Una torre di raffreddamento a corrente naturale è un tipo di scambiatore di calore che raffredda l'acqua mediante contatto diretto con l'aria. Viene utilizzata in centrali elettriche, raffinerie di petrolio, impianti petrochimici e impianti di gas naturale per rimuovere il calore eccessivo dal sistema di circolazione dell'acqua. Una torre di raffreddamento a corrente naturale si basa sul principio del flusso convettivo per fornire la circolazione d'aria, senza la necessità di ventilatori o altri dispositivi meccanici. Il flusso d'aria è guidato dalla differenza di densità tra l'aria calda e umida all'interno della torre e l'aria ambiente più fresca e secca all'esterno della torre.
Il principio di funzionamento di base di una torre di raffreddamento a corrente naturale è illustrato nel seguente diagramma:
I componenti principali di una torre di raffreddamento a corrente naturale sono:
Ingresso dell'acqua calda: Questo è il punto in cui l'acqua calda proveniente dal sistema o dal condensatore entra nella torre in cima. L'ingresso dell'acqua calda è collegato a una serie di ugelli che spruzzano l'acqua sopra il materiale di riempimento.
Materiale di riempimento: Questo è un materiale poroso che fornisce una grande superficie per lo scambio di calore tra l'acqua e l'aria. Il materiale di riempimento può essere realizzato in legno, plastica, metallo o ceramica. Il materiale di riempimento può essere disposto in modi diversi, come barre di schizzo, griglie o pacchi a film.
Bacino dell'acqua fredda: Questo è il punto in cui l'acqua raffreddata si raccoglie in fondo alla torre. Il bacino dell'acqua fredda ha un valvola di scarico e una pompa che ricircola l'acqua di ritorno al sistema o al condensatore.
Ingresso d'aria: Questo è il punto in cui l'aria fresca entra nella torre alla base. L'ingresso d'aria può essere aperto o chiuso, a seconda del design della torre.
Uscita d'aria: Questo è il punto in cui l'aria calda e umida esce dalla torre in cima. L'uscita d'aria può avere un diffusore o un camino per migliorare il flusso d'aria.
Il processo di raffreddamento dell'acqua in una torre di raffreddamento a corrente naturale coinvolge due meccanismi principali: lo scambio di calore sensibile e lo scambio di calore latente.
Scambio di calore sensibile: Questo avviene quando il calore viene trasferito dall'acqua calda all'aria fredda mediante contatto diretto. Di conseguenza, la temperatura di entrambi i fluidi cambia, ma non la loro fase. Lo scambio di calore sensibile dipende da fattori come la differenza di temperatura, il tasso di flusso e la superficie di contatto.
Scambio di calore latente: Questo avviene quando il calore viene trasferito dall'acqua calda all'aria fredda tramite evaporazione. Di conseguenza, parte dell'acqua cambia la sua fase da liquido a vapore, assorbendo calore dalle sue vicinanze. Lo scambio di calore latente dipende da fattori come il rapporto di umidità, la pressione di vapore e il coefficiente di trasferimento di massa.
La combinazione di scambio di calore sensibile e latente raffredda l'acqua e riscalda l'aria. L'acqua raffreddata cade nel bacino dell'acqua fredda, mentre l'aria riscaldata si solleva verso l'uscita d'aria a causa della spinta di galleggiamento. L'effetto di galleggiamento crea una corrente naturale che attrae ulteriore aria fresca all'ingresso d'aria, creando un ciclo continuo di raffreddamento.
Le torri di raffreddamento a corrente naturale possono essere classificate in due tipi in base alla loro configurazione:
Torri di raffreddamento a corrente naturale controcorrente: In queste torri, l'acqua scorre verso il basso, mentre l'aria scorre verso l'alto in direzioni opposte. Questo permette una maggiore differenza di temperatura e un'efficienza di raffreddamento superiore. Tuttavia, queste torri richiedono un'altezza maggiore e più ugelli di spruzzo rispetto alle torri a flusso incrociato.
Torri di raffreddamento a corrente naturale a flusso incrociato: In queste torri, l'acqua scorre verso il basso, mentre l'aria scorre orizzontalmente in direzioni perpendicolari. Questo permette un'altezza inferiore e meno ugelli di spruzzo rispetto alle torri controcorrente. Tuttavia, queste torri hanno una differenza di temperatura inferiore e un'efficienza di raffreddamento inferiore rispetto alle torri controcorrente.
La seguente tabella riassume alcuni dei vantaggi e degli svantaggi di ciascun tipo:
Tipo |
Vantaggi |
Svantaggi |
Controcorrente |
Differenza di temperatura maggiore Efficienza di raffreddamento superiore Migliore distribuzione dell'acqua Meno soggetta al congelamento |
Altezza maggiore Costo superiore Più ugelli di spruzzo Più soggetta alla formazione di depositi |
| Flusso incrociato | Altezza minore Costo inferiore MENO ugelli di spruzzo Meno soggetta alla formazione di depositi | Differenza di temperatura minore Efficienza di raffreddamento inferiore Peggior distribuzione dell'acqua Più soggetta al congelamento |
La seguente figura mostra la differenza tra le torri di raffreddamento a corrente naturale controcorrente e a flusso incrociato:
Le torri di raffreddamento a corrente naturale sono generalmente preferite per applicazioni che richiedono:
Capacità di raffreddamento costante e elevata per molti anni
Costi operativi e di manutenzione bassi
Livello di rumore e consumo di energia bassi
Alta resistenza ai carichi di vento e alla corrosione
Alcuni esempi di applicazioni che utilizzano torri di raffreddamento a corrente naturale sono:
Centrali termoelettriche che utilizzano carbone, petrolio, gas o combustibile nucleare per generare elettricità
Raffinerie di petrolio che processano il petrolio grezzo in vari prodotti come benzina, diesel, carburante per aerei, ecc.
Impianti petrochimici che producono sostanze chimiche da alimenti a base di petrolio o gas naturale
Impianti di gas naturale che processano il gas naturale in gas naturale liquefatto (GNL), gas naturale compresso (GNC) o altri prodotti
Alcuni dei vantaggi delle torri di raffreddamento a corrente naturale sono:
Non richiedono ventilatori o altri dispositivi meccanici per indurre il flusso d'aria, il che risparmia energia e riduce il rumore
Hanno costi operativi e di manutenzione bassi, poiché hanno meno parti in movimento e meno usura
Hanno perdite di sistema basse, poiché perdono meno del 1% del flusso totale d'acqua a causa dell'evaporazione
Hanno una grande capacità di raffreddamento, poiché possono gestire enormi quantità di flusso d'acqua
Non hanno ricircolo d'aria, poiché hanno un'uscita alta che impedisce all'aria calda di rientrare nella torre
Alcuni degli svantaggi delle torri di raffreddamento a corrente naturale sono:
