Otvoreni rashladni sistemi se zasnivaju na pricipu evaporacije i činjenici da se temperatura preostale (neisparene) vode snižava tokom isparavanja mase rashladne vode.  Otvoreni rashladni sistemi koriste istu vodu više puta da bi rashladili industrijsku procesnu opremu. Toplota koja je prenesena na vodu mora biti oslobođena preko rashladnog tornja ili evaporativnog kondenzatora kako bi se voda ponovo mogla koristiti za hlađenje. Pošto se tokom ovog procesa deo vode gubi evaporacijom u okolni vazduh a minerali prisutni u vodi ne napuštaju tečnu fazu, događa se koncentrisanje slabo rastvornih soli u vodi koje mogu formirati naslage kamenca i u velikoj meri ometati ili zaustaviti rad rashladnog tornja. Iz ovog razloga deo vode se namerno ispušta (odsoljava), a manjak vode u tornju se nadomešćuje svežom dopunom vode. Zbog toga se ovaj tip rashladnih sistema naziva otvoreni, jer stalno postoji dopuna i ispuštanje vode kako bi uređaj mogao nesmetano raditi.

Otvoreni rashladni sistemi štede ogromnu količinu vode u poređenju sa protočnim rashladnim sistemima koji celokupnu količinu vode koja je primila toplotu iz proizvodnog procesa ispuštaju nazad u recipijent. Osnovni cilj otvorenog rashladnog sistema je da se toplota što efikasnije ukloni kao i da se ispuštanje vode iz tornja (tzv. odsoljavanje) svede na minimum, a da se pri tome ne stvore naslage kamenca na uređajima koji su u kontaktu sa vodom. Zbog toga ima smisla korišćenje hemijskih polimera koji sprečavaju taloženje kamenca, čime se omogućava da otvoreni rashladni toranj radi sa minimalnim količinama vode.  Na slici je data uprošćena shema otvorenog rashladnog sistema.

Slika 1. Otvoreni rashladni sistem

Industrijski otvoreni rashladni tornjevi mogu koristiti rečnu, bunarsku ili čak morsku vodu kao dopunu. Na manjim sistemima ponekad može biti ekonomski opravdano koristiti i vodu iz sistema gradskog vodovoda, ako je ona dostupna u dovoljnoj količini i ne stvara suviše novčanih troškova. Kvalitet i karakteristike dopunske vode će u mnogome odrediti efikasnost rada otvorenog rashladnog sistema. Često će biti potrebno predhodno prečišćavanje sirove vode da bi se ona mogla koristiti u otvorenom rashladnom sistemu. Ponekad će biti potrebno mehaničko i hemijsko uklanjanje nečistoća prisutnih u sirovoj vodi putem taloženja, koagulacije, filtracije, omekšavanje i izmene jona da bi se kvalitet vode prilagodio potrebama rashladnog sistema. Naravno, tokom analize i projektovanja sistema mora se osmislti najmanji mogući broj postupaka prečišćavanja i najekonomičniji način, a da se pri tome obezbedi dovoljna količina i odgovarajući kvalitet napojne vode.

Problemi koji se javljaju u radu otvorenih rashladnih sistema su sledeći:

• Hlađenje putem procesa evaporacije povećava koncentraciju soli u vodi i povećava tendenciju stvaranja kamenca i naslaga na metalnim delovima opreme
• Relativno visoka temperatura vode u sistemu povećava potencijal korozije
• Stalno obogaćivanje vode kiseonikom iz vazduha povećava potencijal za koroziju
• Duže vreme zadržavanja vode u tornju i viša temperatura povećavaju mogućnost razvoja i rasta mikroorganizama (bakterija, virusa, algi, plesni) u vodi
• Taloženje biološkog materijala na površinama za razmenu toplote smanjuju efikasnost rashladnog sistema
• Gasovi prisutni u vazduhu kao što su sumpor dioksid (SO₂), amonijak (NH₃) ili vodonik sulfid (H2_S) mogu biti adsorbovani u vodu, izazivajući jaču koroziju

Rashladni tornjevi su dizajnirani tako da obezbede intiman kontakt između vazduha i vode koja se hladi. Da bi se postigao što bolji kontakt i što veća dodirna površina između vode i vazduha u toranj se postavljaju ispune različitog oblika i materijala izrade.

Vrste otvorenih rashladnih tornjeva

Rashladni tornjevi su klasifikovani prema uzroku strujanja na tornjeve sa prirodnim strujanjem i tornjeve sa mehaničkim strujanjem. Tornjevi sa mehaničkim strujanjem su dalje podeljeni prema načinu na koji je strujanje izazvano na one sa direktnim strujanjem i indukovanim strujanjem. Prema smeru kretanja vazduha dele se na suprotnostrujne i poprečnostrujne.

Tornjevi sa prirodnim strujanjem se ponekad nazivaju hiperboličnim tornjevima zbog njihovog karakterističnog oblika. Ovaj dizajn omogućava prirodno strujanje vazduha, bez upotrebe ventilatora. Ovo tornjevi koriste prirodnu pokretačku silu koja leži u razlici gustina između hladnijeg vazduha koji ulazi na vrhu tornja i toplijeg vazduha koji se nalazi unutar tornja.  Topao i vlažan vazduh unutar tornja ima manju gustinu pa se prirodno diže, dok se hladniji vazduh iz okoline spušta prema dnu tornja. Potreban je visok dimnjak da bi se uspostavilo dovoljno pokretačke sile za prirodnu cirkulaciju vazduha. Tornjevi sa prirodnim strujanjem mogu biti dizajnirani tako da se ostvaruje ili protivstrujno ili poprečnostrujno kretanje vazduha kroz ispune tornja. Kapitalni troškovi izgradnje hiperboličkog tornja su veliki jer zahtevaju veliku građevinu, ponekad i 150 metara visoku, ali su operativni troškovi su mali jer njihov rad ne zahteva upotrebu energije za pokretanje vazdušne struje.

Tornjevi sa mehaničkim strujanjem koriste ventilatore da pokrenu vazduh kroz toranj. Kod rešenja sa direktnim strujanjem ventilator je postavljen na donji deo tornja i ubacuje vazduh iz okoline. Strujanje kroz toranj je najčešće suprotnostrujno. Kod rešenja sa indukovanim strujanjem ventilatori su postavljeni na vrh tornja i oni praktično izvlače vazduh iz tornja ka spolja.  Tornjevi sa indukovanim strujanjem takođe mogu biti suprotnostrujni ili poprečnostrujni u zavisnosti od pravca u kome se vazduh kreće u odnosu na vodu.

Kod suprotnostrujnih tornjeva, kao što i samo ime kaže, vazduh se kreće suprotno od vode koja pada sa vrha tornja, niz ispune, prema bazenu. Ovaj dizajn obezbeđuje odličnu razmenu toplote jer najhladniji vazduh je u kontaktu sa najhladnijom vodom. Voda se na vrhu tornja raspršuje prskalicama u sitne kapljice koje se polako kreću kroz ispune tornja nadole uz pomoć gravitacione sile, dok se vazduh uzdiže naviše pogonjen bilo direktnim uduvavanjem ventilatora na dnu, ili indukovanim povlačenjem vazduha pomoću ventilatora na vrhu tornja. Kod ovog dizajna otpor strujanju je značajno veći nego kod poprečnostrujnih tornjeva, pa je zato potreban ventilator veće snage.

Kod poprečnostrujnih tornjeva vazduh se kreće pod pravim uglom u odnosu na kretanje vode koja ide sa vrha naniže. Ovaj dizajn obezbeđuje lakše kretanje vazduha, pa je potrebna manja snaga ventilatora u poređenju sa suprotnostrujnim tornjem, za isti protok vazduha kroz toranj.

Sastavni delovi rashladnog tornja

Najvažniji deo rashladnog tornja je ispuna koja omogućava intiman kontak vazduha i vode pri njihovom strujanju kroz toranj. Dobro dizajnirano pakovanje mora da obezbedi ujednačenu i ravnomernu distribuciju vode koja se kreće sa vrha tornja na dole. Postoje takozvane “prskajuće prečke” na koje kapljice vode padaju, rasprskavaju se i idu naniže na sledeću prečku. Ranije su se izrađivale od drveta, ali danas se uglavnom koriste one od plastike. Novije rešenje obuhvata takozvane “film ispune” koje se sastoje od velikog broja talasastih vertikalnih ploča zbijenih jedna do druge koje usmeravaju vodu da teče u vidu tankog filma. Izrađuju se od različitih vrsta plastike. Film ispune su efikasnije u razmeni toplote, ali su podložnije formiranju raznih vrsta naslaga zbog načina i brzine strujanja vode i malog rastojanja između ploča. Moguće je stvaranje naslaga kamenca, nagomilavanja suspendovanih materija kao i intenzivnog rasta mikroorganizama kao što su alge, pod čijom težinom se ispuna tornja može i urušiti. Bilo koja vrsta naslaga na ispunama u značajnoj meri smanjuje efikasnost hlađenja i povećava troškove rada fabrike. Da bi se ovi problemi sprečili koriste se razne hemikalije za tretman vode.

Žaluzine. Žaluzine se koriste da usmere vazduh u toranj i minimiziraju količinu vode koja se izgubi vetrom.

Eliminatori „drifta”. Drift je termin koji se koristi za kapljice vode koje su zahvaćene vazdušnom strujom ventilatora i koje napuštaju toranj zajedno sa vazduhom. Kapljice imaju isti sastav kao i voda u tornju. Drift treba minimizirati jer izaziva gubitke vode i može napraviti mrlje na zgradama i automobilima u blizini tornja. Drift eliminatori naglo menjaju smer vazduha izazivajući da se kapljice vode odvoje od vazduha i padnu nazad u bazen tornja, čime se sprečavaju gubitci vode. Eliminatori drifta izazivaju pad pritiska u tornju ali su ti problemi gotovo eliminisani novijim dizajnom i savremenijim materijalima.

Izmenjivači toplote

Generalno, izmenjivači toplote se koriste za hlađenje, grejanje, kondenzovanje ili isparavanje u zavisnosti od zahteva procesa. Po dizajnu dele se na tubularne, sa duplim cevima, spiralnim cevima, pločaste, air fin. Tubularni su najčešće korišćeni. Postoje horizontalni i vertikalni tipovi. Najčešće se koriste horizontalni, mada je prednost vertikalnih u tome što zauzimaju manje prostora.

Tipična struktura tubularnog izmenjivača toplote je prikazana na slici ispod.

Rashladna voda se može kretati ili kroz cevi ili kroz omotač.

Toplotni fluks

Toplotni fluks se definiše kao količina toplote uklonjena sa precesnog fluida na rashladnu vodu u jedinici vremena i jedinici površine. Računa se prema sledećoj jednačini:

Q – toplotni fluks (kcal/ m²xh)

∆T – razlika temperatura na ulazu i izlazu iz razmenjivača toplote (°C)

R – protok rashladne vode (m³/h)

C – specifični toplotni kapacitet vode na konstantnom pritisku (kcal/kg °C)

A – površina za razmenu toplote (m²)

Što je veći toplotni fluks, to je veća mogućnost pojave kamenca i korozije na cevima izmenjivača toplote.

Ukupan koeficijent prenosa toplote

Ukupan koeficijent prenosa toplote je funkcija termalne efikasnosti i definisan je sledećom jednačinom:

U – ukupan koeficijent razmene toplote (kcal/m² h °C)

α₁ – koeficijent prenosa toplote laminarnog filma na procesnoj strani (kcal/m² h °C)

α₂ – koeficijent prenosa toplote laminarnog filma na strani rashladne vode (kcal/m² h °C)

λ – termalna provodljivost cevi (kcal/m² h °C)

l – debljina zida cevi (m)

γ₁ – faktor taloženja na procesnoj strani (m² h °C/ kcal)

γ₂ – faktor taloženja na strani rashladne vode (m² h °C/ kcal)

U-vrednost se smanjuje usled taloženja kamenca, produkata korozije kao i biološke sluzi u toku rada izmenjivača toplote. Smanjenje U-vrednosti je veće za izmenjivače sa višim U koeficijentom pod istim uslovima taloženja. Što je veća debljina taloženja, to se više smanjuje U-vrednost, čime se i smanjuje efikasnost razmene toplote.

Faktor taloženja  γ

Faktor taloženja ukazuje na stepen taloženja kamenca i drugih naslaga na izmenjivaču toplote. Faktor taloženja se računa prema sledećoj jednačini.

gde je:

γ – ukupan faktor taloženja (m² h °C/ kcal)

γ₁ – faktor taloženja na procesnoj strani (m² h °C/ kcal)

γ₂ – faktor taloženja na strani rashladne vode (m² h °C/ kcal)

U_f – ukupan prenosa toplote u uslovima taloženja (kcal/m² h °C)

U_o – inicijalni ukupan prenosa toplote bez taloženja (kcal/m² h °C)

Faktor taloženja se takođe određuje na osnovu termalne provodljivosti i debljine istaloženog materijala koristeći sledeću jednačinu:

L₁ – debljina taloga na procesnoj stani (m)

L₂ – debljina taloga na strani rashladne vode (m)

λ₁ – termalna provodljivost taloga na procesnoj strani (kcal/m² h °C)

λ₁ – termalna provodljivost taloga na strani rashladne vode (kcal/m² h °C)

Izmenjivači toplote su uglavnom projektovani sa faktorom taloženja na strani rashladne vode od 0,0002 do 0,0006 kcal/m² h °C u zavisnosti od tendencije taloženja rashladne vode. Iz ovog razloga γ₂ u toku rada sistema se mora održavati nižim od projektovanog γ₂ .

Dozvoljeni faktor taloženja se procenjuje na osnovu projektovanog γ₁ i γ₂ faktora. γ₂ se procenjuje na osnovu kvaliteta rashladne vode i hemijskog tretmana vode koji se upotrebljava.

Izborom pravilnog hemijskog tretmana rashladne vode, potrebno je držati faktor taloženja γ na apsolutnom minimumu i na taj način Vaš sistem održavati u optimalnim performansama. Ovime se generišu uštede u radu rashladnog sistema u smislu minimalnog utroška vode i procesnog fluida, energije za rad ventilatora i recirkulacionih pumpi.

Recirkulacione pumpe

Pumpe turbinskog tipa se najčešće koriste za recirkulaciju vode kroz rashladni sistem.

Metalurgija sitema

Oprema koja je u kontaktu sa rashladnom vodom obuhvata: izmenjivače toplote, cevi, pumpe, rashladni toranj, bazen rashladnog tornja i razne senzore za merenja parametara. Izuzev rashladnih tornjeva, većina opreme je sačinjena od metala i oni mogu biti raznovrsni od kojih svaki ima svoje prednosti i mane. Najčešće se koristi niskougljenični čelik, ali takođe i galvanizovani čelik, nerđajući čelik, bakar, mesing, bronza i ostale legure.

Korozija metala predstavlja jedan od glavnih problema koji se javlja u otvorenim rashladnim sistemima. Iako je moguće pri konstrukciji rashladnog sistema birati materijale otporne na koroziju, u slučaju velikih industrijskih sistema ovo se pokazuje kao jako skup i neopravdan poduhvat. Čak i sistemi izrađeni od nerđajućeg čelika mogu korodirati u uslovima visokog saliniteta, prisustva hloridnih Cl^– jona ili niskih brzina strujanja. Pored toga, realan sistem gotovo nikad nije uniformno izrađen od istog metala i legure, pa je moguća galvanska korozija zbog razlike u električnom potencijalu.

Prilikom izbora hemijskog tretmana protiv korozije mora se uzeti u obzir vrsta materijala od kojih je sačinjena oprema kako bi se izbegli problemi koji mogu da nastanu izborom neadekvatnog tretmana i koriščenjem hemikalije koja nije kompatibilna sa metalom od kojeg je izrađena oprema.

Balans vode u otvorenim rashladnim sistemima

Prilaz temperaturi vlažne kugle, raspon hlađenja

Rashladni tornjevi su projektovani da ohlade vodu do određene temperature u okviru izvesnih uslova koji zavise i od okoline u kojoj se nalaze. Temparatura vlažne kugle je najniža temperatura do koje se može ohladiti voda mehanizmom evaporacije. Temperatura vlažne kugle je tačka rose ambijentalnog vazduha. Razlika između temperature hladne vode u bazenu i temperature vlažne kugle se naziva “prilaz” temperaturi vlažne kugle. Razlika u temperaturi tople vode koja ide iz procesa i ohlađene vode u bazenu tornja se zove raspon hlađenja.

Kao što je ranije napomenuto, najveći deo hlađenja se obavlja mehanizmom evaporacije, dok manji deo odlazi na direktnu razmenu toplote između vode i okolinog vazduha senzitivnim prenosom toplote. Isparavnaje 1kg vode mehanizmom evaporacije na pritisku 1.013 bar i 25 °C odnosi 2,571 KJ/kg toplote. Sa druge strane, senzitivni prenos toplote zavisi od razlike temperatura vode i okolnog vazduha.

Ustanovljeno je da evaporacija 1% mase vode izaziva smanjenje temperature za 5,6 °C, odnosno isparavanje 1,8% mase vode izaziva smanjenje temperature vode za 10 °C.

U praksi je ustanovljeno:

E_f = 1.0 ako se svo hlađenje odvija mehanizmom evaporacije

E_f = 0.9 ako se deo hlađenja odvija i senzitivnim prenosom toplote

E_f = 0.8 u oblastima sa velikom vlažnošću vazduha

Faktor E_f  zavisi od relativne vlažnosti vazduha i temperature suve kugle. Vrednost može da se spusti i do 0.6 za veoma hladna klimatska područja.

U cilju proračuna, odsoljavanje (BD, blow down) je definisano kao svi ne-evaporativni gubitci vode (namerno i kontrolisano ispuštanje vode iz tornja, razna curenja na cevima i opremi, odnošenje vetrom, drift).

Dopuna sveže vode (MU, make-up) u toranj  se vrši da bi se nadomestila voda izgubljena evaporacijom i odosoljavanjem.

Kako voda isparava mehanizmom evaporacije, minerali prisutni u vodi ostaju u tečnoj fazi i tu se koncentrišu u odnosu na koncentraciju minerala u napojnoj vodi. Ciklus koncentrisanja predstavlja količnik koncentracije rastvorenih soli u vodi rashladnog tornja sa koncentracijom soli u napojnoj vodi. Ako kažemo da toranj radi sa 2.0 ciklusa koncentrisanja, to znači da je koncentracija rastvorenih soli u bazenu rashladnog tornja 2x veća nego koncentracija soli u napojnoj vodi.

Za praktične svrhe, ciklus koncentrisanja se može izmeriti upoređivanjem koncentracija dobro rastvornih jona (na primer hlorida ili sulfata) u vodi iz bazena i napojnoj vodi. Pošto je koncentracija u vodi u bazenu ista kao i koncentracija u ispuštene vode u odsoljavanju, ova koncentracija se obeležava kao koncentracija u odsoljavanju. Pri tome treba paziti da ovo neće važiti ukoliko se ovi joni ubacuju u sistem i na druge načine, hlorisanjem vode ili dodavanjem sumporne kiseline kao deo tretmana vode.

Ciklusi koncentrisanja bazirani na provodljivosti napojne vode i vode u bazenu mogu biti jednostavan način da se automatizuje kontrolisano odsoljavanje. Ovako izračunata vrednost ciklusa koncentracije će biti nešto viša od vrednosti ciklusa preračunatog na dobro rastvornim jonima, zato što se provodljivost vode u bazenu podiže dodavanjem hemikalija za tretman i/ili kiselina.

Ciklusi koncentrisanja = koncentracija u odsoljavanju / koncentracija u napojnoj vodi.

Može se pokazati da je:

Ciklusi koncentrisanja = MU / BD

gde je:

MU – količina napojne vode dodata u sistem, zbir evaporacije i odsoljavanja (m³/h)

BD – količina vode odsoljena iz sistema (m³/h)

MU = E + BD

iz ovoga sledi:

Ciklusi koncentrisanja = E + BD / BD i

BD = E / (Ciklusi – 1)

Ovo je korisna formula za izračunavanje parametara rada rashadnog sistema. Nakon što izmerimo broj ciklusa preko koncentracije jona u vodi ili provodljivosti, možemo odrediti potreban nivo odsoljavanja da bi se sistem održavao u stacionarnim uslovima.

Takođe, ova relacija je bitna zbog izračunavanja doziranja hemikalija i cene koštanja hemijskog tretmana.

Faktori koji limitiraju cikluse koncentrisanja

Cilj što ekonomičnijeg vođenja rada rashladnog sistema je da se ciklusi koncentrisanja drže što je moguće većim. Međutim, postoje sledeći limitirajući faktori:

Fizička ograničenja. Postoji fizički limit za broj ciklusa koji se može ostvariti zato što su neizbežni nekontrolisani gubitci vode putem curenja na opremi, odnošenja vetrom ili drifta. Savremeni tornjevi gde su odnošenje vetrom i drift maksimalno eliminisani, bi teoretski mogli da dostignu i više od 50 ciklusa.

Hemijska ograničenja. Kako se broj ciklusa povećava, povećava se i koncentracija slabo rastvornih soli u recirkulacionoj vodi. Takođe, neke soli imaju inverznu temperaturnu rastvorljivost odnosno rastvorljivost im se smanjuje kako se temperatura vode povećava. Jedna od najpoznatijih u tom smislu je slabo rastvorna so kalcijum-karbonata (CaCO₃), takozvani kamenac. Pored ovoga, rastvorljivost mnogih soli opada sa povećanjem pH vrednsti. Pošto je voda u rashladnom sistemu koncentrisana i pH se podiže, pa se povećava tendencija stvaranja naslaga.

Pored kalcijum-karbonata (CaCO₃) i druge slabo rastvorne soli kao što su kalcijum-sulfat (CaSO4), magnezijum-sulfat i silikati kalcijuma i magnezijuma, mogu limitirati broj mogućih ciklusa koncentrisanja.

Da bi se sprečilo stvaranje ovih naslaga, potrebno je namerno odsoljavati određenu količinu vode, odnosno smanjivati broj ciklusa koncentrisanja, a takođe i dozirati hemikalije za tretman vode koje će sprečiti pojavu taloženja.

Da bi se procenila mogućnost taloženja i stvaranja naslaga soli na zidovima rashladnih sistema koriste se razni indeksi, od kojih su najznačajniji Langelierov indeks zasićenja (LSI) i Riznarov indeks stabilnosti (RSI)

LSI = pH – pH_s                        RSI = 2 x pH_s – pH

pH_s – pH zasićenja i funkcija je ukupnih rastvorenih soli, temperature, jona kalcijuma i alkalnosti.

pH – stvarna izmerena pH vrednost vode

LSI > 0   ukazuje na to da se kalcijum-karbonat taloži u sistemu

LSI = 0 ukazuje da je taloženje i rastvaranje kalcijum-karbonata u dimaničkoj ravnoteži, odnosno da nema taloženja

Za izuzetno slane vode, koje imaju ukupnu koncentraciju rastvorljivih soli > 10,000 mg/L, umesto LSI indeksa koristi se Stiff-Davis indeks (S&DI) koji uzima u obzir i jonsku jačinu.

Na osnovu razmatranja LSI i RSI indeksa, zaključak je da se tendencija taloženja kamenca može smanjiti tako što će se smanjiti i regulisati pH vode korišćenjem jakih mineralnih kiselina (češće H2SO4, a ređe HCl). Kao što je ranije napomenuto, naslage se mogu sprečavati i korišćenjem hemikalija za tretman vode koje ometaju taloženje. Primenom ovih metoda nije moguće neograničeno povećavati cikluse koncentrisanja i češće će limitirajući faktor za cikluse koncentrisanja biti hemijska ograničenja nego fizička ograničenja, osim u slučaju da je toranj jako star i da postoje ozbiljna nekontrolisana curenja bazena i cevovoda.

Povećanje performansi rashladnog sistema

Ova tri problema su međusobno povezana, svaki od njih pojačava druga dva i uvek deluju zajedno. Ukoliko se integrisanim pristupom svi reše, doći će do povećanja efikasnost rada rashladnog sistema, produžiće se vek trajanja opreme i ostvariti značajne uštede u smislu potrošnje električne energije, potrošnje rashladne vode i smanjiće se opterećenje sistema za pripremu vode

Autor: Bojan Naćić, dipl.ing. tehnologije