αυτή η µέθοδος, δεν αποτελεί ευθύ τρόπο σύγκρισης των διαφόρων πληρωτικών υλικών, διότι µπορεί δύο διαφορετικές διατάξεις να έχουν το ίδιο αποτέλεσµα (απόδοση). Οι Tezuka και Fusita συνέδεσαν το χαρακτηριστικό µέγεθος για τον πύργο k (δηλαδή το συντελεστή µεταφοράς µάζας του πληρωτικού υλικού) µε την πτώση πίεσης στον πύργο και συµπέραναν ότι αν αυξηθεί ο λόγος DP/Z ο συντελεστής µεταφοράς µάζας k αυξάνεται αναπόφευκτα. Υπάρχουν ακόµα αρκετά µαθηµατικά µοντέλα, τα οποία µπορούν να συνδέσουν ταυτόχρονα φαινόµενα µεταφοράς θερµότητας και µάζας που λαµβάνουν χώρα µε την απευθείας επαφή νερού - αέρα στους ψυκτικούς πύργους. Τέτοια µοντέλα παρουσιάζονται στις ακόλουθες εργασίες : Braun et al., Benton και Waldrop, Hawlader και Liu, Khan et al., Kloppers και Krφger και ακόµα πιο πρόσφατα Qureshi και Zubair. 3.5. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΥΟ ΤΥΠΩΝ ΠΛΗΡΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Πληρωτικό υλικό τύπου φιλµ (film type) Μεγαλύτερη ψυκτική ικανότητα σε δεδοµένο χώρο. υνατότητα µικρού ύψους πλήρωσης (low-clog designs) υνατότητα τοποθέτησης και στη βάση και αναρτηµένο µέσα στον πύργο (bottom supported or hanging designs) Κατάλληλο για πύργους εγκάρσιας ροής και για πύργους αντιρροής. Σε πύργους εγκάρσιας ροής, χρειάζονται ανοίγµατα αερισµού και συλλέκτες (eliminators) αχρήστων στοιχείων. Κατάλληλο για υψηλές θερµοκρασίες 41

Κατάλληλο για µεγάλου µεγέθους σύστηµα πύργου αντιρροής. Πληρωτικό υλικό τύπου φύλλα διασκορπισµού (splash type) Ιδανικό για συστήµατα ακάθαρτου νερού. Κατάλληλο για κακή διανοµή του νερού λόγω απωλειών. 4. Η ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ 4.1. ΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ Οι παράµετροι που επηρεαζουν την απόδοση ενός πύργου ψύξης [9,20,23] 1. Τ ο εύρος (range) που είναι η διαφορά των θερµοκρασιών εισόδου και εξόδου του νερού και δίδεται από την ακόλουθη σχέση: Εύρος= t L2 t L1 (4.1) 2. Η προσέγγιση (approach) που είναι η διαφορά της θερµοκρασίας εξόδου του νερού από τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου και δίδεται από την παρακάτω σχέση: Προσέγγιση= t L1 t W (4.2) 3. Η αποδοτικότητα (effectiveness) % είναι ο λόγος του εύρους προς τη διαφορά της θερµοκρασίας εισόδου του νερού µε τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου και δίδεται από την ακόλουθη σχέση: Εύρος Εύρος+ Προσέγγιση L2 L1 Α ποδοτικότητα= = (4.3) 4. Η ψυκτική ικανότητα (cooling capacity) που είναι η θερµότητα που αποβάλλεται σε kcal/hr ή TR και ισούται µε το γινόµενο του λόγου ροής µάζας νερού (mass flow rate of water), της ειδικής θερµότητας και της θερµοκρασιακής διαφοράς (temperature difference t L2 -t L1 ). t t L2 t t W 42

5. Η απώλεια εξάτµισης (evaporation loss) είναι η ποσότητα του νερού που εξατµίζεται για την ψύξη και δίδεται από την ακόλουθη εµπειρική σχέση 3 3 E. L. (m /hr) = (0.00085 1.8 circul. rate(m /hr) (t L2 - t L1 ) (4.4) 6. Οι κύκλοι συγκέντρωσης (cycles of concentration-c.o.c) είναι ο λόγος των διαλυµένων αλάτων στο κυκλοφορών νερό προς τα διαλυµένα άλατα στο νερό συµπλήρωσης (make up water). 7. Οι απώλειες στρατσώνας (blow down) είναι η ποσότητα του νερού που αφαιρείται ώστε να διατηρηθεί η ποσότητα των περιεχοµένων αλάτων σταθερή. Εξαρτώνται από τους κύκλους συγκέντρωσης και από τις απώλειες εξάτµισης και δίνονται από τη σχέση: E. L. Blow down= (4.5) (C.O.C - 1) 8. Ο λόγος νερού/ αέρα (L/G) είναι ο λόγος των παροχών (ρυθµών ροής µάζας) του νερού (L) και του αέρα (G). Ανάλογα µε την εποχή του χρόνου γίνονται έλεγχοι και µετατροπές στις παροχές του αέρα και νερού προκειµένου να επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή απόδοση του πύργου ψύξης. 4.2. ΟΙ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΕΝΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΨΥΞΗΣ [9,20] Απόδοση Η αποβολή θερµότητας (σε kcal/hr) και η παροχή (m 3 /hr) δεν επαρκούν για την κατανόηση της απόδοσης ενός πύργου ψύξης. Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που πρέπει να συνυπολογίζονται µαζί µε την παροχή (m 3 /hr). Αξίζει να σηµειωθεί ότι ένας πύργος σχεδιασµένος για να ψύχει 4540 m 3 /hr για εύρος 13.9 ºC, µπορεί να είναι µεγαλύτερος, από έναν άλλο που είναι σχεδιασµένος για να ψύχει 4540 m 3 /hr για εύρος 19.5 ºC.[9] 43

Εύρος Το εύρος καθορίζεται από τη διαδικασία που εξυπηρετεί ο πύργος ψύξης. ηλαδή, το εύρος στον εναλλάκτη καθορίζεται από το φορτίο θερµότητας και το ρυθµό κυκλοφορίας του νερού (Range ο C = Heat Load in kcals/hour / Water Circulation Rate in LPH). Προσέγγιση (approach) Γενικά, όσο µικρότερη είναι η διαφορά t L1 -Τ W, δηλαδή όσο πιο κοντά είναι η θερµοκρασία εξόδου του νερού στη θερµοκρασία υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου, τόσο ακριβότερος είναι ο πύργος και τόσο πιο σύνθετος ο σχεδιασµός του. ηλαδή στο σχεδιασµό και στο µέγεθος ενός πύργου έχει πολύ µεγαλύτερη σηµασία η προσέγγιση σε σχέση µε την παροχή, το εύρος και τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας. Σχήµα 4.1. Σχηµατική απεικόνιση του εύρους και της προσέγγισης.[9] 5. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ 5.1. ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ ΟΣΟΝ ΑΦΟΡΑ ΤΑ ΑΛΑΤΑ Προκείµένου να αναπληρωθούν οι απώλειες σε ένα πύργο ψύξης προστίθεται νερό ώστε να διατηρείται σταθερή η συνολική ποσότητά του. Αυτό έχει ως 44

αποτέλεσµα τον συνεχή εµπλουτισµό του νερού σε άλατα. Αν αυτή η αύξηση των αλάτων δεν αντιµετωπιστεί, κάποια στιγµή θα ξεπεραστεί η µέγιστη δυνατότητα κατακράτησής τους και θα αρχίσουν να επικάθονται σε επιφάνειες δηµιουργώντας ανεπιθύµητες καταστάσεις. Για να αποτραπούν αυτά τα φαινόµενα ακολουθούνται οι δύο παρακάτω µέθοδοι: Blow down (Στρατσωνισµός) Με τον όρο blow down εννοούµε την αφαίρεση µια ποσότητας νερού ώστε να διατηρηθεί η συγκέντρωση σε άλατα σταθερή. Παράλληλα συµπληρώνεται καθαρό νερό δικτύου, γεγονός που συντελεί στη µείωση της συγκέντρωσης των αλάτων. Ακόµα, blow down µπορεί να γίνεται για να αποµακρυνθούν αιωρούµενες ή φερτές ύλες καθώς και για να αποµακρύνονται ποσά θερµότητας που δε µπόρεσε το σύστηµα να αποδώσει στο περιβάλλον. Ρίψη αντικαθαλωτικών Ένα άλλο πρόβληµα στους πύργους ψύξης είναι οι επικαθίσεις αλάτων σε επιφάνειες της εκάστοτε εγκατάστασης. Έχει ιδιαίτερη σηµασία να αναφερθεί η αναγκαιότητα της χηµικής επεξεργασίας του νερού των πύργων ψύξης. Για το λόγο αυτό, υπάρχουν χηµικά πρόσθετα για την καταπολέµηση των επικαθίσεων των αλάτων γνωστά ως αντικαθαλωτικά, τα οποία αυξάνουν τη δυνατότητα κατακράτησης αλάτων του νερού, ώστε να περιορίζονται οι επικαθίσεις αλάτων στις επιφάνειες της εγκατάστασης. Τα αντικαθαλωτικά περιέχουν φωσφορικές ενώσεις και πολυκαρβοξυλικά οξέα, τα οποία δεσµεύουν το ασβέστιο και το µαγνήσιο και αποτρέπουν την επικάθιση των αλάτων των χηµικών αυτών στοιχείων. 45

Εικόνα 5.1. Επικάθιση αλάτων σε πληρωτικό υλικό τύπου κυψέλης (honeycomb)όπως φαίνεται εξωτερικά. Εικόνα 5.2. Επικάθιση αλάτων σε πληρωτικό υλικό τύπου κυψέλης (honeycomb)όπως φαίνεται εσωτερικά. 5.2. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ Έχει ιδιαίτερη σηµασία η σχολαστική συντήρηση των συστηµάτων ψύξης, καθώς οι συνθήκες υγρασίας και θερµοκρασίας που επικρατούν σε αυτά αποτελούν προσφιλές έδαφος για την ανάπτυξη µικροοργανισµών. Μικροοργανισµοί µπορεί να αναπτυχθούν στο εσωτερικό της εγκατάστασης, ειδικά σε περιοχές που δεν είναι συνεχής η κυκλοφορία του νερού. Ακόµα, διάβρωση στο εσωτερικό του πύργου, 46

µπορεί να αποτελέσει τροφή για βακτήρια και εποµένως αιτία για την ανάπτυξή τους. Έτσι σε περιοχές που έχουν υποστεί διάβρωση είναι πιθανή η ανάπτυξη µικροοργανισµών. Οι κυριότεροι παράγοντες που πρέπει να παρακολουθούνται προκειµένου να αποφεύγεται ο πολλαπλασιασµός µικροοργανισµών στους πύργους ψύξης είναι: Η ανάπτυξη µικροοργανισµών. Η θερµοκρασία. Το PH. Το συνηθέστερο βακτήριο που αναπτύσσεται στους πύργους ψύξης είναι η λεγεονέλα (legionella bacteria). Η λεγεονέλα µπορεί να προκαλέσει στον άνθρωπο µορφή πνευµονίας που συνοδεύεται από υψηλό πυρετό, βήχα και πονοκέφαλο. Στους πύργους ψύξης είναι απαραίτητη η ρίψη αντιµικροβιακών µια µε δυο φορές την εβδοµάδα ώστε να αποφεύγεται η ανάπτυξη µικροβίων. 5.3. ΣΥΝΟΨΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΤΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΨΥΞΗΣ Συντήρηση στους πύργους ψύξης 1.Έλεγχος του ανεµιστήρα και λίπανση αυτού όταν χρειάζεται. 2. Έλεγχος του φίλτρου (αν η ατµόσφαιρα δεν είναι επαρκώς καθαρή µπορεί να χρειάζεται καθαρισµός του φίλτρου κάθε εβδοµάδα). 3.Έλεγχος ανάπτυξης µικροοργανισµών στη δεξαµενή. Ρίψη αντιµικροβιακού εφόσον χρειάζεται. 4.Καθαρισµός και έλεγχος πληµµύρισης της δεξαµενής. 5.Έλεγχος του συστήµατος διανοµής του νερού. Έλεγχος και επανατοποθέτηση των ακροφυσίων. 6.Έλεγχος της στάθµης του νερού στη δεξαµενή και ρύθµιση της βάνας εάν είναι απαραίτητο. 7. Έλεγχος του λόγου απώλειας νερού (bleed rate) και ρύθµιση αυτού εάν κρίνεται απαραίτητη. 47

8.Έλεγχος του ανεµιστήρα και του εσωτερικού αέρα όσον αφορά τα σωµατίδια που έχει συµπαρασύρει. Αποµάκρυνση απορριµµάτων. 9.Έλεγχος συγκέντρωσης των αλάτων στο νερό και ρύθµιση αυτής µε χρήση αντικαθαλωτικών και στρατσωνισµό. 6. ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΥΡΓΟΥΣ ΨΥΞΗΣ [3,6] Η βασική λειτουργία του πύργου ψύξης είναι η µείωση της θερµοκρασίας του θερµού ρεύµατος νερού όσο το δυνατόν περισσότερο. Η ψύξη του νερού επιτυγχάνεται µερικώς µε την αύξηση της θερµοκρασίας του αέρα περιβάλλοντος καθώς και µε την εξάτµιση µέρους του ρεύµατος θερµού νερού. Τα σχετικά ποσοστά της θερµότητας που αφαιρείται αυξάνοντας τη θερµοκρασία του αέρα και εξατµίζοντας µέρος του θερµού νερού, εξαρτώνται από την υγρασία του αέρα εισόδου. Ένας άλλος παράγοντας, ο οποίος είναι µάλλον ο πιο σηµαντικός στα πλεονεκτήµατα του πύργου ψύξης, είναι ο βαθµός που προσεγγίζει η θερµοκρασία εξόδου του νερού, τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου- όπου η θερµοκρασία υγρής σφαίρας είναι η µικρότερη θερµοκρασία στην οποία το νερό µπορεί να ψυχθεί σε µια ιδανική εγκατάσταση. Σε οποιοδήποτε δεδοµένο πύργο αυτή η θερµοκρασιακή διαφορά, που καλείται θερµοκρασία προσέγγισης (approach temperature) ποικίλλει ανάλογα µε τη θερµοκρασία υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου, το λόγο ροής του νερού και το φορτίο θερµότητας. 6.1. ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ [3,6] Το ποσοστό του νερού που απάγεται από τον αέρα υπό µορφή αιωρουµένων σταγονιδίων θεωρείται αµελητέο και η ειδική θερµότητα του νερού ενιαία. Το αποτέλεσµα της πτώσης της θερµοκρασίας t L επί την παροχή µάζας του νερού ανά µονάδα επιφάνειας L (liquid water flow) ισούται µε την αύξηση της ενθαλπίας του αέρα Η επί την παροχή µάζας του αέρα ανά µονάδα επιφάνειας G, όπου οι παροχές νερού και αέρα L και G είναι σε µονάδες µάζα / (χρόνος)*(επιφάνεια) 2. Η ενθαλπία του υγρού αέρα είναι σχεδόν αποκλειστικά συνάρτηση της θερµοκρασίας υγρής σφαίρας. Το γεγονός αυτό είναι αληθές εφόσον µόνο οι 48

καµπύλες της θερµοκρασίας υγρής σφαίρας είναι συνήθως σχεδιασµένες στον ψυχροµετρικό χάρτη. Οι διαβαθµίσεις των ενθαλπιών για το µίγµα αέρα ατµού συχνά σχεδιάζονται πολύ κοντά στο τέλος των σταθερών καµπυλών των θερµοκρασιών υγρής σφαίρας. Αυτές οι σταθερές καµπύλες των θερµοκρασιών υγρής σφαίρας µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε συνδυασµό µε τις διαβαθµίσεις των ενθαλπιών ώστε να συµπεράνουµε προσεγγιστικά τιµές της ενθαλπίας. Κατά συνέπεια, οι θερµοκρασίες υγρής σφαίρας του αέρα εισόδου και εξόδου αποτελούν ένα καλό κριτήριο για την αύξηση της ενθαλπίας. Από την άλλη πλευρά, οι θερµοκρασίες ξηρής σφαίρας είναι ιδιαίτερα σηµαντικές για την κατανάλωση νερού. 6.2. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ [3,6] Η εξίσωση για τη θερµική ισορροπία δεν περιλαµβάνει όρους που να προσδιορίζουν το µέγεθος του ψυκτικού πύργου. Αν ο πύργος ψύξης θεωρηθεί ανάλογος ενός µοντέλου µεταφοράς µάζας, µε µια περιοχή επιφάνειας νερού στρώσης φιλµ που εξαρτάται από τις παροχές νερού και αέρα και από τα χαρακτηριστικά του πληρωτικού υλικού, η θερµότητα θα µεταφερόταν στον αέρα µε δύο τρόπους: µε µεταφορά θερµότητας µε αγωγή και µε την εξάτµιση του νερού. Έχει αποδειχθεί ότι το ποσοστό της απώλειας θερµότητας από την εξάτµιση του νερού είναι ανάλογο του συντελεστή µεταφοράς θερµότητας για θερµική µεταφορά, εφόσον και τα δύο εξαρτώνται από το ποσοστό στο οποίο γίνεται η ανάµιξη ανάµεσα στο λεπτό φιλµ υδρατµού στην επιφάνεια µεταφοράς θερµότητας και στο ρεύµα αέρα που διαπερνά την επιφάνεια. Πειραµατικά αποτελέσµατα αποδεικνύουν ότι ο συντελεστής απώλειας θερµότητας λόγω εξάτµισης από τα φιλµ νερού σε ρεύµα αέρα, είναι κατά προσέγγιση ίσος µε τον συντελεστή µεταφοράς θερµότητας µε αγωγή διαιρεµένο µε την ειδική θερµότητα του αέρα 49

6.3. ΣΧΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΟΝ ΠΥΡΓΟ ΨΥΞΗΣ ΣΤΟ SI [3] Έχει αποδειχθεί ότι η θερµότητα που αποβάλλεται ανά µονάδα µάζας νερού συνδέεται µε τη θερµότητα που µεταφέρεται στον αέρα και µε την θερµότητα που αποβάλλεται λόγω εξάτµισης σύµφωνα µε την ακόλουθη σχέση: L CA, Ldt L = G S CSdt G + G Sλ 0dY = G SdH (6.1) όπου C A,L είναι η θερµοχωρητικότητα ατµού, νερού σε σταθερή πίεση, C s είναι η θερµοχωρητικότητα µίγµατος ατµού- αερίου ανά µονάδα µάζας ξηρού αερίου, G s η παροχή του ξηρού αέρα και L η παροχή του νερού. Επειδή ο ρυθµός εξάτµισης είναι µικρός µετά από ολοκλήρωση της σχέσης (6.1) προκύπτει ότι: C (t - t ) = G (H - H ) (6.2) L A, L L2 L1 S 2 1 Η παραπάνω σχέση απεικονίζεται στο σχετικό διάγραµµα και αποδίδει την καµπύλη λειτουργίας του πύργου. Όπου t L1 είναι η θερµοκρασία εξόδου του νερού από τον πύργο και t L2 είναι η θερµοκρασία εισόδου του νερού σε αυτόν. Ακόµα, Η είναι η ενθαλπία µίγµατος ατµού- αερίου ανά µονάδα µάζας ξηρού αερίου και υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: H = (1005+ 1884Y )t G + 2502300Y (6.3) και πιο συγκεκριµένα, H 1 = (1005+ 1884Y 1 )t + 2502300Y 1 (6.4) G 1 H 2 = (1005+ 1884Y 2 )t + 2502300Y 2 (6.5) G 2 Όπου, t G1 είναι η θερµοκρασία του ξηρού αέρα στην είσοδο t G2 είναι η θερµοκρασία του ξηρού αέρα στην έξοδο Υ 1 είναι η απόλυτη υγρασία δηλαδή ο λόγος µάζα ατµού/ µάζα ξηρού αερίου και υπολογίζεται από τον ψυχροµετρικό χάρτη µε βάση τα t G1 και t w1. Υ 2 είναι η απόλυτη υγρασία δηλαδή ο λόγος µάζα ατµού/ µάζα ξηρού αερίου και υπολογίζεται από τον ψυχροµετρικό χάρτη µε βάση τα t G2 και t w2. Η κλίση της καµπύλης λειτουργίας του πύργου δίνεται από τη σχέση: L C A,L tanα= (6.6) G S 50

Αξίζει να σηµειώσουµε ότι η καµπύλη λειτουργίας είναι περίπου ευθεία. Από την καµπύλη ισορροπίας, η οποία επίσης φαίνεται στο σχετικό διάγραµµα (σχήµα 6.1), δίνει την ενθαλπία του κεκορεσµένου αερίου ρεύµατος (αέρας-υδρατµοί) Η * για οποιαδήποτε θερµοκρασία του υγρού ρεύµατος (νερό) t L. Σχήµα 6.1. Καµπύλη ισορροπίας και καµπύλη λειτουργίας.[1] Από τη σχέση (6.1), επειδή ο ρυθµός µεταφοράς µάζας είναι µικρός προκύπτει ότι: G dy = k α (Y - Y )dz (6.7) S Y Μ i Επίσης, G C dt h α (t - t )dz (6.8) S S G = G H i G Παραλείποντας την αισθητή θερµότητα του υδρατµού προκύπτει ακόµα ότι, L C dt h α (t - t ) dz (6.9) Έτσι, A, L L = L H L i G dh = h α (t - t )dz+ λ k α (Y - Y )dz (6.10) S G H i G 0 Y Μ i Όµως εάν, 51

G H r = (6.11) C h S k α Y α Μ dh = k α [(C rt + λ Y ) - (C rt + λ Y )]dz (6.12) G S Y Μ S i 0 i S G 0 Αλλά ο παράγων r είναι ίσος µε τη µονάδα εφόσον ισχύει η σχέση Lewis: h G r = = 1 (6.13) C k S Y και όταν α Μ = α Η = α προκύπτει η ακόλουθη σχέση: G dh = k α(h - H )dz (6.14) S Y i Όπου, h G είναι συντελεστής µεταφοράς θερµότητας αερίου λόγω συναγωγής, h L είναι συντελεστής µεταφοράς θερµότητας υγρού λόγω συναγωγής, k Y είναι ο συντελεστής µεταφοράς µάζας για το αέριο, α είναι η ειδική διαχωριστική επιφάνεια ανηγµένη στον όγκο γεµίσµατος, λ 0 είναι η λανθάνουσα θερµότητα ατµοποίησης και Ζ είναι το µήκος της επαφής των ρευµάτων αέρα- νερού και καλείται ύψος του ψυκτικού πύργου ή (µήκος ή ύψος του ενεργού τµήµατος του ψυκτικού πύργου). 6.3.1. ΕΝΕΡΓΟ ΥΨΟΣ ΤΟΥ ΨΥΚΤΙΚΟΥ ΠΥΡΓΟΥ [3] Πρέπει να σηµειώσουµε ότι η σχέση (6.14) µας δίνει τις συνθήκες των ρευµάτων (αέριο µίγµα- υγρό ρεύµα) σε µια τυχαία θέση στην οποία λαµβάνει χώρα η ψύξη νερού µε αέρα µέσα στον πύργο ψύξης. Όµως, δεν αναφέρεται στο σύνολο του πύργου. Προκειµένου να υπολογίσουµε το ύψος του ψυκτικού πύργου και να εξαγάγουµε συµπεράσµατα για την απόδοσή συνολικά, ολοκληρώνουµε τη σχέση (6.14) και προκύπτει: H 2 dh k Y α Z k Y αz = dz= H H H G S 0 G 1 i S (6.15) Συνήθως οι εναλλάκτες θερµότητας και συγκεκριµένα οι πύργοι ψύξης, χαρακτηρίζονται από τον αριθµό µονάδων µεταφοράς ενθαλπίας αερίου ρεύµατος N tg. Στην πραγµατικότητα, ο αριθµός µονάδων µεταφοράς ενθαλπίας αερίου ρεύµατος εκφράζει τη δυσκολία µεταφοράς ενθαλπίας και προκύπτει από τη σχέση: 52

H 2 dh N = (6.16) tg H H H 1 i Εποµένως, το ύψος του πύργου Ζ δίνεται από την ακόλουθη σχέση: G N tg Z= S (6.17) k α Y Σε αυτό το σηµείο είναι καλό να εισάγουµε το ύψος µονάδας µεταφοράς ενθαλπίας αερίου ρεύµατος, το οποίο δεν εξαρτάται από τους ρυθµούς ροής, έχει διαστάσεις µήκους και προκύπτει από την ακόλουθη σχέση: H tg G S = (6.18) k α Y Συνεπώς το ύψος του πύργου δίνεται και από τη σχέση: Z= N H (6.19) tg tg 6.3.2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΥΨΟΥΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΟΛΙΚΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ Κ Y α [3] Συχνά συµβαίνει για κάποιο πληρωτικό υλικό να µη γνωρίζουµε το k Y α αλλά το K Y α δηλαδή τον ολικό συντελεστή µεταφοράς µάζας. Σε αυτή την περίπτωση υπολογίζουµε το ολικό ύψος µονάδας µεταφοράς ενθαλπίας αερίου ρεύµατος δηλαδή, H tog G S = (6.20) K α Y Και τον ολικό αριθµό µονάδων µεταφοράς ενθαλπίας H 2 dh N = (6.21) tog H H H 1 Εποµένως, το ύψος του πύργου δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Z H H G 2 L1 S dh L dh L H tog N tog = = K α H H H K α H H 1 H (6.22) Y Y L2 = 53

6.3.3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΜΟΝΑ ΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ [3] Προκειµένου να υπολογίσουµε το Ν tog αρκεί να υπολογίσουµε το ολοκλήρωµα: H 2 dh µε δεδοµένες τις θερµοκρασίες εισόδου και εξόδου του νερού και του H H H 1 αέρα, τις παροχές εισόδου και εξόδου του νερού και του αέρα και την απόλυτη υγρασία του αερίου µίγµατος στην είσοδο και στην έξοδο, υπολογίζουµε το ολοκλήρωµα γραφικά, υπολογίζοντας το λόγο 10 5 /(Η *- Η ). Αρχίζουµε από τη θερµοκρασία εξόδου του νερού από τον πύργο και µε απειροστό βήµα καταλήγουµε στη θερµοκρασία εισόδου του νερού υπολογίζοντας κάθε φορά το λόγο 10 5 /(Η *- Η ). Το ζητούµενο Ν tοg είναι το εµβαδόν κάτω από την καµπύλη µε οριζόντιο άξονα την ενθαλπία Η και κατακόρυφο άξονα το λόγο 10 5 /(Η *- Η ). Σχήµα 6.2. Το ζητούµενο εµβαδόν. 54

7. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 7.1. ΣΕ ΤΙ ΕΓΚΕΙΤΑΙ ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στην παρούσα διπλωµατική εργασία γράφτηκαν σε γλώσσα fortran77 δύο κώδικες που η αξία τους συνίσταται στον υπολογισµό παραµέτρων σχετικών µε τους πύργους ψύξης ανάλογα µε το εκάστοτε πληρωτικό υλικό και κάποιες συνθήκες εισαγωγής. Τα πληρωτικά υλικά που περιλαµβάνουν οι δύο κώδικες καθώς και οι συντελεστές που ισχύουν για το καθένα από αυτά, δίνονται αναλυτικά στους δύο παρακάτω συγκεντρωτικούς πίνακες [3]: Πίνακας 7.1. Πληρωτικά υλικά πύργων ψύξης αντιρροής Επίπεδα φύλλα αµιάντου, βήµα 4.45 cm (Flat asbestos sheets, pitch 4.45 cm) Επίπεδα φύλλα αµιάντου, βήµα 3.81 cm (Flat asbestos sheets, pitch 3.81 cm) Επίπεδα φύλλα αµιάντου, βήµα 3.18 cm (Flat asbestos sheets, pitch 3.18 cm) Επίπεδα φύλλα αµιάντου, βήµα 2.54 cm (Flat asbestos sheets, pitch 2.54 cm) Κυµατοειδούς µορφής, γωνίας 60 ο, Munters M12060, βήµα 1.17 in (60 ο angle corrugated, Munters M12060,pitch 1.17 in) Κυµατοειδούς µορφής, γωνίας 60 ο, Munters M19060, βήµα 1.8 in (60 ο angle corrugated, Munters M19060,pitch 1.8 in) Κατακόρυφης κυµατοειδούς µορφής, από πλαστικό, βήµα 1.63 in (Vertical corrugated plastic, American Tower Plastics Coolfilm, pitch 1.63 in) Οριζόντιο πλαστικό δικτυωτό πλέγµα, βήµα 8 in. 2 in εσχάρα (Horizontal plastic screen, American Tower Plastics Cooldrop, pitch 8in.2in grid) Οριζόντιες πλαστικές εσχάρες, βήµα 12 in (Horizontal plastic grid, Ecodyne shape 10, pitch 12 in) Κυµατοειδές πλαστικό µε παραµόρφωση, βήµα 1.88 in (Angled corrugated plastic, Marley, MC67, pitch 1.88 in) Μ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 55

Πτυχωτά φύλλα αµιάντου- χωρίς τσιµέντο, βήµα 0.72 in (Dimpled sheets, Toschi Asbestos-Free Cement, pitch 0.72 in) Κατακόρυφες πλαστικές κυψέλες, βήµα 1.75 in (Vertical plastic honeycomb, Brentwood Industries Accu-Pack, pitch 1.75 in) Πληρωτικά υλικά πύργων εγκάρσιας ροής οκοί Doron σε σχήµα V, διάστηµα 4 in x 8 in (Doron V-bar, 4 in x 8 in spacing) οκοί Doron σε διάταξη V, διάστηµα 8 in x 8 in (Doron V-bar, 8 in x 8 in spacing) οκοί Ecodyne σε διάταξη Τ, διάστηµα 4 in x 8 (Ecodyne T-bar, 4 in x 8 in spacing) οκοί Ecodyne σε διάταξη Τ, διάστηµα 8 in x 8 Ecodyne T-bar, 8 in x 8 in spacing Λεπτές σανίδες από ξύλο, παράλληλες στο ρεύµα αέρα, διάστηµα 4 in x 4 in (Wood lath, paraller to air flow, 4 in x 4 in spacing) Λεπτές σανίδες από ξύλο, κάθετες στο ρεύµα αέρα, διάστηµα 4 in x 4 in (Wood lath, perpendicular to air flow, 4 in x 4 in spacing) οκοί Marley σε διάταξη Α, κάθετες στο ρεύµα αέρα, απόσταση 16 in x 4 in Marley α-bar, perpendicular to air flow, 16 in x 4 in spacing Κλίµακα Marley, κάθετης στο ρεύµα αέρα, απόσταση 8 in x 2 in (Marley ladder, perpendicular to air flow, 8 in x 2 in spacing) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Τύπος πληρωτικού υλικού Μ (από τον πίνακα 1) C 1 Πίνακας 7.2. m -1 n 1 n 2 n 3 C 2 m -1 n 4 n 5 Πληρωτικά υλικά πύργων αντιρροής L 0 =G 0 = 3.391 kg/m 2 s 1 0.289-0.70 0.70 0.00 2.72 0.35-0.35 56

2 0.361-0.72 0.72 0.00 3.13 0.42-0.42 3 0.394-0.76 0.76 0.00 3.38 0.36-0.36 4 0.459-0.73 0.73 0.00 3.87 0.52-0.36 5 2.723-0.61 0.50-0.34 19.22 0.34 0.19 6 1.575-0.50 0.58-0.40 9.55 0.31 0.05 7 1.378-0.49 0.56-0.35 10.10 0.23-0.04 8 0.558-0.38 0.48-0.54 4.33 0.85-0.60 9 0.525-0.26 0.58-0.45 2.36 1.10-0.64 10 1.312-0.60 0.62-0.60 8.33 0.27-0.14 11 0.755-0.51 0.93-0.52 1.51 0.99 0.04 12 1.476-0.56 0.60-0.38 6.27 0.31 0.10 L 0 = 8.135 kg/m 2 s Πληρωτικά υλικά πύργων εγκάρσιας ροής G 0 = 2.715 kg/m 2 s 13 0.161-0.58 0.52-0.44 1.44 0.66-0.73 14 0.171-0.34 0.32-0.43 1.97 0.72-0.82 15 0.184-0.51 0.28-0.31 1.38 1.30 0.22 16 0.167-0.48 0.20-0.29 1.25 0.89 0.07 17 0.171-0.58 0.28-0.29 3.18 0.76-0.80 18 0.217-0.51 0.47-0.34 4.49 0.71-0.59 19 0.213-0.41 0.50-0.42 3.44 0.71-0.85 20 0.233-0.45 0.45-0.48 4.82 0.59 0.16 Για τον υπολογισµό αυτών των παραµέτρων χρησιµοποιήθηκαν δύο εµπειρικές σχέσεις. Η πρώτη σχέση υπολογίζει το µέγεθος K Y α σε kg/m 3 s δηλαδή τον ολικό συντελεστή µεταφοράς µάζας K Y επί την ειδική διαχωριστική επιφάνεια α σε m 2 /m 3 (ανηγµένη στον όγκο γεµίσµατος) και είναι η ακόλουθη [3]: n n n K α= C (L + ) 1 (G + ) 2 (T + HW ) 3 L (7.1) Y 1 Όπου: L + L = L 0 (7.2) G + G = G 0 (7.3) 57

T + HW = ( 1.8t + 32) L,in 110 Η δεύτερη σχέση υπολογίζει την πτώση πίεσης και φαίνεται παρακάτω: (7.4) N (HorX) n n = C (L + ) 4 (G + ) 5 (7.5) 2 Σε αυτό το σηµείο αξίζει να σηµειωθεί ότι τα µεγέθη C 1, C 2, n 1, n 2, n 3, n 4, n 5 είναι σταθερά και χαρακτηριστικά για το εκάστοτε πληρωτικό υλικό και ελήφθησαν από τον πίνακα 2. Επίσης, τα µεγέθη L 0, G 0 ελήφθησαν από τον πίνακα 2. Ο κώδικας 1 υπολογίζει το µέγεθος Κ Y α σε kg/m 3 s δηλαδή τον ολικό συντελεστή µεταφοράς µάζας K Y επί την ειδική διαχωριστική επιφάνεια α, ανηγµένη στον όγκο γεµίσµατος σε m 2 /m 3. Επίσης, υπολογίζει την πτώση πίεσης (σχ.7.5.) για κάθε ένα από τα δοθέντα υλικά. Ο χρήστης πρέπει κάθε φορά να εισάγει το χρησιµοποιηθέν πληρωτικό υλικό (δηλαδή το µέγεθος Μ σύµφωνα µε τον πίνακα 7.1), την παροχή του νερού L σε kg/m 2 s, την παροχή του ξηρού αέρα G S σε kg/m 2 s και την θερµοκρασία εισόδου του νερού στον πύργο ψύξης t L2 σε ºC. Ο κώδικας 2 υπολογίζει το ενεργό ύψος του ψυκτικού πύργου Ζ σε m. Ο χρήστης πρέπει κάθε φορά που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα να εισάγει το χρησιµοποιηθέν πληρωτικό υλικό (δηλαδή το µέγεθος Μ σύµφωνα µε τον πίνακα 7.1), τη θερµοκρασία εισόδου του αέρα t G1 σε ºC, τη θερµοκρασία εξόδου του αέρα t G2 σε ºC, την απόλυτη υγρασία του αερίου µίγµατος στην είσοδο του πύργου Υ 1, την απόλυτη υγρασία του αερίου µίγµατος στην έξοδο του πύργου Υ 2, την παροχή του νερού L, τη θερµοκρασία εισόδου του νερού στον πύργο t L2 σε ºC και τη θερµοκρασία εξόδου του νερού από τον πύργο t L1 σε ºC. 58

ΛΟΓΙΚΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΚΩ ΙΚΑ 1 7.1.1. Κώδικας 1 program PACKINGS write(*,*) 'FOR COUNTERFLOW PACKINGS 1<=M<=12' write(*,*) 'FOR CROSSFLOW PACKINGS 12<M<=20' write(*,*) 'INSERT M' read(*,*) M if (M.eq.1) then c1 = 0.289 s1 = -0.70 s2 = 0.70 s3 = 0.00 c2 = 2.72 59

s4 = 0.35 s5 = -0.35 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.2) then c1 = 0.361 s1 = -0.72 s2 = 0.72 s3 = 0.00 c2 = 3.13 s4 = 0.42 s5 = -0.42 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.3) then c1 = 0.394 s1 = -0.76 s2 = 0.76 s3 = 0.00 c2 = 3.38 s4 = 0.36 s5 = -0.36 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.4) then c1 = 0.459 s1 = -0.73 s2 = 0.73 s3 = 0.00 c2 = 3.87 s4 = 0.52 s5 = -0.36 F0 = 3.391 G0 = 3.391 60

else if(m.eq.5) then c1 = 2.723 s1 = -0.61 s2 = 0.50 s3 = -0.34 c2 = 19.22 s4 = 0.34 s5 = 0.19 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.6) then c1 = 1.575 s1 = -0.50 s2 = 0.58 s3 = -0.40 c2 = 9.55 s4 = 0.31 s5 = 0.05 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.7) then c1 = 1.378 s1 = -0.49 s2 = 0.56 s3 = -0.35 c2 = 10.10 s4 = 0.23 s5 = -0.04 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.8) then c1 = 0.558 s1 = -0.38 s2 = 0.48 61

s3 = -0.54 c2 = 4.33 s4 = 0.85 s5 = -0.60 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.9) then c1 = 0.525 s1 = -0.26 s2 = 0.58 s3 = -0.45 c2 = 2.36 s4 = 1.10 s5 = -0.64 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.10) then c1 = 1.312 s1 = -0.60 s2 = 0.62 s3 = -0.60 c2 = 8.33 s4 = 0.27 s5 = -0.14 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.11) then c1 = 0.755 s1 = -0.51 s2 = 0.93 s3 = -0.52 c2 = 1.51 s4 = 0.99 s5 = 0.04 62

F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.12) then c1 = 1.476 s1 = -0.56 s2 = 0.60 s3 = -0.38 c2 = 6.27 s4 = 0.31 s5 = 0.10 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.13) then c1 = 0.161 s1 = -0.58 s2 = 0.52 s3 = -0.44 c2 = 1.44 s4 = 0.66 s5 = -0.73 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.14) then c1 = 0.171 s1 = -0.34 s2 = 0.32 s3 = -0.43 c2 = 1.97 s4 = 0.72 s5 = -0.82 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.15) then c1 = 0.184 63

s1 = -0.51 s2 = 0.28 s3 = -0.31 c2 = 1.38 s4 = 1.30 s5 = 0.22 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.16) then c1 = 0.167 s1 = -0.48 s2 = 0.20 s3 = -0.29 c2 = 1.25 s4 = 0.89 s5 = 0.07 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.17) then c1 = 0.171 s1 = -0.58 s2 = 0.28 s3 = -0.29 c2 = 3.18 s4 = 0.76 s5 = -0.80 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.18) then c1 = 0.217 s1 = -0.51 s2 = 0.47 s3 = -0.34 c2 = 4.49 64

s4 = 0.71 s5 = -0.59 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.19) then c1 = 0.213 s1 = -0.41 s2 = 0.50 s3 = -0.42 c2 = 3.44 s4 = 0.71 s5 = -0.85 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.20) then c1 = 0.233 s1 = -0.45 s2 = 0.45 s3 = -0.48 c2 = 4.82 s4 = 0.59 s5 = 0.16 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else print*, 'THIS MATERIAL IS NOT INCLUDED IN THIS PROJECT' read(*,*) c1,s1,s2,s3,c2,s4,s5,f0,g0 endif write(*,*) 'INSERT T,F,G' write(*,*) 'T:INLET WATER TEMPERATURE' write(*,*) 'F:WATER MASS FLUX' write(*,*) 'G:AIR MASS FLUX' read(*,*) T,F,G Fa= F / F0 65

Ga= G / G0 T1 = (1.8 * T + 32) / 110 A = F * c1 * (Fa**s1)*(Ga**s2)*(T1**s3) B = c2 * (Fa**s4) * (Ga**s5) Z=F/G 217 format('t1=',f7.3) 218 format('a=',f7.3) 219 format('b=',f7.3) 220 format('z=',f7.3) write(*,217) T1 write(*,218) A write(*,219) B write(*,220) Z write(*,*) 'A=KYa AND B=N/(H or X)' write(*,*) 'Z=F/G' write(*,*) 'T1=THW' stop end Ο κώδικας 1, όπως αναφέρθηκε και στη εισαγωγή του υπολογιστικού µέρους υπολογίζει το µέγεθος K Y α και την πτώση πίεσης Η/(Ν or X) για δεδοµένο πληρωτικό υλικό (από τον πίνακα 7.1) και δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της απόδοσης των πληρωτικών υλικών του πίνακα 7.1. 66

ΛΟΓΙΚΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΚΩ ΙΚΑ 2 67

68

7.1.2. Κώδικας 2 program TOWERZ dimension temps (1:500,4) write(*,*) 'FOR COUNTERFLOW PACKINGS 1<=M<=12' write(*,*) 'FOR CROSSFLOW PACKINGS 12<M<=20' 1 write (*,*) 'INSERT tg1,tg2,y1,y2,tl2,tl1,f' write(*,*) 'tg1,tg2:inlet,outlet AIR TEMPERATURE' write(*,*) 'y1,y2:inlet,oulet ABSOLUTE HUMIDITY' write(*,*) 'tl2,tl1:inlet,outlet WATER TEMPERATURE' write(*,*) 'F WATER MASS FLUX' read(*,*) tg1,tg2,y1,y2,tl2,tl1,f if (tl2.lt.(tl1+1)) then write(*,*) 'tl2 must be greater or equal to (tl1+1)' go to 1 endif if (tg1.ge.tg2) then write(*,*) 'tg1 must be lower than tg2' go to 1 endif write(*,*) 'INSERT M' read(*,*) M if (M.eq.1) then c1 = 0.289 s1 = -0.70 s2 = 0.70 s3 = 0.00 c2 = 2.72 s4 = 0.35 s5 = -0.35 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.2) then c1 = 0.361 s1 = -0.72 69

s2 = 0.72 s3 = 0.00 c2 = 3.13 s4 = 0.42 s5 = -0.42 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.3) then c1 = 0.394 s1 = -0.76 s2 = 0.76 s3 = 0.00 c2 = 3.38 s4 = 0.36 s5 = -0.36 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.4) then c1 = 0.459 s1 = -0.73 s2 = 0.73 s3 = 0.00 c2 = 3.87 s4 = 0.52 s5 = -0.36 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.5) then c1 = 2.723 s1 = -0.61 s2 = 0.50 s3 = -0.34 c2 = 19.22 s4 = 0.34 70

s5 = 0.19 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.6) then c1 = 1.575 s1 = -0.50 s2 = 0.58 s3 = -0.40 c2 = 9.55 s4 = 0.31 s5 = 0.05 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.7) then c1 = 1.378 s1 = -0.49 s2 = 0.56 s3 = -0.35 c2 = 10.10 s4 = 0.23 s5 = -0.04 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.8) then c1 = 0.558 s1 = -0.38 s2 = 0.48 s3 = -0.54 c2 = 4.33 s4 = 0.85 s5 = -0.60 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.9) then 71

c1 = 0.525 s1 = -0.26 s2 = 0.58 s3 = -0.45 c2 = 2.36 s4 = 1.10 s5 = -0.64 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.10) then c1 = 1.312 s1 = -0.60 s2 = 0.62 s3 = -0.60 c2 = 8.33 s4 = 0.27 s5 = -0.14 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.11) then c1 = 0.755 s1 = -0.51 s2 = 0.93 s3 = -0.52 c2 = 1.51 s4 = 0.99 s5 = 0.04 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.12) then c1 = 1.476 s1 = -0.56 s2 = 0.60 s3 = -0.38 72

c2 = 6.27 s4 = 0.31 s5 = 0.10 F0 = 3.391 G0 = 3.391 else if(m.eq.13) then c1 = 0.161 s1 = -0.58 s2 = 0.52 s3 = -0.44 c2 = 1.44 s4 = 0.66 s5 = -0.73 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.14) then c1 = 0.171 s1 = -0.34 s2 = 0.32 s3 = -0.43 c2 = 1.97 s4 = 0.72 s5 = -0.82 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.15) then c1 = 0.184 s1 = -0.51 s2 = 0.28 s3 = -0.31 c2 = 1.38 s4 = 1.30 s5 = 0.22 F0 = 8.135 73

G0 = 2.715 else if(m.eq.16) then c1 = 0.167 s1 = -0.48 s2 = 0.20 s3 = -0.29 c2 = 1.25 s4 = 0.89 s5 = 0.07 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.17) then c1 = 0.171 s1 = -0.58 s2 = 0.28 s3 = -0.29 c2 = 3.18 s4 = 0.76 s5 = -0.80 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.18) then c1 = 0.217 s1 = -0.51 s2 = 0.47 s3 = -0.34 c2 = 4.49 s4 = 0.71 s5 = -0.59 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.19) then c1 = 0.213 s1 = -0.41 74

s2 = 0.50 s3 = -0.42 c2 = 3.44 s4 = 0.71 s5 = -0.85 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else if(m.eq.20) then c1 = 0.233 s1 = -0.45 s2 = 0.45 s3 = -0.48 c2 = 4.82 s4 = 0.59 s5 = 0.16 F0 = 8.135 G0 = 2.715 else print*, 'THIS MATERIAL IS NOT INCLUDED IN THIS PROJECT' read(*,*) c1,s1,s2,s3,c2,s4,s5,f0,g0 endif THW = (1.8 * tl2 + 32) / 110 e1= (((1005+1884*y1)*tg1) + (2502300*y1)) e2= (((1005+1884*y2)*tg2) + (2502300*y2)) G=((tl2-tl1)*F*4.187/(e2-e1) ) * 1000 c = ((e1 - e2) / (tl1 - tl2)) d = (e1 - (c * tl1)) Z=F/G Fa= F / F0 Ga= G / G0 A = F * c1 * (Fa**s1) * (Ga**s2) * (THW**s3) B = c2 * (Fa**s4) * (Ga**s5) v = int(((tl2-tl1))/0.1) X1=0 75

X2=0 X=0 n= int(v) if (n.gt.499) then write(*,*) 'HUGE DTl, IMPOSOBLE IN THIS TYPE OF COOLING TOWERS' endif t=tl2 do i = 1,n+1 t = tl1 + (i-1)*0.1 h = c*t + d f = 1000*((0.222 * (t**2)) - (9.175 * t) + 178.6) z = (10**5)/(f-h) temps(i,1) = t temps(i,2) = h temps(i,3) = f temps(i,4) = z if (i.gt.1) then X1=(temps((i-1),4)+temps(i,4)) X2=(temps(i,2)-temps((i-1),2)) X=X+((X1*X2)/200000) endif end do write(*,*) 'X=',X 226 format('a=',f5.3) write(*,226) A write(*,*) 'G=',G Ze=X*G/A 227 format('ze=',f5.3) write(*,227) Ze write(*,*) 'B=',B write(*,*) 'X=NtOG' write(*,*) 'G: AIR MASS FLUX' write(*,*) 'A=Kya' 76

write(*,*) 'Ze=Z,FILL HEIGHT' write(*,*) 'B=N/(H or X),PRESSURE DROP' stop end Ο κώδικας 2 χρησιµοποιεί τον κώδικα 1 και στη συνέχεια µε επαναληπτική διαδικασία υπολογίζει το ολοκλήρωµα: H 2 dh H H H 1 Σχήµα 7.1. Σχηµατική απεικόνιση του ολοκληρώµατος (σχήµα 6.2. θεωρητικού µέρους). Για τον υπολογισµό του ολοκληρώµατος, δηλαδή του εµβαδού κάτω από την καµπύλη, η περιοχή κάτω από την καµπύλη διαιρέθηκε σε απειροστά τραπέζια. Υπολογίστηκε το εµβαδόν του κάθε απειροστού τραπεζίου και στη συνέχεια το συνολικό εµβαδόν κάτω από την καµπύλη. ηλαδή, στον κώδικα 2 υπολογίζονται (n+1) σηµεία της εκάστοτε καµπύλης µε οριζόντιο άξονα την H και κατακόρυφο άξονα το λόγο 10 5 /(Η *-Η ) ανάλογα µε τα δεδοµένα που εισάγει κάθε φορά ο χρήστης και που έχουν αναφερθεί παραπάνω. Το n στον κώδικα 2 έχει οριστεί 77