Експлоатация на охладителни кули в студени климатични условия

Изискванията на много сгради за целите на охлаждането е то да е целогодишно, което създава нуждата от инсталирането на водни или въздушни икономайзери за намаляване потреблението на енергия. Също така много съвременни стандарти, свързани с охлаждането, разширяват обхвата си по отношение на икономиите на въздух и вода във все повече климатични зони.

При сградите, които използват водни икономайзери, инсталираните охладителни кули трябва да работят целогодишно, както работят сградите, извършващи голямо количество процеси - центровете за данни например.

При по-студени климатични условия на много проектанти и управители се налага да се справят с работата на охладителните кули при минусови температури. Следвайки някои прости оперативни указания, охладителните кули могат да бъдат и са били успешно експлоатирани при много ниски температури (до -15°C).

В условия на продължително замръзване, като например преминаване на повече от 24 часа без температурата на мокрия термометър да надвиши 0°C, не се наблюдава дневен цикъл на замръзване и размразяване. Скоростта на вятъра и други фактори също трябва да бъдат взети под внимание.

По принцип, когато прогнозата за времето предвижда наличието на студен вятър от под 0°C за повече от един ден, производителите трябва да следват предварително планираните си дейности за размразяване. За предпочитане е тези дейности да бъдат заложени като част от производствения процес, да са автоматизирани и да могат да се използват по всяко време.

За разлика от режима на комфортно охлаждане, при центровете за данни се налага целогодишната работа с висок коефициент на натоварване, в резултат на което размерът на охладителната кула се определя от функциите на икономайзерите при студено време. В резултат на това размерът на охладителната кула може да е прекалено голям за по-топлия сезон.

Охладителните кули, работещи в режим на икономия, трябва да охлаждат водата до температура, която е равна или по-ниска от тази на водата, получена при нормалната работа на даден чилър. Също така трябва да се има предвид, че когато такива центрове за данни работят с по-ниско натоварване (както обикновено се случва в първите години след създаването им), по-големият размер на охладителната кула при отрицателни температури създава потенциални рискове.

Охладителните кули работят успешно в някои от най-тежките условия на минусови температури навсякъде по света. Колкото по-студено е времето, толкова по-важно е да се следват някои прости правила и да се взимат предпазни мерки, за да се избегнат проблеми при работата им. Центровете, които работят при пълно натоварване, всъщност са най-сериозните кандидати за икономия на вода в условията на работа при минусови температури заради високата целогодишна консумация на топлина.

Основни принципи за работа при студено време
Не трябва да се експлоатират охладителните кули при липса на топлинно натоварване и не трябва да работят без надзор, когато външните температури са минусови в продължение на няколко последователни дни.

Във всеки един момент дебитът на водата, подавана към топлообменната среда в охладителната кула, трябва да се поддържа до и над специфицирания минимум.
Независимо от това какви са нуждите на производството, трябва да се съблюдава поддържане на поне минимален воден дебит, определен от производителя на охладителната кула, според броя вентилатори.

Броят на оросителните елементи, до които достига вода, трябва да е съобразен с минималния дебит за елемент, предвиден от производителя. Елементите на охладителната кула трябва да са проектирани така, че да поемат 50% по-нисък дебит, въпреки че в някои случаи този процент е дори по-голям.
Ако е необходимо дебитът на охлаждащия поток да се намали до по-малко от минимума, то и броят на оросителните елементи трябва да се намали така, че дебитът да е по-голям или равен на минималния дебит за елемент.

Производителят на охладителна кула може да направи процента на минималния дебит с по-ниска стойност, като използва вътрешно разпределение на водата и намалявайки текущо планираната оросителна площ (като пример за това могат да се използват отделни горещи резервоари и преливници на охладителни кули с кръстосан поток), докато в същото време се запазва вътрешността на охладителната кула влажна и топла.

Въздушният поток трябва да се управлява по такъв начин, че да се поддържа над температурата на замръзване на водата във всички части от оросителния пълнеж и във всички елементи на охладителната кула.

Поддържане на топлинното натоварване. Без топлинно натоварване, водата, протичаща през охладителната кула, ще достигне температура на въздуха по мокрия термометър или ще се превърне в лед в зависимост от това кое настъпи първо. Това ще се случи бързо, ако вентилаторите работят, и по-бавно, ако не работят. Трябва да се вземе предвид, че температурата по мокрия термометър предизвиква изпарителен топлинен трансфер и е равна на или по-ниска от тази на температурата на сухия термометър.

Например, при 1,6°C по сухия термометър, което по принцип е над очакваните условия на замръзване, температурата на мокрия термометър често може да е по-ниска от 0°C и водата, която протича през охлаждащата кула, може да замръзне, ако не се обработи съответно.

Поддръжка. Без значение колко автоматизирана е работата на една охладителна кула, тя трябва редовно да бъде наблюдавана при наличието на постоянни условия за замръзване. Възможно е да е достатъчно проверката да се прави веднъж на смяна, но е възможно и това да не е достатъчно – това трябва да бъде установено по емпиричен път за всяко отделно производство. Следенето често може да се извършва чрез дистанционни камери, които могат да се наблюдават от контролна зала. Колкото по-студено е времето, толкова по-често трябва специално да се проверява охладителната кула.

Байпас при необходимост. Ако топлинното натоварване стане твърде ниско, за да се избегне заледяването целият циркулационен воден поток трябва да се вкара директно в резервоар със студена вода. Потокът не трябва да се насочва обратно към охладителната кула, докато водата не достигне желаната температура. Пренасоченият воден поток не трябва да се модифицира, в противен случай може да замръзне в частите, през които преминава по-малко вода. Параметрите на байпаса трябва да се определят съвместно с производителя на охладителната кула или да се закупят като опция за нова охлаждаща кула.

Видове охладителни кули
Охладителните кули с кръстосан и насрещен поток имат конструктивни разлики при работата в студени атмосферни условия. При охладителните кули с кръстосан поток, водата протича надолу през оросителен пълнеж, идвайки от басейн с гореща вода, който се намира в горната част на кулата, а въздухът преминава хоризонтално, пресичайки водния поток.

При охладителните кули с насрещен поток, водата се впръсква надолу и тече надолу през пълнежа, докато въздухът се движи вертикално нагоре през пълнежа, противоположно на падащата надолу вода. И за двата типа охладителни кули са характерни някои особености:

• Необходимо е да се избягва контакт със студен въздух в зони, през които преминава много малко вода;
• Необходимо е да се избягва изпръскването на водни капки извън охладителната кула;
• Работата без достатъчно топлинно натоварване при минусови температури определено представлява проблем и при двата вида конструкции;
• Частичното заледяване на охладителните кули в условията на минусови температури е нормално и обикновено не създава проблеми за работата. Ледът ще се образува първо във всяка точка на контакт между въздух и вода в охладителната кула, например в зоната на входната решетка;

Особено важно е да се предотвратява прекомерно заледяване, което може да доведе до повреда в охладителната кула.

Контрол на заледяването - кръстосан поток и насрещен поток
Водният поток се спуска надолу и тече перпендикулярно на посоката на въздушния поток в охладителните кули с кръстосан поток. Оросителният пълнеж в кулите с кръстосан поток е конструиран така, че елементите му да са поставени под ъгъл, който позволява преминаването на водата обратно, по посока на въздухоотделящата повърхност.

По този начин водата се разпределя равномерно между решетките и отделителите. Когато вентилаторите са изключени, водата пада направо надолу, предизвиквайки силен воден поток върху повърхността на решетките. Този масивен поток от топла вода може ефективно да размрази решетките в повечето случаи. При наличност на резервоари или преливници водата с намален дебит се концентрира във външните резервоари.

При намален поток водата не прелива през стените на резервоарите и остава във външната част на резервоара с гореща вода. Вътрешната част на пълнежа винаги се поддържа влажна и топла от нагряването, което идва от външната част на пълнежа. При поток с пълен обем водата прелива през стената на резервоара или покрива пълнежа.

Охладителните кули с насрещен поток имат по-малък наклон на студената вода в долната част на пълнежа от охладителните кули с кръстосан поток, но наклонът е подобен на кулите с кръстосан поток в дъното на оросителната зона между долната страна на пълнежа и повърхността на водата в резервоара със студена вода.

При средна температура на водата от около 4°C на басейна със студена вода температурата на най-ниското въздухопостъпателно ниво в оросителната зона под пълнежа може да бъде 0°C, като в случая на охладителна кула с кръстосан поток температурата може да се увеличи до около 6°C в центъра на охладителната кула.

В случая на охладителна кула с насрещен поток, без решетки (често използван тип за високи охлаждащи кули) и структурно чист входен отвор за постъпване на въздуха, устойчивостта на заледяване е по-голяма, тъй като има по-малко места, които генерират или улавят отделящи се капки вода. Водните капки извън зоните със загрети въздух и вода предразполагат натрупване на лед.

При повечето охладителни кули с насрещен поток е необходимо използването на решетки, включително при фабрично монтираните охладителни кули, при които само да се осигури разстояние между охладителната кула и стената на резервоара не е достатъчно.

Трябва да се има предвид, че при наличието на решетки заледяването може да не се забелязва при пълнежа на една охладителна кула с насрещен поток, тъй като то се формира от вътрешната страна на решетките. Различни варианти за впръскване се използват в охладителните кули с насрещен поток, за да се постигнат по-ниски дебити на потока, но те могат да бъдат проблемни.

Обърнат ход на работа на вентилатора
По принцип заледяването трябва да се избягва по всякакви начини, но когато ледът вече се е формирал, първият вариант за противодействие е да се изключват вентилаторите един по един за определен период от време, давайки по този начин възможност на топлата вода да размрази съответния елемент. При по-сериозно заледяване се използва обърнат режим на работа на вентилаторите с намалена скорост (обикновено 30% или по-малко при задвижване с променлива честота - VFD) за кратък период от време, доколкото да се размразят входните решетки.

Това е още едно предимство на използването на VFD системи в охладителни кули, които работят при студени метеорологични условия. Обръщането на хода на вентилатора разпръсква малко количество вода извън охладителната кула и също така може да извлече ледения въздух от вентилаторите. Оперативният персонал трябва да следи внимателно извършването на размразяване чрез обърнат ход на работа на вентилатора и да поддържа максимално кратко времето за работа при такъв режим.

Охладителни кули със системи със сухи резервоари
Системата със сух резервоар, или система за външно капкоулавяне, осигурява автоматична защита от замръзване на резервоари студена вода и открити тръби за оттичане. Цялата охлаждаща вода се оттича към резервоара на гравитационен принцип.

Информацията за отточния обем на охладителната кула може лесно да се получи от производителя, за да помогне при оразмеряването на такива външни системи. Също така трябва да се добави обемът на системата над нивото на преливника на резервоара, за да се определи необходимият обем на резервоара.

Охладителни кули без системи със сухи резервоари
При системите без сух резервоар при изключване топлинният товар изчезва, а водата е в неподвижно състояние. Всички зони, които са пълни с вода в достатъчно студено състояние, подлежат на потенциално замръзване.

Ако системата трябва да бъде изключена за през зимата, е необходимо да се източи водата от охладителната кула и всички открити тръбопроводи, както и да се спре подаването на вода за охлаждащата кула и тръбите да са отводнени. Ако системата се изключва, без да се източи, трябва да се осигури подгряване в откритите зони.

Нагревателите на резервоара трябва да се контролират така, че да работят само, когато подаването към системата е изключено и водата се намира в басейна за студена вода. Системите за отопление на резервоари обикновено се предлагат като опция за нови охладителни кули или могат да се извършат като реконструкция на съществуващи охладителни кули.

Нагревателите не трябва да могат да се захранват, ако не са напълно покрити с вода. Термостатът трябва да поддържа температурата на резервоара над 4,4°C при определената външна температура.