מגדלי קירור קיימים בגדלים שונים: מיחידות גג קטנות ועד למבנים גדולים מאוד. לדוגמה, מגדל קירור במבנה היפרבולואיד (כמו בתמונה בצד שמאל) שיכול להיות עד 200 מטר גובה ובקוטר של 100 מטרים, או מבנים מלבניים שיכולים להיות מעל 40 מטר גובה, 30 מטר רוחב ו-120 מטר אורך. מגדלי קירור במבנה היפרבולואיד משמשים לעיתים קרובות תחנות כוח גרעיניות ומפעלים פטרוכימיים. אף על פי שמגדלים גדולים אלה הם מאוד בולטים, רובם המכריע של מגדלי הקירור הם הרבה יותר קטנים, וכוללים יחידות רבות מותקנות על או ליד בניינים כחלק ממערכות מיזוג אוויר.
היסטוריה.
מגדלי קירור פותחו במאה ה-19 כחלק ממעבי קיטור למנוע הקיטור. במעבי קיטור נהוג להשתמש במים קרירים יחסית, באמצעים שונים, כדי לעבות את האדים שיוצאים מהגלילים או הטורבינות. פעולה זו מפחיתה את ה, אשר בתורו מפחית את צריכת הקיטור, ובכך צריכת הדלק, ועם זאת מגדיל את הכוח המופק מדוד הקיטור. דרישה מוגברת זו למים קרים לא היוותה בעיה כאשר דובר במנוע ימי או במנוע הקרוב לנהר או מאגר מים גדול, אך זו הייתה מגבלה משמעותית למערכות יבשתיות רבות. צורך זה דחף את פיתוחם של מגדלי קירור המסוגלים לקרר מים בעלות קטנה מאשר בזבוז הדלק במנוע קיטור ללא מעבה.
מגדלים מוקדמים אלה הוצבו על גגות של בניינים או כמבנים בפני עצמם, וכללו מגדלים בזרימה טבעית או עם מאווררים לזרימה מאולצת. ספר לימוד הנדסה אמריקאי משנת 1911 תיאר מבנה של מגדל קירור כמו "מעטפת עגולה או מלבנית של חומר קל משקל. ארובה נמוכה מאוד יחסית (6 עד 12 מטר גובה) ומאוד רחבה. בחלקו העליון של המגדל מערכת שקתות לפיזור מים הנשאבים מן המעבה. מאלה מחלחלים המים על 'מחצלות' עשויות לוחות עץ או מסכי תיל ארוגים, הממלאים את החלל במגדל".
מגדל קירור היפרבולואיד נרשם כפטנט על ידי המהנדסים ההולנדים פרדריק ואן איטרסון וחרארד קאופרס בשנת 1918. מגדל קירור היפרבולואיד הראשון נבנה בשנת 1918 ליד Heerlen הולנד. המגדלים הראשונים בבריטניה נבנו בשנת 1924 בתחנת הכוח ליסטר דרייב בליברפול, אנגליה, בתחנת כוח פחמית.
סיוג מגדלי קירור לפי שימוש.
Heating, ventilation and air conditioning (HVAC).
מגדל קירור HVAC (חימום, אוורור ומיזוג אוויר) משמש לסילוק חום לא רצוי ממערכות מיזוג אוויר שמקררות על ידי מים (צ'ילר). צ'ילרים מקוררי מים הם משאבות חום שבדרך כלל יותר יעילות אנרגטית מצ'ילרים מקוררי אוויר. זאת עקב טמפרטורת הייחוס של הסביבה. טמפרטורת הייחוס של מגדל רטוב מוגדרת כטמפרטורת מד חום רטוב. טמפרטורת הייחוס לקירור אוויר מוגדרת כטמפרטורת מד חום יבש שלרוב גבוהה יותר מטמפרטורת מד חום רטוב, ולכן סובלת מיעילות נמוכה יחסית.
עוצמה של מערכת HVAC המורכבת מצ'ילר מקורר מים ומגדל קירור מוגדרת ב"טון קירור". טון קירור של מיזוג אוויר מוגדר כהסרה של 12,000 BTU / שעה (3,500 W). בעת יצור טון קירור מיזוג אוויר מגדל הקירור למעשה מרחיק 15,000 BTU / שעה (4,400 W). תוספת חום זאת נובעת מהאנרגיה המושקעת במדחס הצ'ילר ההופכת לחום שיש להרחיקו במגדל הקירור. טון קירור זה מוגדר כאנרגיה מורחקת בזמן קירור של 3.79 ליטר מים לדקה של מים ב-6 מעלות צלזיוס, אשר מסתכמת לסך של 15,000 BTU / שעה. בהנחה שלצ'ילר מקדם ביצועים (COP) של 4.0. COP זה שווה יחס יעילות אנרגיה (EER) של 14.
לעיתים מגדלי קירור משולבים במערכות מיזוג אוויר עם מספר משאבות חום מקוררות מים. לרוב הן חולקות מערכת מי קירור משותפת. בסוג זה של מערכת, בכל פעם שמשאבות החום עובדות במצב הקירור, מגדל הקירור מופעל לקירור המעבים. כאשר המשאבות החום עובדות במצב חימום מגדל הקירור בדרך כלל נסגר והחום הנדרש מסופק על ידי אמצעים אחרים, בדרך כלל מדודי חימום נפרדים.
מגדלי קירור תעשייתיים.
מגדלי קירור תעשייתיים משמשים להרחקת חום מתהליכי יצור תעשייתיים או ממכונות המתחממות בזמן עבודתן. השימוש העיקרי של מגדלי קירור גדולים בתעשייה הוא להסיר את החום הנקלט במערכות מים במעגלי קירור בתחנות כוח, בתי זיקוק נפט, מפעלים פטרוכימיים, מפעלים לעיבוד גז טבעי, מפעלים לעיבוד מזון, מפעלי מוליכים למחצה, ועוד. מחזור קירור מים בתחנת כוח פחמית טיפוסית בסדר גודל של 700 MW עם מגדל קירור, מסתכם בכ-71,600 מטר מעוקב לשעה והספקה של מי תוספת של כ-5% (כלומר, 3,600 מ"ק לשעה).
אם נניח כי לאותה תחנת כוח לא היה מגדל קירור והוא היה משתמש במים קרים כמי נהר או ים העוברים פעם אחת במערכת, קירור התחנה היה דורש כ 100,000 מ"ק לשעה וכמות מים זו הייתה צריכה להישאב לתחנת הכוח ולחזור ברציפות לים, לאגם או לנהר שממנו נשאבה. יתר על כן, כמויות גדולות של מים חמים המוזרמים חזרה עלולות להעלות את הטמפרטורה של הנהר או אגם, וזו עלולה לפגוע ולשבש את המערכת האקולוגית המקומית. טמפרטורות מים גבוהות יכולות להרוג דגים ויצורים ימיים אחרים (ראו זיהום תרמי), או עלולות לגרום לעלייה באורגניזמים לא רצויים כגון מינים פולשים של צדפות או אצות.
גם לבתי זיקוק נפט יש מערכות מגדל קירור גדולות מאוד. לדוגמה, זיקוק של 40,000 טון של נפט גולמי ליום (300,000 חביות (48,000 מטר מעוקב) ליום) דורש מגדל קירור המסוגל לקרר כ-80,000 מטרים מעוקבים של מים לשעה.
מגדל הקירור הגבוה בעולם בגובה של 202 מטר נמצא בתחנת הכוח התרמית Kalisindh ב-Jhalawar, רג'סטאן, הודו.
סיווג לפי צורת הקמה.
מגדלי קירור מוכנים מראש - Package.
סוג זה של מגדלי קירור הוא מוצר המורכב מראש, נבנה אצל היצרן ומועבר אל הלקוח ולמקום התקנתו. מגדלים אלה לרוב הם קומפקטיים בגודלם (מושפעים ממגבלות השינוע שלהם למקום הקבע) ובדרך כלל קטנים בתפוקת המים המסתחררת בהם, ולכן הם בדרך כלל מותקנים על יד מתקנים עם דרישות הרחקת חום נמוכות כמו מפעלים לעיבוד מזון, מפעלי טקסטיל, כמה מפעלים לעיבוד כימי, או מבנים כמו בתי חולים, בתי מלון, קניונים, מפעלי רכב וכו'.
בשל התקנתם בקרבת אזורי מגורים, רמת הרעש שהם פולטים היא נושא חשוב המהווה סוגיה הנדסית חשובה בעת תכנונם.
מגדלי קירור מוקמים בשטח - Field erected.
במתקנים הדורשים מגדלי קירור גדולים, כגון תחנות כוח, מפעלים לעיבוד פלדה, בתי זיקוק נפט, או מפעלים פטרוכימיים בדרך כלל מגדל הקירור נבנה במקום בו הוא צריך להיות מופעל. מגדלי קירור המוקמים בשטח הם בדרך כלל הרבה יותר גדולים בהשוואה למגדלי קירור מוכנים מראש.
מגדלי קירור המוקמים בשטח נבנים ממספר חומרי שלד: עץ, מתכת, ובטון. במגדלי הקירור המתקדמים החליפו מוטות פולימריות מחוזקים בסיבי זכוכית את החומרים המסורתיים. בנייה זו מחליפה בהדרגה את חומרי היסוד האחרים בשל עמידותה לאורך זמן גם בתנאים כימיים קיצוניים, עלות זולה יחסית לבטון, חוזקה ביחס למשקלה ונוחות ומהירות הקמת המגדלים.
שיטות להעברת חום במגדל קירור.
במגדל קירור רטוב (או מגדל קירור במעגל פתוח), המים החמים יכולים להיות מקוררים לטמפרטורה הנמוכה מטמפרטורת מדחום יבש של אוויר הסביבה, וקרוב לטמפרטורת המד חום הרטוב (הנמוכה יותר), בייחוד אם הלחות באוויר נמוכה. כאשר אוויר מהסביבה בא במגע עם זרם מים, חלק קטן מהמים מתאדה. האנרגיה הדרושה להתאיידות של חלק קטן זה של המים נלקחת מהמסה הנותרת של מים. מעבר זה של אנרגיה למעשה מוריד את הטמפרטורה של המים הנותרים (כ-2,138 BTU של אנרגיית חום מורחקת מהמים הנותרים לכל 1 ליטר של מים שהתאדו). מכאן, שמגדל קירור בתנאי לחות נמוכים (סביבה יבשה) יצליח לקרר את המים החמים לטמפרטורה קרובה יותר לטמפרטורת מד חום רטוב מאשר אותו מגדל בתנאי לחות גבוהים (למשל במישור החוף).
מילוי מגדלי הקירור - שני גורמים נוספים משפיעים על יעילות מגדל הקירור: האחד הוא שטח הפנים של המים הבא במגע עם האוויר. ככל ששטח הפנים גדול יותר קצב אידוי המים יגדל. השני הוא הזמן שהמים והאוויר נמצאים במגע. ככל שמשך זמן זה ארוך יותר גובר קצב האידוי. מילוי המגדל נועד להגדיל את שטח הפנים של המים וכן להאריך את משך הזמן מפיזורם בראש המגדל עד להתנקזותם בבריכת המים הקרים בתחתיתו. מילוי המגדל נחלק לשני סוגים עיקריים:
שיטות זרימת אוויר במגדל.
כאמור, זרימת אוויר בתוך מגדל הקירור נועדה להחליף את האוויר בתוך המגדל, הרווי במים שהתאדו, באוויר מהסביבה הפחות רווי באדי מים. ישנן מספר שיטות ליצירת זרימת האוויר הרצויה מגדל הקירור:
כיווני זרימת אוויר וזרימת מים במגדל קירור.
מגדל קירור בזרימה צולבת.
מגדל קירור בזרימה צולבת הוא מגדל אשר האוויר זורם בתוכו בניצב לזרימת המים (ראו שרטוט). המים זורמים ממערכת פיזור המים בראש המגדל באמצעות כוח המשיכה כלפי מטה על פני המילוי של המגדל (לרוב בשני צדדים של המגדל). והאוויר נמשך מהצד וזורם בניצב לזרימת המים ונשאב החוצה באמצעות מאוורר.
יתרונות לעיצוב מגדל קירור בזרימה צולבת:
חסרונות לעיצוב מגדל קירור בזרימה צולבת:
מגדל קירור בזרימה נגדית.
במגדל קירור בזרימה נגדית, האוויר זורם נגד כיוון זרימת המים. המים מרוססים ממערכת פיזור המים בראש המגדל למעלה וזורמים באמצעות כוח המשיכה למטה על פני המילוי של המגדל. האוויר זורם מפתחים בתחתית המגדל מעלה דרך המילוי בזרימה הנגדית לכיון זרימת המים.
יתרונות של עיצוב מגדל בזרימה נגדית:
חסרונות של עיצוב מגדל קירור בזרימה נגדית:
מאזן המים במגדל קירור רטוב.
מאזן המים במגדל הקירור מושפע ממספר משתנים: קצב אידוי, הסטת טיפות מים על ידי הרוח, ספיקת זרם פיצוי, מחזורי הריכוז וקצב ניקוז מים מהמגדל.