Smucisca.net :: Poglej temo - Učinkovitost hladilnih stolpov za zasneževanje

lenko

Mislim, da je čas, da malce razblinimo polemiko glede hladilnih stolpov.
Glede na to, da je en pol aktivnih članov foruma zelo za hladilne stolpe, ker jih na veliko nameščajo po smučiščih, je tudi drugi pol, ki pa je skeptičen zaradi vsega skupaj, energetske učinkovitosti in učinkovitosti stolpov nasploh. Pa sem posvetil ta torkov večer za brskanje po podatkih dostopnih z neta, malce si pomagal z AI in malce s svojimi izkušnjami s terena.

Letošnje poletje je bil objavljen članek na eni izmed strani enega izmed proizvajalcev zasneževalnih sistemov:
https://www.technoalpin.com/en/about-us/news/technoalpin-supreme-water-cooling/

Po pregledu članka lahko izluščimo nekaj tehnično zelo pomembnih podatkov:

1. Pretok vode skozi stolp: 30l/s in 90l/s
2. Poraba hladilnega stolpa: 15kWh in 45kWh.
3. 4°C razlike v temperaturi vode bi naj bilo enako 1°C vlažnega termometra.
4. Propelerski top s temperaturo vode 1°C naredi 50% več snega napram vodi z 9°C. Če lineariziramo krivuljo povečanja proizvodnje s temperaturo vode, dobimo 6,25% večjo proizvodnjo z vsako 1°C vodo. Kar je celo manj, o čemer je večkrat govoril Ledenko.
Če se poglobimo v hladilne stolpe, kjer dobimo več podatkov: https://www.technoalpin.com/fileadmin/user_upload/Pdf/Cooltech_Prospekt_EN.pdf
dobimo še več infomacij:
5. Termična moč enega hladilnika je 621 kW oz. 534,240 kcal/h
6. Pri pretoku 30l/s to pomeni znižanje temperature vode iz 7,3°C na 2°C, pri tem da mora biti -5°C vlažne temperature, kar pa več niso mejni pogoji.
7. 15kW hladilnik ima 38m3/s pretok zraka.

Zdaj pa dejstva.
Da spraviš vodo do hladilnega stolpa, je potrebna črpalka, kar pomeni znova porabo energije. Ta ni všteta v kataloge. To tudi pomeni dodatni strošek, dodatno porabo energije in dodatne izgube. -5°C vlažne temperature je že kar dobra temperatura in takrat najverjetneje voda ne bo več imela 7,3°C. Razen če jo črpaš direktno ali pa prečrpavaš od kod.
Dejstvo je, da hladilni stolp deluje na principu evaporacije vode. Torej nižja je vlažnost, bolj bo hladilni stolp hladil. Zraven tega izgubljamo vodo preko evaporacije. Če ohladimo vodo iz 7°C na 2°C v eni uri izgubimo 0,5 kubika vode. Kar ni zanemarljivo, glede na to kako zelo se tolčejo po prsih, da so njihovi topovi učinkoviti.

Ker mi je, sem izračunal dejansko termično moč hladilnega stolpa pri zračni temperaturi -3°C in vlažnosti 70%. Latentna toplota vode je nekje 2260 kJ/kg. V primeru našega stolpa, ima zrak pri -3°C in 70% vlage absolutno vlažnost 2,752 g/m3. Pri -3°C in 100% vlažnosti pa 3,9315 g/m3. Ob tem lahko pri 38 m3/s izpari skupaj 1,1795 g/m3 vode. To znese 44,821 g/s. Ob upoštevanju latentne toplote vode znese 101 kJ/s oz. 101 kW toplotne moči. Seveda so tukaj še izgube itd... Te številko so pa dejansko 6 krat manj od reklamirane! Če upoštevamo da ta voda nima entropijskega dela in da je energija čista entalpija, ugotovimo da pri 7°C To pomeni, da bi vodo s temperaturo 7°C stopinj ohladili na 6,2°C. Torej z vložkom 15kW ventilatorja in še nekje 10kW močno črpalko. Na uro izgubimo 161l vode. Da bi pri -5° WB dobili 600kW termične moči, bi mogla biti evaporacije vode 0,265kg/s, kar pa ob 38m3/s zračnega pretoka znese 6,99g vode/m3 zraka, kar je pa pri 0 stopinjah in tudi 0% vlažnosti praktično nemogoče? Saturiran zrak pri 0°C lahko maksimalno nosi 4,84 g/m3 vlage.

Za primer bom dal jezero pod Areno pod Pohorjem. Njegova površina je cca. 5200m2. Bomo najprej izračunali faktor izhlapevanja pri vetru 1m/s temperaturo -3°C in 70% vlažnost. Pri tem izhlapi 187,77 kg vode na uro, oz. 187 l/uro, če lahko zaokrožim

ob upoštevanju prejšnjih formul za izračun hladilnega stolpa, dobimo pasivno hlajenje zaradi evaporacije moči 117kW. Zraven še je prestop toplote za dane pogoje v velikosti 520kW. Torej skupno 640kW termične moči.
Led pa ima nekje 5 krat manjšo specifično termično prevodnost kot voda. Ampak z 0,1m debelino je to samo 0,5 krat manjše. Torej brez evaporacije, ki je praktično ni, čeprav je nekaj sublimacije, je termična moč več kot polovico manjša. Je pa potrebno vračunati še latentno energijo za spremembo agregatnega stanja, tako da še je nekajkrat manjša termična prevodnost. Ampak tukaj se pa moje termodinamska znanja in volja zaključijo za torkov večer. Dejansko bi potreboval dobro programsko orodje za natančnejše izračune.

Če računamo, da imamo tri hladilnike pod Areno, je pri -5°C WB pri -3°C in 70% vlažnosti dejansko 300 kW ohlajanja pri 75 kW vložka. Zraven tega je še nekje 340 kW termične prevodnosti skozi 10 cm debel led. Brez latentne komponente, ki pa to številko še krepko zmanjša. Torej v najboljšem primeru 640 kW termične moči ohlajanja vode.

Če pa to vodo prezračujemo s 15 kW močnim kompresorjem, dobimo povsem enako cifro 640 kW termične moči ohlajanja za nek recimo da standarden primer, ki ni najboljši primer. Torej pri -5°C
WB in uporabi kompresorjev, da jezero ne zamrzne, dobimo enako termično moč kot v primeru uporabe hladilnikov za hlajenje jezera. Pa tam še moremo zaradi vseh pretvorb še 1/4 vložka pretvoriti v izgube nazaj v vodo. Zraven tega vidimo, da v neidealnih primerih (ko je zračna vlaga visoka) hladilni stolpi izgubijo precej svoje deklarirane moči in so znova samo marketinške pravljice. In še v primeru neuporabe kompresorja za prezračevanje jezera izgubimo del vode v jezeru za led. V primeru Arene to ustreza 520 m3 vode pri 10cm debelem ledu.

Za primer Kekca na Arehu, bi izračun postal malce težji za naše branjenje naravnega ohlajanja, ker tam ne moreš prezračiti celotnega jezera in vsaj 30% ga vseskozi zamrzne.

Imamo pa še en faktor za upoštevati, za zagovor hladilnim stolpom. Zajem vode je po navadi na dnu jezera, kjer je pa voda najtoplejša. Tudi dobro prezračevano jezero ne bo imelo idealnega gradienta temperature po višini vode.

No sedaj pa še bomo preračunali faktor povečanja izkoristka po stopinji celzije. Če pri 30l/s vode dobimo 6% več snega pri 25 kW vložku, in da en močnejši top s porabo 22 kW pri tej temperaturi spusti v zrak nekje 3,3l/s vode, pridemo do zaključka, da se na enoto porabljene energije bolj splača dodati en top, kot pa en hladilnik. Torej za en hladilnik dobimo 1,8l/s več snega. Na enoto vložene energije je to 0,072 l/kW vložene energije. Za en dodaten top pa dobimo 0,15 l/kW vložene energije, kar je pa enkrat več. Je pa res to, da morda zaradi tega enega topa več potrebujemo kakšno dodatno črpalko.

Za zaključek. Termična moč hladilnikov je odvisna od vlage, ki je pogosto visoka in dejansko se ne mora dosegati količin z datasheetov. Naravo ohlajanje vode je še vedno najbolj učinkovit ohlajevanja vode. Umetno ohlajevanje stoječih vodnih teles zahteva nekaj energijskega vložka v obliki električne energije, kar pomeni pri omejenih dovodih elektrike problem. Zajem vode v stoječih vodnih telesih je po navadi na točkah, kjer je voda najtoplejša, zato ni 100% učinkovitosti naravnega hlajenja vode. Morda še najboljši način je kombiniran način. Hiter izračun kaže na to, da se na količino vložene energije v hladilnik bolj splača dodati en top kot pa hladilnik.