Figura 1. Torre de arrefecimento típica
Esta é a Parte I de uma série de quatro partes sobre estratégias de poupança de energia para torres de arrefecimento evaporativo.
As Torres de arrefecimento evaporativo são normalmente concebidas para proporcionar o arrefecimento adequado necessário para o processo quando a produção e as condições externas estão no seu máximo. Quando a carga de calor não está no seu fluxo máximo de ar, ou água da torre pode ser reduzida e energia pode ser economizada.
Figura
1. Torre de arrefecimento típica
Esta é a Parte I de uma série de quatro partes sobre
estratégias de poupança de energia para torres de arrefecimento evaporativo.
A operadores de motores de vapor atrás do século
descobriram que poderiam melhorar a eficiência energética através da adição de
um permutador de calor sobre a quitação vapor. A idéia era a fluir para o
mar ou rio de água através do trocador de calor abaixando a temperatura de
vapor e reduzir a taxa de compressão do motor a vapor. Isso funcionou bem para
aplicações marítimas, mas era demasiado caro para sistemas baseados em terra,
onde a única fonte de água disponível era de um município, como aparentemente o
advento do medidor de água precedeu o motor a vapor. As torres de arrefecimento
evaporativo foram inventados para proporcionar um funcionamento eficiente motor
a vapor terrestre recapturando a grande maioria da água utilizada pelo trocador
de calor.
Torres
de Arrefecimento 101
Em geral, torres de resfriamento evaporativo são
usados para resfriar água de processo por meio de evaporação. A Figura 1
mostra uma torre de fluxo cruzado típico de arrefecimento evaporativo. A capacidade
da bomba de água de alta temperatura do processo que a água entre no topo
através de bicos. Os bicos dispersar a água sobre uma grande área de
superfície conhecido como o preenchimento. A única função de preenchimento
é eficaz para retardar a água atingir o fundo da torre e proporcionar mais
tempo para o ar para interagir com a água do processo. A gravidade faz com
que a água lentamente para fazer o seu caminho através do enchimento enquanto
uma ventoinha força o ar através do percurso da água até atingir o fundo da
torre (bacia). O ar que passa através da torre faz com que alguma da água
e evapora-se para dar o calor. Para cada libra de água que evapora, cerca
de 1.000 BTUs são removidos. O ar deixa a torre carregado de humidade e
mistura-se com a atmosfera. Qualquer água que evapora é composta por um
sistema de medição de água doce localizado na bacia de água fria. A torre
de fluxo transversal mostrada na ilustração é muito comum. Embora existam
muitas variações, como estática (sem ventilador), contra-fluxo e outros, o
traço comum é o arrefecimento da água de processo usando a evaporação.
Leia também: Big Data - Como sensores podem facilitar a Manutenção e
Confiabilidade Precisa do Equipamento
Estratégia Torre de Controle de otimização de arrefecimento
As torres de arrefecimento evaporativo são normalmente
concebidos para proporcionar o arrefecimento resfriamento adequado necessário
para o processo quando a produção e as condições externas estão no seu
máximo. Este é o único momento em que as necessidades de arrefecimento do
processo, na verdade, a capacidade de corresponder a torre. Isto significa
que em todas as outras vezes a torre tem uma capacidade maior do que a carga de
calor cartão. Como você pode perceber, a grande maioria do tempo, quer o
fluxo de ar ou água da torre de resfriamento evaporativo pode ser reduzido e
energia pode ser salvo. Em muitos casos, os proprietários das instalações
rapidamente adotar a ideia de diferentes velocidades do ventilador, pois esta é
uma correção relativamente fácil. Em alguns casos, variando a velocidade
da bomba tem o potencial para economizar ainda mais energia, mas isso deve ser
feito com cautela.
A pergunta sempre se resume ao que é a melhor
estratégia e quanto vai poupar? Para responder a esta questão, há quatro
variáveis-chave que devem ser compreendidos:
Carga de calor 1.
Processo
2. As Leis de
Afinidade
3. Ciência básica do
fluxo de água
4. Psychrometrics
Tipos de Cargas de Arrefecimento Torre de calor
As Cargas calor de processo podem ser
classificados em dois modos diferentes, o mais simples é aquela que deriva
nenhum benefício de energia a partir do abastecimento de torre de água para o
processo estar a uma temperatura mais baixa do que a sua conceção máxima, caso
em que a torre tem um ponto de ajuste fixo sobre a temperatura da água de
alimentação. Em outras palavras:
Potência
total = ventilador + bomba
A carga de calor de processo mais complicado é uma
aplicação onde a eficiência de energia no processo é significativamente
melhorado através da redução da torre de arrefecimento temperatura da água de
alimentação por evaporação até um certo ponto - como o nosso exemplo anterior
de um sistema de motor a vapor ou de refrigeração, em que a parte inferior da
torre a temperatura da água de alimentação reduz a taxa de compressão, o que
resulta em menor consumo de energia. Na maioria dos casos, a energia
necessária para o processo é muito maior do que o ventilador torre e bomba
combinada. Nestes casos, faz sentido usar mais torre de energia para
alcançar uma baixa temperatura da água torre de abastecimento porque a melhoria
na utilização da energia do processo é maior. Isso faz com que a otimização
um pouco mais complicado, porque agora a potência total do processo inclui:
Potência
total = processo + bomba + ventilador
Uma
vez que o poder processo muda dependente do que acontece com o ventilador torre
e bomba, é literalmente a diferença entre malabarismo três bolas versos
dois. Nestes tipos de aplicações o objetivo é o de assegurar sempre que a
soma do poder do processo, a bomba e ventilador são ideais em todos os
momentos.
Medição das Carga Térmica na Torre de Arrefecimento
Figura 2. Pressão curva de fluxo gota
através de um permutador de calor
O efeito que a carga de calor ou carga térmica do processo tem sobre a torre de arrefecimento evaporativo começa com uma equação muito simples:
BTU / Hr. = X 500 X GPM TD
GPM é galões por minuto de água que atravessa o
permutador de calor de processo de arrefecimento, enquanto TD é a diferença de
temperatura da água que entra e que sai do permutador de calor. O fator
500 é uma constante composta de a quantidade de libras por galão de água (cerca
de 8,33), o calor específico da água (1) e 60 minutos para converter horas. Portanto
8.33 x 1 x 60 = 499,8 ou cerca de 500. A coisa agradável sobre a água é que, ao
contrário do ar, a densidade não muda muito em temperaturas normais e tem um
calor específico de 1 BTU / lb. (o que significa que é preciso 1 BTU para
elevar a temperatura de 1 libra de 1 grau F.). No entanto, algumas torres
de executar quando a temperatura está abaixo de zero, requerendo
anti-congelante (glicol) para ser adicionado à água. Dependendo do
fabricante, anti-congelante, bem como a sua percentagem na água, ele não pode
pesar 8,33 libras por galão e também têm um calor específico ligeiramente
diferente. Por exemplo, se a mistura de água e glicol pesa apenas 92 por
cento, tanto quanto água (referida como a gravidade específica) e tem um calor
específico de 0,96 BTU / lb. em seguida, o cálculo seria:
(8,33 X 0,92) = 7,66 Gal / lb. X 0,96
Sp. Ht. X 60 = 441,4
Então, em vez dos 500 que usamos como uma constante o
novo valor seria de aproximadamente 441.
Tomando-glicol fora da equação, vamos dizer que está a
refrigerar um forno com água que entra em 78 graus F e deixando a 85 graus F
utilizando 100 litros por fluxo minutos. Qual seria a carga de
calor? Utilizando a fórmula de GPM x TD x 500 rendimentos:
100 X (85-78) torna-se 100 x 500 x 7 x 500 = 350.000
Btu / Hora.
Por conseguinte, a carga de calor no forno é 350.000
Btu / Hora.
Usando este mesmo exemplo, o que aconteceria se o
fluxo alterado para 90 litros por minuto e a carga de calor permaneceu
constante? Se você disse que a diferença de temperatura iria mudar, você
está correto. Então, agora nós recalcular e encontrar o novo diferença de
temperatura.
A fórmula é BTU por hora. / (GPM X 500), que se
torna 350.000 / 90 X 500 = 7,8 graus F. Assim, a redução da taxa de fluxo em 10
por cento aumenta a diferença de temperatura de 0,8 graus F.
Então, como podemos determinar o que a carga de calor
do processo é se nenhum medidor de vazão existe?Muitas vezes, os fabricantes de
permutador de calor que se relacionam fornecer tabelas fluxo de queda de
pressão, como mostrado na Figura 2. Com a instalação de medidores de pressão em
ambos os lados de entrada e saída do permutador de calor pode converter a
diferença de pressão a taxa de fluxo para obter uma estimativa aproximada de o
fluxo.
Por exemplo, um permutador de número de modelo B-E2209
calor (linha amarela), com uma queda de pressão de 10 pés de coluna de água, a
taxa de fluxo seria um pouco mais de 1100 GPM. Se os seus calibres lido em
lbs. por sq. Polegadas (PSI), então isso seria o equivalente a (10 / 2.31)
em torno de queda de pressão de 4,4 PSI uma vez que cada PSI = 2,31 pé se o
processo usa água sem glicol.
E se a Aplicação na Torre
de arrefecimento usar Glicol?
Se a mistura contém glicol, multiplicar 2,31 vezes a
gravidade específica para obter a conversão. Por exemplo, se uma aplicação
com glicol tem um peso específico de 90 por cento (o que significa que pesa 90
por cento, tanto quanto água) a conversão seria 0,9 X ou 2,31
2.079. Portanto:
10 / 2,079 = 4,81 PSI
E se não há uma mesa
de queda?
Se nenhuma tabela existir, as suas opções são: ou
instalar um medidor de vazão, que é o que eu recomendo ou alugar um bom medidor
de ultrassom portátil. Se um medidor portátil é usado para determinar o
fluxo, montar permanentemente medidores de pressão nos lados de entrada e saída
do permutador de calor e desenvolver a sua própria queda de pressão ao
fluxograma dentro da faixa de fluxo adequado. Isto vai servir para ajudar
os operadores futuras monitorizar a diferença de pressão através do permutador
de calor e ter uma ideia aproximada se o fluxo é na gama correta. Enquanto
você está nisso, instalar qualidade que entram e saem termômetros, pela mesma
razão.
É uma espécie de Ton
...elada
Um termo comum usado em especificando a capacidade de
remoção de calor em torres de arrefecimento é toneladas de arrefecimento. Nos
primeiros anos de refrigeração, uma boa parte dos pedidos foram dirigidos para fazer
gelo. Para aqueles de vocês não tem idade suficiente para lembrar, isso
foi antes de a maioria das pessoas tinha geladeiras elétricas e mais todos
tinham refrigeradores. Eu estou apenas adivinhando, mas os vendedores de
equipamento de refrigeração na época, provavelmente, a mais fácil de dizer aos
clientes quantas toneladas de gelo seu equipamento poderia produzir um dia em
vez de explicar o que é um BTU era.
Uma tonelada é, por conseguinte, com
base na quantidade de calor necessária para converter a água em uma tonelada de
gelo (2.000 libras) em 24 horas. Uma vez que cada libra de água convertida
em gelo leva 144 BTU, a fórmula é de 2.000 x 144 = 288.000 BTU. Portanto
uma tonelada de refrigeração é igual a 288 mil BTU / dia ou 12 mil BTU /
Hr. ou 200 BTU / Min. ou, se você gosta, 105120000 BTU / Yr.
Claro frigoríficos substituídos rapidamente a
geladeira e ele seguiu o caminho da máquina a vapor. Quando isso
aconteceu, a necessidade de fábricas de gelo também diminuiu. O que foi
deixado para trás foi o termo "toneladas de refrigeração", e até hoje
ainda é um termo comum principais fabricantes usam na América do Norte para
descrever a capacidade de refrigeração de equipamentos de
refrigeração. Normalmente, quando os fabricantes de equipamentos de
refrigeração falar a linguagem de toneladas, na maioria das vezes referem-se à
quantidade de hora em hora, que é 12.000.
Novamente, Estou especulando, mas a torre de
resfriamento evaporativo vendedores got no ato porque os engenheiros de
refrigeração percebeu que fábricas de gelo poderia funcionar mais
eficientemente se eles usaram água de refrigeração sistemas de
refrigeração. Agora eu suponho que o vendedor de torres não querem estar a
explicar aos clientes o que é um BTU. O problema é que, apesar de os
sistemas de refrigeração removerem um 12.000 BTU / h. podem criar gelo,
houve ineficiente quantidade adicional de calor adicionado no processo, o
compressor de refrigeração. Essa ineficiência significava que torres de
arrefecimento não só precisa remover o calor adicionado pelo gelo, mas o
compressor também. Então, novamente, eu estou supondo, mas a torre
vendedor provavelmente fez o que qualquer bom vendedor faria - alterar os
números.
Assim, no processo da torre de uma tonelada não é de 12.000 BTU / h. em
vez disso, é de 15.000 BTU / h. com as adicionados 3.000 BTU para remover
o calor do compressor.
Assim, quando um fabricante diz que a torre é
avaliada em 3 mil toneladas, que significa:
3 X 15.000 = 45.000 BTU / Hr.
Usando a nossa fórmula de BTU / Hr. = X 500 X GPM
TD, quantos GPM por tonelada seria necessário para reduzir o arrefecimento da torre
de água de 95 graus F a 85 graus F para igualar uma torre tonelada?
Uma vez que uma tonelada torre de arrefecimento é
igual a 15.000 BTU / h.
A fórmula é:
GPM = 15.000 / (500 x (95-85)) = 15.000 / (500 x 10) =
15.000 / 5.000 = 3 GPM
Portanto, uma torre de resfriamento evaporativo com
uma diferença de temperatura de 10 graus entre a torre de entrada e saída de
água requer 3 GPM por tonelada.
Agora que temos uma compreensão básica de cargas de
calor, leia "Parte II: Como Mudanças no caudal afetam a eficiência da Torre
de Arrefecimento", no qual discutiremos a evaporação nas torres de
resfriamento e bombas.
PARTe II:
como mudanças no caudal AFETa a eficiência na torre de arrefecimento JULY 14, 2015
By John Pitcher
This is Part II
of a four-part series on the optimization of evaporative cooling towers. Part I of this series discussed the basics of cooling towers
and how process heat loads work, including the amount of water flow needed
based on the heat load needs. Here we will discuss how to calculate the effects
of changing flow rates and their impact on cooling tower efficiency,
particularly the efficiency of fans and pumps.
From Here to Affinity
This may sound a bit earth shattering, but if a pump
or fan rotates at a slower speed, it will move less air or water than it would
at a faster speed. You might ask, how much less? The answer is simple, for
every percent the rotation (RPM) changes, theoretically the flow changes the
same amount. The formula is expressed in this way:
For Pumps: RPM 1 ÷ RPM 2 = GPM 1 ÷ GPM 2
and
For Fans: RPM 1 ÷ RPM 2 = CFM 1 ÷ CFM 2
Did you notice that the only thing I did was switch
the way the quantities of air and water are measured? Air is often measured in
CFM and water in GPM. It doesn’t matter if you’re talking CFM, GPM, Cubic
Meters per Second, Milliliters Per Hour, etc., the Affinity Laws really don’t
care. So if you change the speed 50 percent, you change the flowrate 50
percent, subject to static head, a consideration that is beyond the scope of
this article.
So, consider this scenario: Let’s
assume we have a 40 horsepower pump running at 3,600 RPM with a flowrate of 250
Gal/Min and a pressure of 55 PSI. After performing our heat-load calculations
and considering static head, we determine that we can reduce the flow rate to
125 GPM at a motor speed of 2,500 RPM. What would be the new pressure and
horsepower?
The Affinity Laws provide us a mathematical
relationship between RPM, pressure and horsepower. (They can also help us
understand things like what pump impeller diameter or pulley size for a fan we
need in order to get a certain flow). The Affinity Laws specify that speed,
flow and even pulley diameter are all proportional to each other. This means
that a percentage change to one of these values causes an exact amount of
percentage change in the others. In this case, a speed change of around 30
percent also causes a flow rate change of around 30 percent.
Although speed and flow rate are proportional to each
other (subject to static head), this is not the case with pressure and
horsepower. When flow and speed change, a much larger change happens in both
pressure and horsepower.
Going back to our example, our pump pressure at full
speed (3,600 RPM) is 55 PSI. Now that our RPM is reduced to 2,500, what is the
new pressure?
According to the Affinity Laws, the pressure is the square of RPM ratio
therefore:
(RPM 1 ÷ RPM 2)² = Pressure 1 ÷ Pressure 2
So:
(3600 ÷ 2500)² = 55 ÷ ?
By rearranging the equation we get:
Pressure 2 = Pressure 1 ÷ (RPM 1 ÷ RPM 2)²
Or:
Pressure 2 = 55 ÷ (3600 ÷ 2500)²
Since 3600 ÷ 2500 = 1.44
We next square 1.44; (1.44²) = 1.44 X 1.44 = 2.0736
Now our equation becomes:
Pressure 2 = Pressure 1 ÷ (2.0736)
Or:
55 ÷ 2.0736 = 26.52 PSI
So the new pressure would be roughly 26.5 PSI. You can see we have a much greater ratio of change in pressure than we did with RPM. Although the RPM only changed about 30 percent, the pressure changed by over 50 percent.
So the new pressure would be roughly 26.5 PSI. You can see we have a much greater ratio of change in pressure than we did with RPM. Although the RPM only changed about 30 percent, the pressure changed by over 50 percent.
Once again, it does not matter what units of measure,
whether feet of water column, BAR or whatever the ratio of change, the formula
is still the same.
What’s the Big Deal?
As much fun as it may be to adjust the speed and
pressure of pumps and fans, what we’re really trying to do is save money, and
that brings us to horsepower. The really good news is that horsepower is the
cube of RPM; so if you thought the ratio change was impressive with RPM versus
pressure, wait until you check out how much it reduces horsepower. Remember
that 40 horsepower motor we started out with? By reducing the RPM from 3,600 to
2,500; our new horsepower is:
(RPM 1 ÷ RPM 2)³ = Horsepower 1 ÷ Horsepower 2
By rearranging the equation we get:
Horsepower 2 = Horsepower 1 ÷ (RPM 1 ÷ RPM 2)³
Once again the ratio of 3,600 ÷ 2500 = 1.44
(1.44)³ = (1.44 X 1.44 X 1.44) or roughly 2.986
So:
40 ÷ 2.986 = 13.4 Horsepower
Wow! A 30 percent decrease in RPM results in a
little more than 66 percent decrease in horsepower.
For energy-saving purposes, how much energy did we
just save? Since theoretically each horsepower represents around 746 watts our
reduction is (40-13.4) = 26.6 then times 746 = 19,843 watts or 19.943 kilowatts
or, if you like, the equivalent of around 200 100-watt light bulbs.
So summing it up, by reducing the flow and RPM by
around 30 percent, we reduce pressure by around 50 percent, and the horsepower
and the energy we use by around 66 percent.
It should be obvious, but it’s still worth mentioning
… As wonderful as the savings were due to the tremendous horsepower reduction
by reducing the flow rate, the opposite occurs when you go the other way. For
example, if all of the sudden you realize that you need more flow than what was
designed, the horsepower must then be increased at a substantially greater
ratio than the flow.
Lastly, it’s also worth mentioning that the actual
savings by reducing speeds of the motor will usually be slightly less than the
theoretical values shown here. This is because as the speed changes on a fan or
pump, the efficiency curves change as well. This change will alter the
calculations a little bit, and energy savings will usually be slightly less
than calculated.
Overall, you can understand why variable speed drives
are popular. It is almost like a free lunch because for every amount the flow
is reduced, a far greater percentage of the horsepower and energy is also
reduced. This is the reason why installing variable speed drives should be
considered for any evaporative water tower optimization.
In Part 3 we will discuss psychometrics and how they
apply to evaporative cooling towers.
Ler mais:
Contacto: José Garcia Araújo
Tecmer,Lda
Email:geral@tecmer.pt
Tel: +351 252317314
GSM: + 351 932308640
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