מגדל קירור

מגדל קירור הוא מערכת לפינוי / הרחקת חום עודף מתהליכים תעשייתיים, ממבנים וממכונות לסביבה. פינוי חום במגדל הקירור מתבצע באמצעות ניצול תכונות המים. מגדלי קירור רטובים מנצלים את התכונה הפיזיקלית של הסעת חום לסביבה באמצעות אידוי חלק מהמים ובכך קירור המים לטמפרטורה קרובה לטמפרטורת מד חום רטוב של הסביבה. מגדלי קירור אוויר הפועלים על בסיס תכונה פיזיקלית של הולכת חום כאשר המים החמים עוברים דרך מערכת של צלעות קירור (על בסיס עקרון הפעולה של רדיאטור) דרכם עובר אוויר מהסביבה ובכך מקררים את המים לטמפרטורה קרובה לטמפרטורת מד חום יבש של הסביבה.
יישומים נפוצים כוללים קירור המים בבתי זיקוק, פטרוכימיה ומפעלים אחרים, תחנות כוח תרמיות ומערכות מיזוג אוויר לקירור בניינים. סיווג הבסיס של מגדל קירור מבוסס על אופן זרימת האוויר לתוך המגדל: הסוגים העיקריים של מגדלי קירור הם מגדל קירור בזרימה טבעית ומגדל קירור זרימה מאולצת, בו האוויר זורם במגדל באמצעות מפוחים חשמליים.
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 הלחץ החוזר, 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 וג'רארד קויפרס 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.

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.

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 pultruded fiber-reinforced plastic PFRP 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.

מחזורי התרכזות

מחזורי התרכזות מייצגים את ההצטברות של מינרלים מומסים במי קירור המסוחררים במגדל. פליטה של חלק מהמים במחזור (Blowdown) משמשת בעיקר כדי לשלוט בהצטברות של מינרלים אלה.
הכימיה של מי התוספת למגדל, לרבות כמות המינרלים המומסים, יכולה להשתנות במידה רבה בין מקור מים אחד למשנהו. לעיתים גם מים ממקור אחד אינם אחידים בהרכבם הכימי. מי תוספת נמוכים במינרלים מומסים כגון אלה ממאגרי מים עיליים (אגמים, נהרות וכו') נוטים להיות קורוזיים למתכות. מי תוספת מאספקת מים בקרקע (כגון בארות) הם בדרך כלל גבוהים יותר במינרלים, ונוטים לשקוע במגדל, בצנרת ובמערכות ולייצר שכבת אבנית. הגדלת כמות המינרלים הנמצאים במים על ידי אידוי וריכוז יכול להפוך את המים לפחות קורוזיים לצנרת; עם זאת, רמות מוגזמות של מינרלים יכולות לגרום לבעיות הנובעות משקיעת אבנית.
ככל שמספר מחזורי ההתרכזות גדלים וריכוז המלחים במים עולה מעל לרמה מסוימת, המים אינם יכולים להכיל עוד מלחים מומסים בתוכם ומתחילה התגבשות של מוצקים בתמיסה. התגבשות זו שוקעת על המילוי במגדל בצנרת ובמחליף חום ופוגעת ביעילותם ואף יכולה לסתום מעברים צרים בהם. לכן, בהפעלת המגדל ישנה חשיבות לניטור ובקרת מחזורי ההתרכזות במי המגדל.
מחזורי התרכזות במגדלי קירור בדרך כלל נעים בין 3 ל-7, אבל לרוב זה תלוי במקור המים הזמין. למשל בארצות הברית משתמשים גם במים שיש להם רמות משמעותיות של מוצקים מומסים. מצד השני, אחד ממקורות המים הגדולים בניו יורק הוא מקור מי גשמים הנמוך למדי במינרלים; כשבמגדלי קירור בעיר לעיתים קרובות אפשרו להגיע עד 7 או יותר מחזורי התרכזות.
כיוון שמחזורי התרכזות גבוהים במגדל משמעותם פחות צורך במי תוספת, במקומות שהמים יקרים או אינם זמינים יהיו יותר השקעות לטיפול מים על מנת להגדיל ככל הניתן את מחזורי ההתרכזות.

טיפול במי מגדל

בנוסף לאתגר מחזורי התרכזות המלחים במגדל, מי המגדל מהווים בית גידול פורה לאצות ולמיקרואורגניזם, בהם חיידקים כדוגמת חיידקי מחלת הלגיונרים. לכן, לעיתים קרובות יועץ מקצועי לטיפול במים מנתח את ההרכב הכימי של מי התוספת ותנאי ההפעלה של מגדל הקירור וממליץ על טווח מתאים למחזורים של ריכוז בהפעלת המגדל ועל תוכנית טיפול שתכלול לעיתים שימוש בחומרים לטיפול במים, טיפול מקדים כמו ריכוך מים, התאמת ערך הגבה - pH, וטכניקות אחרות היכולות להשפיע על הטווח של מחזורי ריכוז וכן על התנאים הביולוגיים במים.