Engineering
Torre di raffreddamento
Raffredda l’acqua del condensatore di un impianto facendola piovere attraverso il riempimento, in controcorrente rispetto all’aria che il ventilatore aspira verso l’alto. Cambia il carico termico, il ventilatore e il tempo atmosferico: l’acqua non diventa mai più fredda della temperatura di bulbo umido dell’aria, e in una giornata fredda e umida dalla torre sale un pennacchio di nebbia.
Cosa succede
Una cella di 3 × 3 m con 1,2 m di riempimento raffredda l’acqua del condensatore di un impianto. L’acqua cade attraverso il riempimento e il ventilatore vi aspira l’aria verso l’alto; in ciascuno dei dodici strati l’aria si avvicina allo stato della superficie dell’acqua: la sua umidità specifica tende a quella di saturazione alla temperatura dell’acqua con le unità di trasferimento h_d·a·V/q_a (q_a e q_w sono le portate massiche di aria e acqua), la sua temperatura a quella dell’acqua con in più il fattore di Lewis di 0,92. Gran parte del calore serve a far evaporare un po’ d’acqua; ciò che l’aria guadagna in entalpia, l’acqua lo perde. L’aria che lascia uno strato sovrassatura condensa l’eccesso in nebbia. La vasca sotto il riempimento mescola l’acqua raffreddata con acqua di reintegro fresca e la rimanda al condensatore.
Con 600 kW su 15 kg/s e aria a 25 °C e 50 % (bulbo umido 17,9 °C), la vasca si assesta a 24,2 °C: l’acqua si raffredda con un salto termico di 9,4 K fino a un avvicinamento di 6,5 K sopra il bulbo umido, ed evaporano 0,22 kg/s – lo 0,15 % della portata per ogni kelvin di salto termico. Il doppio del calore porta la vasca a 27,1 °C. L’aria più secca raffredda di più: al 15 % l’uscita del riempimento scende da 25,5 a 23,0 °C, mentre metà dell’aria la porta a 29,3 °C. In una giornata fredda e umida, a 5 °C e 80 %, l’aria esce a 22,4 °C, satura e con 1,07 g di nebbia per chilogrammo – il pennacchio; la vasca si assesta a 16,1 °C.
Modello: dodici strati in controcorrente, risolti con il metodo di shooting dal basso; pressione di saturazione di Buck; un fattore di Lewis costante; il coefficiente di trasferimento 1,8·q_w^0,4·q_a^0,6; la vasca di 4 t come un’unica massa ben mescolata; la potenza del ventilatore proporzionale al cubo della velocità; RK4 con passo di 1 s.
Da provare
Lascia che la vasca si assesti, poi raddoppia il carico termico o rallenta il ventilatore e guarda l’avvicinamento. Rendi l’aria secca, poi fredda e umida: compare il pennacchio.
Equazioni del modulo
Equazioni w_out = w_s(T_w) − (w_s(T_w) − w)·e^(−NTU) T_out = T_w − (T_w − T_a)·e^(−Le·NTU) h = 1006·t + w·(2.501·10⁶ + 1860·t) q_w·c·ΔT_w = q_a·Δh
