LE TORRI DI RAFFREDDAMENTO Linea guida ADD_B3

Obiettivi APPROFONDIMENTO DEGLI ASPETTI DI SEGUITO ELENCATI. LA TURBINA ED IL CONDENSATORE: LE TORRI DI RAFFREDDAMENTO.

Indice LA SORGENTE FREDDA UMIDITÀ DELL’ARIA LA TORRE DI RAFFREDAMENTO WET/DRY IL PERCORSO DELL’ARIA IL PERCORSO DELL’ACQUA CURVE DI PRESTAZIONE DELLE TORRI

Pt = PA + PV = (na+nv)  RT/V ARIA SECCA E ARIA UMIDA ARIA GAS PRESSIONE PARZIALE ARIA SECCA PRESSIONE PARZIALE VAPORE ACQUEO PA PV MISCELA PRESSIONE TOTALE ARIA UMIDA Pt = PA + PV Pt Pt = PA + PV = (na+nv)  RT/V

ARIA SECCA E ARIA UMIDA L’aria secca è un miscuglio di gas con la seguente composizione: Azoto N2 78,03% in volume 75,47% in peso Ossigeno O2 20,99% in volume 23,19% in peso Argon A 0,94% in volume 1,29% in peso Anidride carbonica CO2 78,03% in volume 75,47% in peso Nell’aria umida oltre i componenti descritti è presente il vapore acqueo. La pressione totale di un miscuglio di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali che i gas componenti eserciterebbero se ciascuno occupasse da solo, alla stessa temperatura, il volume occupato dal miscuglio.(legge di Dalton). Per la legge di Dalton e per la legge universale dei gas, a parità di pressione, volume e temperatura, il numero totale di moli del miscuglio è costante.

TEMPERATURA DI SATURAZIONE E PUNTO DI RUGIADA MISCELA Pt = PA + PS Pt PRESSIONE TOTALE ARIA UMIDA

TEMPERATURA DI SATURAZIONE E PUNTO DI RUGIADA La pressione di vapore quando raggiunge l’equilibrio con la tensione di vapore relativa a una determinata temperatura si dice pressione di saturazione. Ad una determinata temperatura la pressione di vapore una volta raggiunto il valore Ps non aumenta più quindi non aumenta la quantità di vapore acqueo nel miscuglio dell’aria umida. Si dice punto di rugiada la temperatura alla quale, in un raffreddamento a pressione costante, l’aria diventa satura; cioè la pressione parziale del vapore è pari alla pressione di saturazione per quella temperatura.

ENTALPIA DELL’ARIA UMIDA E DIAGRAMMA PSICROMETRICO Ia=0,24  Δt + 0,46  Xu  Δt + 595  (Xu - Xi) Ia = Entalpia dell’aria (kcal/kg) Xu = umidità assoluta dell’aria in uscita (kg di vapore/kg aria) Xi = umidità assoluta dell’aria in entrata (kg di vapore/kg aria)

ENTALPIA DELL’ARIA UMIDA E DIAGRAMMA PSICROMETRICO La relazione mostra come il coefficiente del vapore influisce sull’asportazione del calore rispetto al coefficiente dell’aria. Da notare che nell’espressione compare l’umidità assoluta per cui l’evaporazione da contributo anche con aria in ingresso al 100% di umidità relativa. Dal diagramma è possibile ricavare le varie grandezze interessate dallo scambio termico.

TORRE TIPO MISTO SECCO / UMIDO

TORRE TIPO MISTO SECCO / UMIDO Numero di torri: 1 - Numero di celle: 12 Portata totale d’acqua: 39.800 m3/h Potenza termica: 509,2 MW Temperatura acqua calda (HWT): 40 °C Temperatura acqua fredda (CWT): 29 °C Salto termico (T): 11 °C Temperatura di bulbo umido (WBT) 25 °C Condizioni di “no visible plume”: Temperatura di bulbo secco (DBT) 5 °C Umidità relativa ambiente (RH 80%). La torre di tipo wet/dry trova applicazione nei casi in cui si abbia necessità di ridurre o di eliminare il plume (si definisce plume la massa d’aria riscaldata e di vapore acqueo che viene espulsa dalla torre). Infatti, in una torre semplicemente wet, il flusso d’aria che attraversa il pacco di scambio e che viene espulsa dal camino con un tasso d’umidità pari al 100%, a seguito della miscelazione con l’aria atmosferica e conseguente raffreddamento al di sotto del punto di rugiada, diventa visibile. Detta problematica, a parità di carico termico della Cooling Tower, diventa tanto più evidente quanto più è bassa la temperatura ambientale e tanto più è elevata l’umidità relativa dell’ambiente (periodo invernale). L’utilizzo della torre tipo wet/dry permette di limitare il problema del plume. In particolare, il concetto su cui si basa la torre di tipo ibrido è quello di ridurre il grado di umidità della massa d’aria espulsa dalla torre, a fronte di una miscelazione effettuata all’interno della torre medesima tra una massa d’aria proveniente dalla sezione wet (100% di umidità) ed una massa d’aria proveniente dalla sezione dry. Questa riduzione di umidità fa sì che la miscelazione in atmosfera dell’aria espulsa non comporti la condensazione del vapore acqueo in essa contenuta e quindi la formazione del “plume”. Nel prosieguo viene descritto dettagliatamente il percorso tipico dell’acqua e dell’aria per una torre Wet/dry a flussi paralleli (PPWD).

PERCORSO DELL’ACQUA E DELL’ARIA

PERCORSO DELL’ACQUA E DELL’ARIA In una torre di raffreddamento di tipo wet/dry (ibrida), l’acqua da raffreddare è dapprima convogliata nella sezione dry, costituita in questo caso specifico e per ciascuna cella, da N° 2 scambiatori a tubi alettati raffreddati ad aria. L’acqua, affluisce quindi nel canale d’alimentazione acqua calda e qui, mediante un sistema di ugelli spruzzatori a gravità, viene distribuita sulla sezione Wet (pacco di scambio). L’acqua raffreddata dal pacco di scambio viene raccolta nella vasca dell’acqua fredda, e previo pompaggio inviata alle utenze. Percorso dell’aria La torre ibrida (PPWD), a tiraggio indotto e con flussi controcorrente è caratterizzata da due percorsi in parallelo per il flusso dell’aria, con un singolo ventilatore che aspira attraverso entrambe le sezioni d’ogni cella. Un primo flusso d’aria attraversa la sezione wet, in controcorrente rispetto al flusso dell’acqua, similmente ad una torre tradizionale, e garantisce mediante scambio termico per evaporazione il raffreddamento. La massa d’aria che esce da questa sezione è tipicamente satura al 100% di vapore. L’altro flusso d’aria attraversa la sezione “DRY” (scambiatori di calore a tubi alettati) a batterie di scambio ad aria. Durante il passaggio attraverso gli scambiatori il flusso d’aria acquisisce calore, con una conseguente riduzione d’umidità relativa. Il bilancio di massa dei due flussi d’aria, quello secco proveniente dalla sezione dry e quello saturo proveniente dalla sezione wet, permette di ridurre l’umidità relativa del flusso d’aria espulso dalla torre e quindi la visibilità del plume. Le sezioni “DRY’ della torre sono dotate di serrande per la regolazione della portata dell’aria in funzione delle condizioni ambientali (RH, e DBT) e delle condizioni di esercizio della torre (Q e T). Le migliori prestazioni di raffreddamento (vale a dire la temperatura più bassa dell’acqua fredda) sono ottenute dalla torre PPWD quando la maggior parte dell’aria viene fatta passare attraverso la sezione più efficiente che è quella umida (persiane regolazione totalmente chiuse). Al contrario, la maggior capacita d’abbattimento del pennacchio (plume) è garantita quando le persiane di regolazione del flusso d’aria sono totalmente aperte. La massima tendenza alla formazione del pennacchio (plume) sussiste durante i periodi di temperature ambientali più basse quando è normalmente disponibile un’esuberanza di capacita di raffreddamento dalla sezione umida, permettendo così l’impiego della sezione “DRY” per la riduzione del pennacchio.

SCHEMA DI PRINCIPIO ACQUA CONDENSATRICE IN CICLO CHIUSO

SCHEMA DI PRINCIPIO ACQUA CONDENSATRICE IN CICLO CHIUSO La stazione di pompaggio che è realizzata in posizione baricentrica rispetto alle due batterie di celle, raccoglie ed invia l’acqua di raffreddamento alle diverse utenze. Nella fattispecie, il circuito primario di raffreddamento dei due gruppi turbogas, è equipaggiato con N° 5 pompe centrifughe (una predisposta in riserva) ad asse verticale e flusso misto, A/B/C/D/E, aventi le seguenti principali caratteristiche funzionali: Portata: 9.300 m3/h - Prevalenza (alla girante): 27,25 m - Numero di giri 745 rpm - Massima Potenza Idraulica: 1826 kW - Potenza nominale motore: 910 kW. Il circuito di raffreddamento delle utenze ausiliare è equipaggiato con N° 3 pompe centrifughe (una predisposta in riserva) ad asse verticale 60-P-002A/B/C, aventi le seguenti principali caratteristiche funzionali: - Portata: 1.200 m3/h - Prevalenza (alla girante): 40,35 m - Numero di giri 1485 rpm- Massima Potenza Idraulica: 163 kW - Potenza nominale motore: 200 kW. Sulla mandata di ciascuna pompa, a valle della stessa, è installata una valvola di non ritorno (DN 44” su mandata pompe principali, DN 16” su mandata pompe secondarie) a farfalla con attuatore rotativo idraulico a contrappeso ed una seconda valvola a farfalla di intercettazione con comando manuale. Ciascuna valvola di non ritorno DN 44”, installata sulla mandata delle pompe principali, è azionata da una centralina idraulica (in totale N° 5 centraline). Le N° 3 valvole di non ritorno DN 16”, installate sulla mandata delle pompe secondarie, sono azionate da un’unica centralina idraulica. Ciascuna centralina di controllo e comando delle valvole di non ritorno ha le seguenti principali caratteristiche: - N° 2 motori elettrici, trifase, 14 poli, 400 V, Potenza 2,2 kW, grado di protezione IP55 – N° 2 pompe idrauliche ad ingranaggi accoppiate ai motori elettrici (portata circa 3 litri/min, pressione max 180 bar) – N° 1 Accumulatore che garantisce l’apertura della valvola anche in mancanza di energia; - N° 1 Pompa di emergenza manuale;- N° 1 Quadro elettrico per il controllo locale/remoto delle valvole. I motori sono monitorati con due termoelementi per avvolgimento per ogni cuscinetto motore e pompa un termoelemento. L’avviamento delle elettropompe sarà effettuato da DCS. L’avviamento delle pompe sarà effettuato con le valvole di non ritorno in posizione di chiusura al 100% e valvole di intercettazione manuale completamente aperte. Contestualmente allo start delle pompe si avrà l’apertura delle valvole di non ritorno. Il consenso all’avviamento di ciascun gruppo (circuito principale e circuito secondario), per le condizioni di design e di carico ridotto (rispettivamente design N° 4 pompe principali e N° 2 pompe secondarie, carico ridotto N° 2 principali e N° 1 secondaria) è comunque, subordinato al rispetto delle seguenti condizioni: Nessun allarme dal motore; Nessun allarme dalle termoresistenze poste sul cuscinetto reggispinta delle pompe; Valvole di non ritorno chiuse al 100%; Livello in vasca superiore alla soglia di minimo pre-impostata; Nessun allarme dal sensore di rotazione per inversione di marcia delle pompe.

CURVE DI PRESTAZIONE DELLE TORRI

CURVE DI PRESTAZIONE DELLE TORRI

CURVE DI PRESTAZIONE DELLE TORRI Nelle figure sono riportate le curve di prestazione attese per il collaudo. In ascisse sono riportate le temperature dell’aria (bulbo umido) in ordinate la temperatura dell’acqua fredda. Le curve sono parametrizzate sul salto termico caldo - freddo, cioè sul carico termico. Esistono famiglie di curve anche al 90% e al 110% della portata acqua. Le due famiglie in figura riguardano il caso di portata nominale con serranda della sezione secca chiusa e aperta.