Torre de refrigeração
Uma torre de arrefecimento (também conhecido como uma planta de arrefecimento de retorno ) é um sistema que utiliza um permutador de calor para remover o excesso ou não tecnicamente utilizável de calor a partir de Usina ou processos industriais.
Desenhos
Torre de resfriamento de tiragem natural
As torres de resfriamento de tiragem natural são geralmente construídas como estruturas de concha de concreto e basicamente têm a forma de hiperbolóides rotacionais , executados pela primeira vez na Holanda por Frederik van Iterson (1915). Neste caso, no entanto, esta forma geométrica é implementada apenas até cerca de um quarto da metade superior do hiperbolóide, a borda superior, portanto, tem um diâmetro significativamente menor do que a borda inferior. Esta forma é uma superfície pautada que pode ser facilmente construída com vigas de aço retas cruzadas , o que reduz os custos de construção em comparação com outras formas. A casca é endurecida pelo anel superior e inferior.
Essas torres de resfriamento agora estão sendo erguidas em alturas de até 200 m do topo do local ( usina Niederaußem ) e têm uma espessura mínima de parede de 16 cm de acordo com os regulamentos antigos. Devido à alteração da geração padrão DIN 1045 (estruturas de concreto , concreto armado , etc.) e DIN 1055 (pressupostos de carga) em 2005, agora são exigidas espessuras mínimas de parede de 18 cm.
Apesar das dimensões às vezes enormes, as torres de resfriamento feitas de concreto armado são estruturas de concreto comparativamente filigranadas. Com uma altura de construção de 200 m, a torre de resfriamento em Niederaussem tem uma espessura de parede inferior a 30 cm. Se você comparar as proporções, a espessura da parede é apenas cerca de um quinto da espessura de um ovo de galinha. Por esse motivo, uma torre de resfriamento geralmente recebe uma sofisticada proteção de superfície. Isso é particularmente necessário se o concreto for exposto a cargas químicas por meio da introdução de gás de fumaça. Alternativamente, formulações especiais de concreto são usadas durante a construção, com o objetivo de dar à torre de resfriamento a resistência necessária a cargas químicas a longo prazo, de forma que nenhuma proteção especial de superfície tenha que ser aplicada.
Mas mesmo com torres de resfriamento convencionais, há poluição considerável, por exemplo, do crescimento de algas . Os subprodutos biogênicos das algas atacam o concreto. Quando as algas morrem, elas encolhem e rasgam a superfície do concreto devido à sua adesão intensa.
Torre de resfriamento de tiragem natural com uso combinado como chaminé (descarga de gás limpo)
A tarefa de uma torre de resfriamento clássica é apenas emitir energia térmica. É um processo puramente físico . A torre de resfriamento não assume a função de chaminé , necessária em processos técnicos de combustão.
Em algumas usinas movidas a carvão construídas nos últimos anos e que precisam ser equipadas com sistema de limpeza de gases de combustão , a torre de resfriamento também assume a função de chaminé. Com este método, o gás de combustão é conduzido para o centro da torre de resfriamento a cerca de um terço da altura da torre de resfriamento (acima do nível de irrigação) e liberado nas plumas de vapor ali.
A vantagem dessa tecnologia, que foi usada pela primeira vez na Alemanha em 1982 na usina modelo Völklingen (descarga de gás limpo), é que o ar de exaustão aquecido e úmido da torre de resfriamento fornece uma elevação muito mais forte do que o gás de combustão. Desta forma, uma distribuição da pluma de exaustão com uma altura total mais baixa pode ser alcançada do que com uma chaminé convencional. Isso é particularmente vantajoso em usinas movidas a carvão porque os gases de exaustão esfriaram consideravelmente após serem lavados no sistema de dessulfuração de gases de combustão (FGD) e só têm um baixo nível de flutuabilidade.
As desvantagens dessa tecnologia são, entre outras coisas, as dimensões desproporcionalmente grandes da torre de resfriamento combinada; a altura mínima alcançada é de 100 m ( modelo de usina Völklingen, construída em 1982 ), mas nos últimos anos apenas torres entre 155 me 200 m de altura foram construídas para atingir uma maior capacidade de resfriamento. Particularmente no caso de empreendimentos residenciais adjacentes, como nas cidades de Datteln e Duisburg-Walsum , os novos blocos com as torres de resfriamento combinadas para evacuação de fumaça foram construídos como um novo bloco nos sistemas existentes. Em alguns desses locais antigos não havia torre de resfriamento antes, pois o calor era dissipado de forma diferente (por exemplo, via água); o gás de combustão era descarregado através de chaminés convencionais. Agora, nesses locais, a torre e as plumas de vapor geradas durante a operação têm efeitos indesejáveis no microclima , por exemplo, quantidades aumentadas localmente de precipitação e sombras extensas.
Para evitar essas desvantagens, algumas mudanças de planejamento foram feitas após protestos públicos. Na usina elétrica a carvão Moorburg, em Hamburgo , por exemplo, o planejamento original de uma torre de resfriamento de tiragem natural com uso combinado como chaminé foi alterado. O planejamento implementado inclui uma torre de resfriamento híbrida baixa (altura 65 m). Devido à complexa limpeza dos gases de combustão, uma chaminé muito alta também pode ser dispensada. A nova chaminé convencional tem 130 m de altura.
| Altura da torre | Usinas de energia com torres de resfriamento como chaminés | combustível |
|---|---|---|
| 100 m | Usina Völklingen / Fenne (blocos HKV e MKV) | Carvão duro |
| 110 m | Usina Frimmersdorf (Bloco Q) | Carvão marrom |
| 120 m | Usina Jänschwalde (Blocos A - F) | Carvão marrom |
| 128 m | Usina de Niederaussem (unidades G e H) | Carvão marrom |
| 135 m | Central elétrica Quiverbind / Weiher (bloco Weiher III) | Carvão duro |
| 141 m | Black Pump Power Plant (Unidades A e B) | Carvão marrom |
| 141 m | Usina Staudinger (bloco 5) | Carvão duro |
| 141,5 m | Usina Rostock ( usina monobloco) | Carvão duro |
| 155 m | Usina de Boxberg (Bloco R) | Carvão marrom |
| 160 m | Usina de Lünen (bloco Lünen-Stummhafen) | Carvão duro |
| 165 m | Usina de Westfália (blocos D e E) | Carvão duro |
| 172 m | Central elétrica Neurath (blocos F e G) | Carvão marrom |
| 174,5 m | Usina de Lippendorf (blocos R & S) | Carvão marrom |
| 180 m | Usina Datteln (bloco 4) | Carvão duro |
| 181 m | Usina Duisburg-Walsum (Bloco 10) | Carvão duro |
| 200 m | Usina de Niederaussem (Bloco K) | Carvão marrom |
Torre de resfriamento de ventilador
Torres de resfriamento de ventoinhas (esquerda, altura de 34 metros) e torre de resfriamento de tiragem natural (direita, altura de 122 metros)
Torre de resfriamento de ventilador na usina de Zolling
Torre de resfriamento de ventiladores na siderúrgica Peine
Torre de resfriamento com ventilador da usina de Dresden
Usina de ciclo combinado Hamm-Uentrop : torres de resfriamento de ventiladores combinadas como blocos
As torres de resfriamento de ventoinhas (altura 34-100 metros) não são tão altas quanto as torres de resfriamento de tiragem natural (altura de até 200 m) porque a corrente de ar é gerada com ventiladores. Os coolers de célula também são torres de resfriamento com ventilador, mas são significativamente menores e mais compactos.
As torres de resfriamento redondas ventiladas (tiragem natural parcial) são utilizadas quando a altura da construção é limitada devido à proximidade de edifícios residenciais ou para proteção da paisagem.
As torres de resfriamento ventiladas são utilizadas tanto para aplicações industriais quanto em usinas de energia para circuitos de água de resfriamento entre 25.000 e 200.000 m³ / h.
Esta variante de torre de resfriamento também pode ser construída em áreas construídas porque, em contraste com as torres de resfriamento de tiragem natural significativamente mais alta, não há nenhum efeito visualmente opressor e nenhum sombreamento maciço.
| Vantagens sobre as torres de resfriamento de tiragem natural | Vantagens sobre as torres de resfriamento de células | Desvantagens em comparação com torres de resfriamento de tiragem natural |
|---|---|---|
| design compacto com baixa altura sem qualquer efeito visualmente obstrutivo | Economia de eletricidade por meio do uso parcial do efeito chaminé natural | Demanda de eletricidade |
| menos espaço necessário | em caso de falha de energia, resfriamento parcial por corrente de ar natural | |
| melhores características de resfriamento no verão | sem recirculação de ar quente | |
| maior flexibilidade operacional | maior descarga de vapor |
Torre de resfriamento híbrida
Torre de resfriamento híbrida na usina de Moorburg
Torre de resfriamento híbrida na estação de energia Moorburg (vista aérea oblíqua)
Torre de resfriamento híbrida na usina de Altbach 1
Torre de resfriamento híbrida na paisagem: usina nuclear de Neckarwestheim
As torres de resfriamento híbridas (altura de 42-65 metros) não são tão altas quanto as torres de resfriamento de tiragem natural (altura de até 200 m) porque a corrente de ar é gerada com ventiladores, como nas torres de refrigeração com ventilador. Além disso, um pacote de trocadores de calor (seção seca) é instalado em torres de resfriamento híbridas , que não possuem torres de resfriamento com ventilador.
Durante a operação normal, a água de resfriamento quente goteja para a seção úmida (nível inferior) da torre de resfriamento híbrida. O nível superior da torre de resfriamento híbrido, a seção seca, é usado exclusivamente para a secagem a vapor e contribui apenas com uma pequena parte para a capacidade total de resfriamento da torre de resfriamento. O ar frio é aspirado de fora através dos ventiladores na seção seca e aquecido passando-o pelos pacotes de trocadores de calor (que são alimentados com água de resfriamento quente). A introdução desse ar aquecido na pluma da torre de resfriamento saturada causa uma mudança no ponto de saturação , o que leva à dissolução completa da pluma da torre de resfriamento visível. As torres de resfriamento híbridas são usadas principalmente onde são necessárias baixas alturas de construção e pouco sombreamento, principalmente nas proximidades de edifícios residenciais. A introdução de gases de combustão em torres de resfriamento híbridas é incomum.
| Altura da torre | Usinas de energia com torre de resfriamento híbrida | combustível |
|---|---|---|
| 42 m | Usina de Altbach / Deizisau (duas torres) | Carvão duro |
| 56 m | Usina nuclear de Neckarwestheim | urânio |
| 65 m | Usina de moorburg | Carvão duro |
| 80 m | Usina a vapor Rheinhafen em Karlsruhe | Carvão duro |
Tipos de resfriamento
O resfriamento úmido com torres de resfriamento úmido de tiragem natural é o tipo mais comum de resfriamento porque a eficiência é mais alta devido ao frio de evaporação da água como meio de resfriamento. O resfriamento híbrido, que, em contraste com o resfriamento úmido, tem um grau de eficiência inferior, mas não produz nenhuma nuvem de vapor visível, é muito mais raro. O resfriamento a seco usa o ar como meio de resfriamento e só é usado em condições ambientais especiais - como baixa temperatura média, falta de água ou baixa necessidade de resfriamento em usinas de energia que dissipam calor residual como aquecimento urbano (por exemplo, estação de energia térmica Berlin-Mitte ) . Com o resfriamento a seco, a propagação de germes (por exemplo, Legionella ) devido à falta de plumas de vapor, em contraste com o resfriamento úmido, é excluída, mas o resfriamento a seco tem a menor eficiência de todos os tipos de resfriamento.
Resfriamento úmido
Resfriamento úmido de tiragem natural
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Em torres de resfriamento de tiragem natural, a água a ser resfriada é pulverizada no ar e gotejada sobre os enchimentos . Isso remove o calor da evaporação e umidifica o ar. Se dez gramas de um quilograma de água evaporam, a temperatura da água cai seis Kelvin. Além disso, o contato finamente disperso com o ar resfria a água por convecção e aquece o ar. O aquecimento do ar leva a uma diminuição da densidade e, portanto, a um aumento da flutuabilidade do ar. Acima da torre de resfriamento, a mistura se torna visível como plumas de vapor . Cerca de 1,5 a 2,5% da água de resfriamento circulante evapora e precisa ser reabastecida. Uma troca adicional da água de resfriamento através da drenagem (água de purga) é necessária para evitar que os sais dissolvidos na água se concentrem (se acumulem) em demasia. Os depósitos de cal representam o principal problema aqui; Ao operar uma usina termelétrica com 3 GW de energia térmica, cerca de dez toneladas de cal podem ser produzidas por dia. B. deve ser removido do ciclo da água por dissolução com ácido fórmico. Este tipo de construção é usado principalmente em usinas a vapor . A área mais profunda de uma torre de resfriamento úmida, na qual a água de resfriamento pulverizada é coletada, é chamada de copo da torre de resfriamento .
Torres de resfriamento úmido de tiragem natural (NNKT) têm uma densidade de potência muito alta devido ao uso de evaporação . Eles consomem água. O consumo de água é reduzido por uma camada de separadores de gotas acima da distribuição de água . O NNKT pode ser reconhecido pelo fato de que, especialmente em climas mais frios, eles criam "nuvens de névoa" que podem ser vistas de longe. Um efeito colateral é a introdução de vapor d'água na atmosfera, que pode localmente ( microclima / mesoclima ) causar a formação de neblina ou precipitação. Por causa disso, a neve industrial costuma ser vista na área das torres de resfriamento no inverno . As bactérias (por exemplo, legionella ) podem se multiplicar em certas temperaturas no ciclo da água . Por evaporação, a água de resfriamento pode, teoricamente, ser resfriada até a temperatura de bulbo úmido , que em tempo seco fica bem abaixo da temperatura do ar.
Resfriamento úmido com ventilação forçada (torres de resfriamento com ventilador)
Com o resfriamento úmido com ventilação forçada, assim como com o resfriamento úmido com tiragem natural, a água a ser resfriada é pulverizada no ar e gotejada sobre os enchimentos. Isso remove o calor de evaporação da água e umedece o ar.
Em contraste com o resfriamento úmido com tiragem natural, a corrente de ar necessária para o resfriamento é gerada por ventiladores, o que significa que as torres de resfriamento ou resfriadores de célula podem ser construídos significativamente mais baixos e mais compactos. É feita uma distinção entre ventiladores de sucção (instalados na parte superior das torres de resfriamento) e ventiladores de impulsão (instalados nas bordas laterais inferiores).
Resfriamento a seco
Nas torres de resfriamento a seco, a água não entra em contato direto com a atmosfera. Com eles, a água de resfriamento flui em tubulações equipadas com aletas de resfriamento . O ar ambiente flui pelas aletas de resfriamento, é aquecido, sobe por convecção e, assim, transporta o calor transferido para longe. Ventiladores grandes podem suportar convecção.
As torres de resfriamento a seco são usadas em locais de usinas de energia onde a água para resfriamento úmido não está disponível ou onde seria muito caro adquirir. Por causa de seu custo relativamente alto, quase não eram usados em usinas termelétricas até 1985.
Existem dois métodos de resfriamento a seco:
Resfriamento direto a seco
O ciclo é apenas um: o vapor de exaustão da turbina é alimentado diretamente na torre de resfriamento a seco, onde é condensado de volta à água, sendo que a torre de resfriamento também atua como condensador nesse processo. Comum para este tipo de torre de resfriamento é a designação de condensador de ar (Luko) .
Exemplo:
Duas usinas termoelétricas a carvão no site Wyodak, no estado americano de Wyoming :
No site da Wyodak, as temperaturas são extremamente baixas no inverno, então há o risco de as torres de resfriamento úmidas congelarem. O resfriamento puro a seco ocorre apenas na estação fria. Em temperaturas externas mais altas, o resfriamento é apoiado por tanques de resfriamento. Quando a temperatura externa é alta no verão, a água também evapora nos resfriadores de células.
- Usina elétrica a carvão Wyodak II que consiste em dois blocos de usina, comissionamento: 1979
- Usina termoelétrica a carvão Wygen II, comissionamento: 2003
Wyodak II: A fim de lidar com as condições climáticas extremamente frias no local da Wyodak, um refrigerador seco consistindo de 69 refrigeradores de células foi construído para o bloco da usina principal. O sistema inclui dois arranjos 11 × 3 em forma de V (desenho de asa de borboleta). A unidade 2 da estação de energia recebeu três células protótipo (feixes de tubos de uma fileira). Quando foi comissionado, o sistema era a maior torre de resfriamento a seco do mundo e o primeiro com feixe de tubos de uma fileira. Para suportar a capacidade de resfriamento no verão, o sistema possui duas lagoas de resfriamento.
Wygen II: 2 × (2 feixes de tubos de uma carreira). Para suportar a capacidade de resfriamento no verão, o sistema possui uma lagoa de resfriamento. A usina tem um consumo de água de 7% em comparação ao resfriamento úmido convencional por ano.
Resfriamento a seco indireto
Existem dois circuitos: O vapor de exaustão da turbina do gerador é recondensado em um condensador no circuito de aquecimento. O excesso de calor é transferido para um segundo circuito, o circuito de água, no condensador. A torre de resfriamento a seco está localizada neste segundo circuito de água para resfriar o condensador. Existem dois tipos diferentes de capacitores:
- Tipo 1: Capacitores de injeção
- Tipo 2: capacitores de superfície
Exemplo para o tipo 1: usina de Ibbenbüren, bloco A , que foi operada de 1967 a 1987.
A temperatura projetada de entrada de ar é de 1,5 ° C porque as turbinas foram projetadas para processos de resfriamento úmido.
Exemplo de tipo 2: usina nuclear THTR-300 , operada de 1983 a 1989.
A temperatura projetada de entrada de ar é de 12 ° C. O design da torre foi superdimensionado para atingir o mesmo nível de condensação do resfriamento úmido.
As maiores torres de resfriamento para resfriamento a seco indireto estão na usina Kendal, na África do Sul. É também a maior usina de energia a usar essa tecnologia. A usina tem capacidade instalada de 4.116 MW, as torres de resfriamento têm diâmetro de 165 m na base e 165 m de altura.
Resfriamento híbrido (resfriamento úmido e seco combinado)
O resfriamento híbrido combina as vantagens técnicas e físicas do resfriamento a seco e do resfriamento úmido (alta capacidade de resfriamento, melhor eficiência) com consumo de água significativamente reduzido. Como a água também evapora com o resfriamento híbrido, ela deve ser atribuída ao resfriamento úmido em vez de ao resfriamento a seco. Às vezes, é erroneamente atribuído ao resfriamento a seco. Devido à sua natureza especial como uma mistura de resfriamento seco e úmido, eles devem ser listados como uma classe separada. Em comparação com o resfriamento úmido, no entanto, é menos eficiente por causa da energia necessária para os ventiladores necessários. Além disso, os investimentos para resfriamento híbrido com o mesmo desempenho do resfriamento úmido são muito maiores.
O resfriamento híbrido é, portanto, frequentemente construído em usinas ou usinas de energia , onde pode haver reclamações de residentes, falta de aceitação ou planejamento, problemas de tráfego e aprovação devido a faixas e neve industrial .
Torre de resfriamento híbrida
Os sistemas de resfriamento híbridos podem ser construídos em um projeto de torre. Ou tal torre de resfriamento híbrida tem ventiladores na área inferior e pressiona o ar ambiente na cortina de água de resfriamento interna, ou a torre de resfriamento tem o ventilador na área superior e suga o ar através da chamada entrada de ar na parte inferior área da torre de resfriamento.
No caso da torre de resfriamento híbrida, um fluxo de ar quente gerado em trocadores de calor e ventiladores é adicionado ao vapor antes de deixar a torre de resfriamento . Como resultado, o ar permanece subsaturado e não é visível ao sair da torre de resfriamento, então quase não há plumas de vapor visíveis. As torres de resfriamento híbridas são construídas em concreto, madeira , GRP ou aço.
Resfriador de células (versão híbrida com nível úmido e seco)
Um resfriador de célula é uma torre de resfriamento com ventilador muito compacta feita de madeira, GRP, aço ou concreto, na qual a água de resfriamento que foi aquecida pelos processos é resfriada novamente. Um resfriador de célula é, portanto, uma torre de resfriamento com ventilação forçada (sugando o ar por ventiladores ou empurrando o ar da parte inferior) em que a água a ser resfriada é distribuída sobre corpos de gotejamento por pulverizadores conectados aos tubos de distribuição de água.
Com projeto de sucção, há um difusor com ventoinha na parte superior do resfriador de células , que é acionado por um motor elétrico e uma caixa de engrenagens. No caso de uma construção de empurrar, os ventiladores são dispostos no terço inferior nas laterais da estrutura.
Esses ventiladores geram um fluxo de ar no refrigerador da célula. O ar frio entra pela entrada de ar na área inferior do resfriador de células e é sugado ou pressionado para cima através dos corpos de gotejamento, onde o ar aquecido saturado é então pressionado ou sugado novamente através do difusor na parte superior. Uma camada de separadores de gotas ( desembaçadores ) diretamente acima do sistema de distribuição de água reduz as perdas de água. Isso significa que grandes gotas de água não são transportadas para fora.
Os resfriadores de célula podem ser construídos como resfriadores úmidos ou como resfriadores híbridos. No caso da versão com cooler híbrido, deve estar disponível um segundo nível com ventiladores, que mistura um fluxo de ar quente gerado nos trocadores de calor com o vapor antes de sair do sistema. Como resultado, o ar permanece subsaturado e não há ou quase não há nuvens de vapor visíveis.
Um resfriador de célula pode ser equipado com elementos de isolamento acústico na entrada e na saída de ar para reduzir as emissões de ruído. Vários resfriadores de células são normalmente conectados em paralelo para aumentar a capacidade de resfriamento, resultando em uma estrutura geral retangular.
Exemplo : Atualmente, a maior usina de energia solar térmica do mundo, Andasol 1–3. Cada bloco da usina tem uma potência nominal de 50 MW e um consumo de água de 870.000 m³ por ano.
Torre de resfriamento a seco em combinação com uma lagoa de resfriamento
Em locais particularmente quentes, você também pode usar torres de resfriamento a seco em combinação com tanques de resfriamento . Este método oferece a vantagem de que a água do circuito de resfriamento pode ser conduzida em circuito fechado. O calor do circuito de resfriamento é transferido para uma lagoa de resfriamento, cujo resfriamento evaporativo resfria o circuito de resfriamento de volta. Como o efeito de resfriamento ocorre por meio da evaporação da água da lagoa de resfriamento, esse processo também faz parte do resfriamento híbrido e não do resfriamento a seco.
Exemplo : Usina de energia a gás El dorado 27 km a sudoeste de Boulder City, Nevada, 40 km a sudoeste de Lake Mead (Hoover Dam), 40 milhas a sudeste de Las Vegas. Esta usina de gás é usada como uma usina de energia de carga média e de pico. Uma das principais tarefas é compensar os picos na demanda de eletricidade em Las Vegas que não podem ser atendidos pela usina Hoover Dam.
| Dados geográficos | |
|---|---|
| Localização | Boulder City |
| Coordenadas | 35 ° 47 '18 .1 " N , 114 ° 59 '37,9" W. |
| Altura acima do nível do mar | 765 m |
| usina elétrica | |
| Nome da usina | El Dorado Energy |
| Instalação | 2000 |
| Energia elétrica | 480 MW |
| Torre de refrigeração | |
| modelo | Torre de resfriamento a seco com resfriamento de células em combinação com lagoas de resfriamento |
| Fabricante de torre de resfriamento | GEA Power Cooling, Inc. |
| Lagoas de resfriamento | 3 |
| Área da lagoa de resfriamento | 3 × (200 m × 150 m) = 90.000 m² |
| Consumo de água por ano | ? |
aplicativo
Usinas térmicas
As usinas termelétricas geram o calor necessário para seu funcionamento, entre outras coisas. por meio de:
- Combustão de fontes de energia química, como carvão, gás, petróleo, turfa, biomassa
- Fissão nuclear em usinas nucleares
- radiação solar absorvida (usinas de energia solar térmica)
- Energia geotérmica
De acordo com as leis da termodinâmica , a energia térmica só pode ser convertida em outra forma de energia se houver uma diferença de temperatura . Além de uma fonte de calor, um dissipador de calor também é necessário. Este dissipador de calor pode ser fornecido por uma torre de resfriamento.
Um gerador de vapor é necessário para gerar eletricidade na central térmica . O vapor aciona uma turbina , que por sua vez aciona um gerador que gera a eletricidade. Durante a expansão na turbina a vapor, o vapor já está condensado até 15% (temperatura de saída de aproximadamente 36 ° C). O vapor de exaustão da turbina do gerador deve ser recondensado com o auxílio de um condensador . Quantidades consideráveis de água de resfriamento são necessárias para condensar o vapor . Em uma grande usina termelétrica, até 100.000 m³ de água por hora podem passar pelos componentes do sistema e pela torre de resfriamento.
Existem pelo menos dois ciclos de água separados em uma usina termelétrica:
- Ciclo de vapor: a água é aquecida e evaporada em caldeira a vapor. A turbina extrai a energia do vapor por meio da expansão e aciona o gerador. O vapor é então precipitado no condensador. A água agora líquida é bombeada de volta para a caldeira de maneira energeticamente favorável pelas bombas de alimentação.
- Circuito de resfriamento: aqui, a energia térmica é dissipada do condensador com água de resfriamento, que é resfriada novamente em uma torre de resfriamento, por exemplo.
As torres de resfriamento, portanto, criam a extremidade fria (dissipador de calor) do ciclo de vapor na usina termelétrica . Eles tornam a usina independente de um rio próximo ou outro dissipador de calor. Uma torre de resfriamento também é necessária se, por razões ambientais, a água de resfriamento só puder ser lançada no rio em uma temperatura limitada.
No caso das termelétricas, o foco costuma ser a geração de energia elétrica. Por razões físicas, apenas parte do calor gerado pode ser convertido em eletricidade. Normalmente, mais da metade do calor residual é convertido na torre de resfriamento. As usinas de energia controlada por calor (usinas combinadas de calor e energia ) trabalham com foco no aquecimento e na transferência do calor para as redes de aquecimento urbano .
Consumo de água de resfriamento em vários processos de geração de energia
| usina elétrica | Modelo | Quantidade de água m³ / ano |
Quantidade de eletricidade MWh / ano |
Consumo de água m³ / MWh |
Valor da literatura galões / MWh |
|---|---|---|---|---|---|
| Central nuclear | Poder nuclear | 1.893-4.164 | 500-1100 | ||
| Parabólicas através de usinas de energia solar térmica | Solar térmico | 2.877-3.483 | 760-920 | ||
| Andasol | Solar térmico | 870.000 | 180.000 | 4.833 | 1277 |
| Nevada Solar One | Solar térmico | 493.393 | 135.050 | 3,653 | 965 |
| Usinas de carvão | carvão | 0,416-1,136 | 110-300 | ||
| Usinas a gás (ciclo combinado) | gás | 0,757 | 200 |
Outros usos
As torres de resfriamento também são usadas para resfriamento de água na indústria química.
Essas torres de resfriamento ou usinas de resfriamento são geralmente consideravelmente menores do que as das usinas de energia.
Dados necessários para o planejamento de torres de resfriamento
Dependendo do método de resfriamento, as torres de resfriamento são projetadas de acordo com vários padrões DIN e ISO . Os dados da usina e sua localização são decisivos para o dimensionamento:
- Localização
- Pressão do ar (padrão ISO: altitude)
- Temperatura ambiente (padrão ISO: 15 ° C)
- umidade relativa (padrão ISO: 60% de umidade relativa)
- Produção da usina
- Temperatura e pressão da água no circuito de resfriamento
A torre de resfriamento é caracterizada pelos seguintes parâmetros:
- Temperatura de entrada e saída de água no circuito de resfriamento
- modelo
- Temperatura de entrada e saída de ar na torre de resfriamento
- Circulação de água
- Consumo de água
Possíveis usos de calor residual de processos industriais como uma alternativa para torres de resfriamento
Em usinas de energia para geração de eletricidade, uma temperatura relativamente baixa é transferida do condensador para o circuito de resfriamento da torre de resfriamento devido ao processo. Este calor residual de baixa temperatura não pode mais ser usado tecnicamente, mas deve ser reduzido ainda mais para aumentar a eficiência do ciclo térmico. Uma torre de resfriamento pode assumir essa tarefa se dissipar o calor do processo existente que não pode mais ser usado para gerar eletricidade para o meio ambiente. Se necessário, este calor de condensação (por exemplo, em uma rede de aquecimento urbano ou sistema de armazenamento de calor) também pode ser dissipado a uma temperatura mais alta.
Esta extração de calor reduz a eficiência elétrica e, portanto, a produção eletricamente utilizável da usina, uma vez que uma parte menor da energia térmica agora pode ser usada diretamente para gerar eletricidade. No entanto, mais energia do combustível usado é usada em dois processos (produção de eletricidade e produção de aquecimento urbano). Assim, a eficiência de combustível é melhorada. O processo combinado de utilização de eletricidade e calor em usinas de energia é conhecido como calor e energia combinados .
É feita uma distinção entre projeto baseado em eletricidade e projeto baseado em calor de sistemas de cogeração, dependendo da prioridade atribuída a uma das duas formas de energia. Os sistemas controlados por corrente otimizam o rendimento de eletricidade, os sistemas controlados por calor otimizam o rendimento de calor. O mais alto grau de utilização é obtido com um design com controle de calor, porque isso resulta em menores perdas de energia. O armazenamento de calor pode ser realizado usando um sistema de armazenamento de aquecimento urbano. O calor gerado é usado como água quente, o chamado aquecimento urbano, ou vapor de água por meio de tubos isolados para aquecimento de edifícios, para fins industriais (calor de processo) ou na produção de alimentos (por exemplo, aquicultura). Usando grandes armazenamentos de calor, a produção (sempre simultânea) de calor e eletricidade no processo de CHP pode ser temporariamente desacoplada novamente, uma vez que o calor pode ser temporariamente armazenado. Desta forma, uma usina CHP pode ser operada com eletricidade e ainda garantir o fornecimento de calor de uma operação termocontrolada. Em tempos de alta eletricidade e baixa demanda de calor, o sistema pode ser operado em plena carga e o excesso de calor pode ser carregado no tanque de armazenamento. Em tempos de baixa demanda de eletricidade, mas ainda alta demanda de calor, o sistema CHP pode ser operado em carga parcial, o calor restante pode ser fornecido temporariamente pelo sistema de armazenamento de calor.
Uma vez que a combinação de sistemas CHP e grandes sistemas de armazenamento de calor leva a um alto grau de flexibilidade com o uso eficiente de combustível, o governo federal incluiu a promoção de sistemas de armazenamento de calor na última emenda à Lei Combinada de Calor e Energia .
Aquecimento urbano
Nas turbinas de vários estágios das usinas, o vapor de água é geralmente expandido até o início da condensação ; quando o aquecimento urbano é desacoplado, esse processo deve ser interrompido previamente, o que significa uma perda de até 25% do saída elétrica. Uma temperatura do circuito primário de 130-150 ° C é necessária para operar uma rede de aquecimento urbano devido ao grande número de trocadores de calor e os gradientes de temperatura necessários. No verão, a capacidade de resfriamento (para água de resfriamento em operação de usina de energia) de uma rede de aquecimento urbano cai drasticamente devido aos menores requisitos de aquecimento dos usuários externos de aquecimento urbano, de modo que os investimentos ainda devem ser feitos em (às vezes menores) torres de resfriamento ou aquecimento sistemas de armazenamento. É por isso que estamos procurando maneiras de usar a energia restante também no verão. O resfriamento distrital é uma área sensata de aplicação.
Refrigeração distrital
Ao usar ou produzir o resfriamento urbano, a água quente é fornecida ao cliente externo da mesma forma que o aquecimento urbano no inverno, que gera frio no local com a ajuda de chillers de absorção . Esse método é usado atualmente para instalações com alta necessidade de refrigeração, por exemplo, hospitais ou shopping centers. Em Chemnitz, existe uma central de armazenamento a frio que abastece as instalações da cidade.
Chemnitz (então Karl-Marx-Stadt) foi a segunda cidade alemã a ter uma rede de refrigeração distrital desde 1973 . A rede de aproximadamente quatro quilômetros operada pela Stadtwerke Chemnitz abastece a universidade técnica , a ópera , a prefeitura , o tribunal distrital e vários grandes shopping centers. Usando chillers de absorção, é possível dispensar amplamente os chillers movidos por energia elétrica (chillers de compressão).
Em Viena, o primeiro centro de resfriamento para resfriamento distrital em Spittelau entrou em operação em 2009, que abastece, entre outras coisas, o Hospital Geral da Cidade de Viena e vários prédios de escritórios com resfriamento distrital. Nesse ínterim, existem também outros centros de resfriamento da Wien Energie em toda a cidade, e em 2014 o sistema de resfriamento distrital da estação central entrou em operação. Com uma produção de 20 megawatts na fase final, este centro de resfriamento é um dos maiores projetos de resfriamento distrital na Europa. 65 megawatts (em 2014) de capacidade de refrigeração distrital estão em operação em toda a cidade. Sem o uso do resfriamento distrital, grande parte da energia seria liberada não utilizada para o meio ambiente por meio de torres de resfriamento no verão.
A combinação da geração conjunta de eletricidade e calor (bem como o resfriamento distrital pela conversão da energia de aquecimento) é conhecida como calor e energia combinados . Este sistema só pode ser operado descentralizadamente com eficiência máxima , a fim de minimizar as perdas na linha. Distâncias curtas para transporte de calor são, portanto, um pré-requisito. Com o aumento do preço dos combustíveis e os crescentes requisitos de proteção ambiental, o calor e a energia combinados continuarão a ganhar importância.
Esboço do princípio termodinâmico
Tubo de aquecimento urbano (curva em U para compensação de comprimento)
Poço de aquecimento urbano em Hamburgo
Chiller de absorção com capacidade de resfriamento de 1,4 MW em um transportador
perigos
Os riscos de incêndio
Assim que uma torre de resfriamento de tiragem natural estiver fora de operação, ela pode representar um risco de incêndio considerável devido às instalações de gotejamento muito leves (polipropileno, cloreto de polivinila, cimento de amianto, madeira) e ao efeito de chaminé . Em 12 de maio de 2003, uma torre de resfriamento de tiragem natural queimou na usina de Schwandorf desativada durante os preparativos para sua demolição , após ter sido soldada em seu interior sem medidas de proteção contra incêndio . 108 toneladas de peças embutidas de polipropileno queimaram em 45 minutos , depois de mais 50 minutos, 60 toneladas de peças embutidas de madeira também foram queimadas. O corpo de bombeiros chamado cedo não conseguiu apagar o fogo a tempo devido ao risco de desabamento. Testes do VGB mostraram que um incêndio em uma torre de resfriamento de tiragem natural não pode ser extinto e sempre resulta em perda total.
Riscos à saúde por contaminação do meio ambiente
No caso de torres de resfriamento e plantas de resfriamento que funcionam com circuitos de água aberta (resfriamento úmido), existe o risco de germes e germes se espalharem como bioaerossol . Torres de resfriamento contaminadas podem causar infecções por Legionella pneumophila em um raio de mais de 10 km .
O problema pode ser evitado usando torres de resfriamento a seco, mas o resfriamento a seco é menos eficiente do que o resfriamento úmido. Assim, para a mesma capacidade de resfriamento com resfriamento a seco, ou mais energia elétrica é necessária para a operação (com torres de resfriamento a seco com ventilador) ou as torres exigem mais espaço interno (torres de resfriamento a seco com tiragem natural).
Outra possibilidade de limitar a contaminação das torres de resfriamento é o uso de catalisadores metal-minerais especiais. Eles são capazes de, pelo menos, inibir e retardar o crescimento de um biofilme e, assim, reduzir os riscos de contaminação das torres de resfriamento.
As torres de resfriamento de tiragem natural (resfriamento úmido) com uma potência térmica de até 200 MW estão sujeitas à série de diretrizes VDI 2047 "Higiene em plantas de reafriamento". O valor limite voluntário para legionella na Alemanha é 1.000 cfu / 100 mL.
Exemplos de Legionella - sistemas de resfriamento contaminados :
- Epidemias europeias: Murcia, Espanha (2001, sistema de ventilação com torre de resfriamento); Barrow-in-Furness, Inglaterra (2003, torre de resfriamento); Lens, França (2004, torre de resfriamento) e Genebra, Suíça (2001, provável torre de resfriamento).
- Janeiro de 2010 em Ulm, foi devido a uma operação de teste de uma nova planta de resfriamento para sistemas de refrigeração
- No verão de 2012, mais de 20 pessoas na Renânia-Palatinado e no Sarre foram infectadas com Legionella.
- O surto da doença do legionário em Warstein em 2013 é atribuído a uma planta de resfriamento.
- A usina elétrica a carvão Moorburg foi fechada em operação experimental em 2013, quando Legionella com 2.300 ufc / 100 mL foi detectada no circuito de resfriamento.
- O surto de legionários em 2014 em Jülich resultou na Unidade F da usina a carvão em Weisweiler sendo desligada várias vezes porque um número excessivo de legionela foi detectado em seu circuito de resfriamento. Como resultado, a inspeção de todas as torres de resfriamento na Renânia do Norte-Vestfália foi ordenada e uma iniciativa legislativa foi introduzida pelo Conselho Federal para examinar regularmente os sistemas de resfriamento para Legionella. A descontaminação em Weisweiler foi difícil e se arrastou por mais de três meses. Apesar de várias medidas, o pico foi alcançado com 275.000 CFU e resultou em uma proibição operacional de duas semanas.
Uso e desenho da fachada de torres de resfriamento
Proteção da paisagem através do design colorido
Torre de resfriamento sem tinta
Torre de resfriamento à esquerda sem tinta, à direita uma torre de resfriamento com tinta
Torre de resfriamento com design colorido para melhor integração com a paisagem
Rascunho do projeto de uma usina para integrá-la à paisagem
Para proteger a paisagem, é possível construir os sistemas de resfriamento necessários para usinas de energia e sistemas industriais para serem particularmente compactos e baixos (resfriadores de células, torres de resfriamento de ventiladores e torres de resfriamento híbridas) ou tornar os sistemas menos visíveis com a ajuda de a coloração.
As torres de resfriamento costumam ser revestidas de cinza claro, também há experimentos com diferentes cores e padrões.
Objetos de arte
Torre de resfriamento da usina a gás Meppen
Torre de resfriamento com ventilador da antiga usina nuclear de Kalkar
Às vezes, as torres de resfriamento também são usadas como superfície de pintura ou objeto de arte em um sentido mais amplo. Christoph Rihs desenhou o maior mapa do mundo nos 26.000 m² fora da torre de resfriamento da usina Meppen-Hüntel (Emsland).
Outro exemplo da utilização de torre de resfriamento como objeto de arte é a usina nuclear de Cruas com sua pintura na torre de resfriamento. Uma torre de resfriamento também pode ser encontrada em heráldica , por exemplo, no brasão de Greppin .
Depois que a usina foi convertida em um parque de diversões, a torre de resfriamento com ventilador da antiga usina nuclear de Kalkar foi projetada em cores com uma paisagem montanhosa do lado de fora e equipada com um carrossel de corrente no lado de dentro.
Mensagens políticas de protesto de organizações ambientais
Mensagem de protesto pintada sobreposta "A energia nuclear prejudica o país!" (2001, com o símbolo da caveira) na torre de resfriamento híbrida da usina nuclear de Neckarwestheim
Fumar "modelo de torre de resfriamento" para visualizar os protestos contra novas usinas movidas a carvão
Em particular, as torres de resfriamento de usinas nucleares foram usadas por organizações de proteção ambiental como objetos de protestos no passado. No escuro, por exemplo, imagens foram projetadas neles , ou mensagens permanentes foram anexadas com cores.
Diversos
No transmissor Dobl listado de cerca de 1940, a sudoeste de Graz, há uma torre de resfriamento de madeira com uma planta octogonal de cerca de 7 m de largura, afinando conicamente em direção ao topo e cerca de 20 m de altura. Por volta de 2000, era densamente povoado por pombos.
O Grupo Doka desenvolveu uma forma de torre de resfriamento autotrepante para a produção de resfriadores de tiragem natural hiperparabólica com um ciclo diário de produção de concreto armado. São possíveis uma inclinação de 22 ° da vertical e um raio de curvatura mínimo de 70 m na vertical.
inchar
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Links da web
- Animação de como funciona uma torre de resfriamento híbrida
- Hartlieb, Norbert (enpros consulting GmbH): Especialização na comparação de diferentes opções de resfriamento para a planta de cogeração de turbina a gás e vapor planejada em Klingenberg no distrito de Lichtenberg de Berlim (15 de outubro de 2015, acessado em outubro de 2015)