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(אנ'). סיווג הבסיס של מגדל קירור מבוסס על אופן זרימת האוויר לתוך המגדל: הסוגים העיקריים של מגדלי קירור הם מגדל קירור בזרימה טבעית, בו האוויר זורם במגדל באופן טבעי באמצעות אפקט הארובה 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(אנ') (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(אנ') למנוע הקיטור.^[1] 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.^[2] 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.^[3]

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.^[4] 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.^[5]^[5]

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(אנ') 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(אנ'). טמפרטורת הייחוס לקירור אוויר מוגדרת כטמפרטורת מד חום יבש(אנ') 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.^[6] מחזור קירור מים בתחנת כוח פחמית טיפוסית בסדר גודל של 700 MW עם מגדל קירור, מסתכם בכ-71,600 מטר מעוקב לשעה^[7] 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^[8] 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(אנ') ב-Jhalawar, רג'סטאן, הודו.^[9]

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 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.

שיטות להעברת חום במגדל קירור

מגדלי קירור יבשים (מגדלי קירור במעגל סגור, הידועים כמגדלי קירור אוויר) פועלים על ידי העברת חום דרך משטח שמפריד את נוזל העבודה מאוויר הסביבה. כמו במחליף חום כאן יש ניצול הולכת חום. הם לא משתמשים באידוי.
מגדלי קירור רטובים (או מגדלי קירור במעגל פתוח) פועלים על העיקרון של קירור באידוי. נוזל העבודה (בדרך כלל מים) מתאדה ובכך מתבצעת הסעת חום לסביבה.
מגדלי קירור נוזל (או מגדלי קירור במעגל סגור) הם בני כלאיים - מצד אחד נוזל הקירור עובר דרך חבילת צינורות, שעליו מרוססים מים נקיים ומוזרם אוויר באמצעות מפוחים. כתוצאה מכך, ביצועי העברת חום של המגדל הרבה יותר קרובים לזה של מגדל קירור רטוב, עם היתרון שמספק מגדל קירור יבש, של הגנה על נוזל הקירור מחשיפה לסביבה וזיהום.

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:

Splash fill - מילוי הבנוי ממעין מקלות שנועד לגרום לטיפות המים בדרכן מטה להתנפץ על גביהם לטיפות קטנות יותר.
Film fill - מילוי הבנוי מיריעות (לרוב PVC) אשר טיפות המים זורמות מטה לאורכן באיטיות.

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:

זרימה טבעית - תנועת אוויר הנוצרת בשל אפקט הארובה בתוך ארובה גבוהה. אוויר חם, לח עולה באופן טבעי בשל הפרש הצפיפות בהשוואה לאוויר היבש והקריר שמחוץ לארובה. אוויר לח וחם הוא פחות צפוף מאוויר יבש יותר באותו הלחץ. כוח העילוי של אוויר לח זה מייצר תנועה של אוויר בתוך המגדל כלפי מעלה ובכך של שאיבה של אוויר קר ויבש יחסית מהסביבה דרך פתחים בחלקו התחתון של מגדל הקירור. מגדל קירור היפרבולואיד הפך לעיצוב סטנדרטי למגדלי קירור בזרימה טבעית, בגלל חוזק המבנים שלהם ושימוש מינימלי של חומרי מבנה ביחס לגודלם. צורת ההיפרבולואיד מסייעת בהאצת זרימת האוויר כלפי מעלה ובכך מעלה את יעילות קירור. מגדלי קירור אלו נקשרים לרוב עם תחנות כוח גרעיניות. אך, אותו סוג של מגדלי קירור משמש לעיתים קרובות בתחנות כוח פחמיות גדולות או מפעלים פטרוכימיים גדולים.
זרימה מאולצת - זרימת אוויר הנוצרת באמצעות מאווררים חשמליים השואבים אוויר רווי ממגדל הקירור או דוחפים אוויר מהסביבה למגדל הקירור.
זרימה בשאיבה - סוג של זרימה מאולצת כאשר במקרה זה המאוורר, הנמצא לרוב בחלקו העליון של המגדל, משמש לשאיבת האוויר הרווי מתוך מגדל הקירור והוצאתו החוצה לסביבה. שיטה זו יוצרת מהירות זרימת אוויר נמוכה בפתחי הכניסה למגדל ומהירות גבוהה ביציאה. כמו כן, השיטה מצמצמת את האפשרות שאוויר רווי שנפלט מהמגדל יישאב חזרה פנימה דרך פתחי היניקה.
זרימה בדחיפה - סוג של זרימה מאולצת כאשר במקרה זה קיים מפוח הדוחף אוויר מהסביבה לתוך מגדל הקירור. המפוח נמצא לרוב בחלקו התחתון או בצדי המגדל. שיטה זו יוצרת מהירות זרימת אוויר גבוהה בכניסת אוויר למגדל ופחות מהירה ביציאה. בכך גובר הסיכוי לשאיבת אוויר רווי שיצא מן המגדל חזרה לתוכו. המבנה רגיש יותר לעבודה בטמפרטורות נמוכות מנקודת הקיפאון. חיסרון נוסף, הוא שמבנה זה דורש בדרך כלל מנוע עם יותר הספק מאשר מנוע מאוורר במגדל קירור עם זרימה בשאיבה. היתרון של עיצוב מגדל קירור עם זרימה בדחיפה הוא היכולת שלו לעבוד בסביבה בעלת לחץ אוויר סטטי(אנ') גבוה, ולכן ניתן להתקין מגדלים כאלה במרחבים מצומצמים ומוגבלים ואפילו במצבים מסוימים במקומות מקורים.
זרימה טבעית בסיוע מאוורר - סוג מגדל קירור היברידי שנראה כמו מגדל בזרימה טבעית שמשולב בו מאוורר לסיוע מדי פעם או כל הזמן.

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:

מגדל נמוך יותר ומערכת פיזור מים מבוססת כוח משיכה הבנויה כמעין שוקת עם חורים דורש משאבת מים קטנה יותר ואחזקה פשוטה יותר.
גמישות גבוהה יותר בהפעלה בזרמי מים משתנים בשל פיזור מים בלחץ נמוך או בלחץ אטמוספירי.
עלויות תפעול נמוכות בייחוד בשל משאבות קטנות יותר.

חסרונות לעיצוב מגדל קירור בזרימה צולבת:

רגיש יותר לקיפאון בעבודה בסביבה עם טמפרטורות נמוכות.
רגיש יותר לסתימת המילוי מלכלוך, בייחוד באזורים עם אבק או סופות חול.

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:

המגדל פחות רגיש לטמפרטורות סביבה מתחת לנקודת הקיפאון.
מערכת הפיזור של המים יוצרת מגדל יעיל יותר.

חסרונות של עיצוב מגדל קירור בזרימה נגדית:

מגדל גבוה יחסית.
עלות תפעול גבוהה בשל צורך במשאבת מים חזקה.
פחות גמישות בהפעלה בזרימות משתנות בשל רגישות מערכת ריסוס המים.
מרעיש יותר בייחוד בשל הגובה הרב ממנו נופלים המים לבריכת המים הקרים.

היבטים משותפים לשני הדגמים

בשניהם זרימת האוויר והמים מאפשרים אידוי וקירור המים.
בשניהם האוויר רווי אדי המים נפלט מראש המגדל.
בשניהם קיימת בריכה לאיסוף המים הקרים בתחתית המגדל.
שניהם יכולים להשתמש בזרימת אוויר טבעית או מאולצת.

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.^[10]^[11]

כמתואר בתרשים הסמוך של מגדל בזרימה נגדית, מים נשאבים מבריכת מגדל הקירור דרך צינורות הפצה אל התהליך והמעבים במתקן תעשייתי. המים הקרירים סופגים חום מתהליכים חמים שצריכים להיות מקוררים וחוזרים אל מגדל הקירור (C). המים החמים חוזרים לחלק העליון של מגדל הקירור ומחלחלים כלפי מטה על חומר המילוי בתוך המגדל. אוויר עולה דרך המגדל במקרה זה בזרימה מאולצת על ידי מאווררים גדולים בראש המגדל. מפגש זה בין אוויר למים גורם למים להתאדות (E) ולכמות קטנה להיסחף מחוץ למגדל כטיפות יחד עם האוויר והרוח (W). המים שהתקררו בשל תהליך הסעת החום באידוי מתנקזים לבריכת המים הקרים בתחתית המגדל ומשם נשאבים חזרה שוב אל המעבים. המלחים המומסים במים אינם מתאדים ולכן נשארים במגדל, במים שלא התאדו. תופעה זו גורמת לעלייה בריכוז המלחים במי קירור, וכדי למנוע ריכוז מלח גבוה במים (העלול ליצור נזקים למגדל, לצנרת ולמעבים), חלק מהמים שנזרק מהמגדל נשטפים למערכת השפכים (D) - מי שטיפה. מי תוספת ממקור המים הזמין (M) מסופקים למגדל כדי לפצות על אובדן המים שהתאדו, אובדן המים שנסחפו עם הרוח ומי השטיפה.

M	= Make-up water in m³/h
C	= Circulating water in m³/h
D	= Draw-off water in m³/h
E	= Evaporated water in m³/h
W	= Windage loss of water in m³/h
X	= Concentration in ppmw (of any completely soluble salts ... usually chlorides)
X_M	= Concentration of chlorides in make-up water (M), in ppmw
X_C	= Concentration of chlorides in circulating water (C), in ppmw
Cycles	= Cycles of concentration = X_C / X_M (dimensionless)
ppmw	= parts per million by weight

מאזן המים במגדל הקירור מתואר כדלהלן:^[11]

$M=E+D+W$

כיוון שמלח לא נפלט באידוי ניתן להגדיר את מאזן הכלוריד כדלהלן:

$MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}(D+W)=X_{C}(D+W)$

ולכן:

${\frac {X_{C}}{X_{M}}}=Cyclesofconcentration={\frac {M}{(D+W)}}={\frac {M}{(M-E)}}=1+{\frac {E}{(D-W)}}$

אם נשתמש במשוואת מאזן חום פשוטה במגדל קירור:

$E={\frac {C\Delta Tc_{p}}{H_{V}}}$

כאשר:
H_V	= חום כמוס לאידוי מים = 2260 kJ / kg
ΔT	= הפרשי הטמפרטורה בים המים החמים הנכנסים למגדל למים הקרים היוצאים ממנו במעלות צ'לזיוס °C
c_p	= קיבול חום סגולי של מים = 4.184 kJ / (kg $\cdot$ °C)

ולכן:

$E=0.00185C\Delta T$

ככלל אצבע ניתן לקבוע שקצב האידוי במגדל קירור E שווה ל-1% מזרם הסחרור של המים לכל 5 מעלות צלזיוס של קירור.

בהיעדר נתונים מהיצרן לגבי פיזור טיפות ברוח ניתן להניח את ההנחות הבאות:

במגדל בזרימה טבעית ללא מתקן עוצר טיפות כ-W = 0.3-1.0% מזרימת המים במגדל (C).
במגדל בזרימה מאולצת ללא מתקן עוצר טיפות כ-W = 0.1-0.3% מזרימת המים במגדל (C).
במגדל עם מתקן עוצר טיפות כ-W = 0.005% מזרימת המים במגדל (C) או פחות.
במגדל המשתמש במי ים עם מתקן עוצר טיפות כ-W = 0.0005% מזרימת המים במגדל (C) או פחות.

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.

היחס בין מחזורי התרכזות וספיקה של המים במגדל קירור

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.

מינוח

סחף טיפות (Windage or Drift) - טיפות מים הנסחפות ממגדל הקירור עם אוויר הפליטה. בטיפות הסחף יש אותו ריכוז מלחים של המים במגדל. ניתן לצמצם את כמות סחף הטיפות על ידי רשת המשמשת כעין לוכד טיפות שאינו חוסם את זרימת האוויר מן המגדל. בנוסף, סחף הטיפות גם יכול להיות מופחת על ידי הפעלת מגדל קירור עם מים בטמפרטורת הזנה חמה.
Blow-out - טיפות מים היוצאות ממגדל הקירור על ידי רוח הנושבת סביב המגדל. בדרך כלל טיפות המים יוצאות בפתחי כניסת האוויר. המים גם עלולים ללכת לאיבוד, בהיעדר הרוח, בשל תזה או ערפול. התקנים כגון מסכי רוח, ותריסים (louvers) יכולים להגביל את ההפסדים האלה.
פלום (Plume) - זרם אוויר הפליטה הרווי העוזב את מגדל הקירור. הפלומה נראית לעין כאשר אדי המים באוויר מתעבים כשהם באים במגע עם אוויר סביבה קריר. בדומה לאוויר הרווי בערפילי הנשימה שלנו ביום קר. בתנאים מסוימים, פלומת מגדל קירור עשויה ליצור סכנה כשהערפל מכסה צירי תנועה או סכנה של התקרחות (יצירת קרח) על פני כבישים ומקומות רגישים. המים שהתאדו בתהליך הקירור הם מים נקיים ממלחים וחומרים אחרים, בניגוד לאחוז קטן מאוד של טיפות מים שיצאו מהמגדל כחלק מסחף הטיפות.
Blow-down - מי שטיפה (שיתות) - על מנת לשמור על כמות המוצקים המומסים (TDS) וזיהומים אחרים ברמה נמוכה מקובל להזרים חלק ממי המגדל כמי שטיפה למערכת הביוב. ריכוז גבוה של TDS במי המגדל מגדיל את הסיכון של התגבשות אבנית ומוצקים אחרים במערכת, צמיחה ביולוגית וקורוזיה מואצת. כמות מי השטיפה נקבעת בעיקר על ידי מדידת המוליכות החשמלית של המים במגדל. בעיות של צמיחה ביולוגית, התגבשות אבנית ומוצקים אחרים וקורוזיה ניתן למנוע על ידי חומרים שמפרקים אבנית בתגובה כימית (בהתאמה, biocide, חומצה גופרתית, מעכב קורוזיה ולוכדי חמצן). מצד שני, הדרך המעשית היחידה להקטין את המוליכות החשמליות היא על ידי הגדלת הכמות של מי השטיפה ולאחר מכן להגדיל את כמות מי הפיצוי הנקיים.
מי פיצוי - Make-up - המים שיש להוסיף למערכת מים במגדל כדי לפצות על הפסדי מים כגון אידוי, סחף טיפות, ומי שטיפה וכו'.
טמפרטורת גישה - Approach - הגישה היא ההבדל בין טמפרטורת התקררות המים במגדל וטמפרטורת מדחום רטוב של אוויר הסביבה (twb).
טווח (Range - ΔT) - הטווח הוא הבדלי הטמפרטורה בין כניסת המים החמים למגדל לטמפרטורת המים הקרים היוצאים ממנו.
מילוי (Fill) - מילוי המגדל שנמצא בנתיב זרימת המים במגדל. המילוי נועד להגדיל את שטח הפנים של המים וכן להאריך את משך הזמן מפיזורם בראש המגדל עד להתנקזותם בבריכת המים הקרים בתחתיתו.
Film fill - מילוי הבנוי מיריעות (לרוב PVC) אשר טיפות המים זורמות מטה לאורכן באיטיות.
Splash fill - מילוי הבנוי ממעין מקלות שנועד לגרום לטיפות המים בדרכן מטה להתנפץ על גביהם לטיפות קטנות יותר.
סינון זרם מרכזי - מערכת סינון של מי המגדל היושבת על הזרם המרכזי ומסננת את כל זרם המים העוברים במגדל.
סינון זרם משני - מסנן עם מעגל נפרד מהזרם הראשי של המגדל. המים נשאבים מבריכת המים הקרים, מסוננים וחוזרים חזרה לבריכה. לרוב זרם המים הצדדי הוא כ-10% מזרם המים הראשי במגדל.
מחזור התרכזות - מכפיל מרבי של ריכוז החומרים השונים במי המגדל ביחס לריכוזם במי התוספת.
עץ מטופל - חומר מבני עבור מגדלי קירור שהיה נפוץ בעבר. עץ מטופל עדיין בשימוש מעת לעת בשל העלות הראשונית הנמוכה שלו, למרות תוחלת החיים הקצרה שלו. אורך החיים של מגדלי קירור מעץ משתנה כתלות בתנאי ההפעלה של המגדל, כגון תדירות של הפסקה והפעלה, טיפול במים, וכו'. תחת תנאי עבודה נאותים, אורך החיים של מגדלי קירור מעץ שטופל מוערך בכ-10 שנים.
פיברגלאס במשיכה - Pultruded FRP - חומר מבני למגדלי קירור העשוי מפלסטיק מחוזק בסיבים (FRP). חומר זה ידוע ביכולות העמידות הגבוהה שלו כנגד קורוזיה. Pultuded FRP מופק באמצעות טכנולוגיית pultrusion, והפך לחומר המבני השכיח ביותר למגדלי קירור קטנים. הוא מציע עלויות נמוכות יותר ודורש פחות תחזוקה בהשוואה לבטון מזוין, שנמצא עדיין בשימוש למבנים גדולים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מגדל קירור בוויקישיתוף

What is a cooling tower? - Cooling Technology Institute
"Cooling Towers" - includes diagrams - Virtual Nuclear Tourist
Wet cooling tower guidance for particulate matter, Environment Canada.
COP Metering for heat pumps and cooling towers(הקישור אינו פעיל)

הערות שוליים

^ International Correspondence Schools (1902).
^ Terrell Croft, ed. (1922).
^ "Power plant and allied industries".
^ UK Patent No. 108,863
^ ¹ ² "Power Plant Cooling Towers Like Big Milk Bottle" Popular Mechanics, February 1930 bottom-left of pg 201
^ U.S. Environmental Protection Agency (EPA). (1997).
^ Cooling System Retrofit Costs EPA Workshop on Cooling Water Intake Technologies, John Maulbetsch, Maulbetsch Consulting, May 2003
^ Thomas J. Feeley, III, Lindsay Green, James T. Murphy, Jeffrey Hoffmann, and Barbara A. Carney (2005).
^ Comansa Jie builds the world’s highest cooling towers
^ Beychok, Milton R. (1967).
^ ¹ ² Milton R. Beychok (October 1952).

[ICS1902a-1] International Correspondence Schools (1902).

[Croft_1922-2] Terrell Croft, ed. (1922).

[The_Engineer_1906-3] "Power plant and allied industries".

[4] UK Patent No. 108,863

[Power-5] ¹ ² "Power Plant Cooling Towers Like Big Milk Bottle" Popular Mechanics, February 1930 bottom-left of pg 201

[6] U.S. Environmental Protection Agency (EPA). (1997).

[7] Cooling System Retrofit Costs EPA Workshop on Cooling Water Intake Technologies, John Maulbetsch, Maulbetsch Consulting, May 2003

[8] Thomas J. Feeley, III, Lindsay Green, James T. Murphy, Jeffrey Hoffmann, and Barbara A. Carney (2005).

[9] Comansa Jie builds the world’s highest cooling towers

[Beychok-10] Beychok, Milton R. (1967).

[Beychok2-11] ¹ ² Milton R. Beychok (October 1952).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]