Uw klant wil een vloeistof afkoelen, bijvoorbeeld water, maar mogelijk ook olie of water-glycol, om verder te gebruiken binnen een proces? Dan zet u daar een koeltoren of vloeistofkoeler voor in. Alleen bestaan er verschillende types. Wat houden die soorten precies in? En welke gebruikt u het best wanneer?
Eén type koeltoren kent iedereen: de grote betonnen torens van een elektriciteitscentrale. Maar koeltorens en vloeistofkoelers worden in tal van sectoren ingezet. Van HVAC-toepassingen in kantoorgebouwen, om ervoor te zorgen dat de airconditioning naar behoren werkt, tot gebruik in diverse industrieën of datacenters.
Koeltorens of vloeistofkoelers onttrekken warmte of energie aan een vloeistof door een verdampingsproces. Die warmte wordt niet gerecupereerd, er gaat dus energie verloren. Maar tegelijk bespaart uw klant energie, want om de vloeistof te koelen maken de oplossingen gebruik van gratis omgevingslucht. Over het algemeen onderscheiden we drie types open koeltoren, naast vloeistofkoelers.
Open koeltoren: drie soorten
Bij een open koeltoren wordt het te koelen water naar de bovenkant van de toren gepompt en daarna via sproeiers in de constructie naar beneden verneveld, over en door een plastic, modulair opgebouwd koeloppervlak in de koeltoren.
Dat koeloppervlak lijkt op een honingraat en noemen we ook wel koelpakketten. Het water sijpelt er langzaam door en geeft ondertussen zijn warmte af aan de lucht, die door de koelpakketten stroomt. Tegelijk koelt het water af doordat een deel ervan verdampt: ongeveer 1% van het waterdebiet in de toren per 5,5 °C afkoeling.
Open koeltoren met natuurlijke luchtstroom
Dit eerste type open koeltoren is het grote, kegelvormige model dat elektriciteitscentrales inzetten. Door de vorm en de hoogte van de betonnen constructie ontstaat er een drukverschil en bijgevolg een natuurlijke luchtstroom in de toren. Daarbij wordt de lucht langs onderen naar binnen en vervolgens naar boven gezogen, waar die de toren weer verlaat.
Om de gewenste luchttoevoer en dus koeling te verkrijgen, moet de toren groot genoeg zijn en de optimale geometrische vorm hebben. Tegelijk speelt de locatie waar de toren staat, een rol. In een vallei of op een laag punt geraakt de lucht minder makkelijk in de koeltoren.
Open koeltoren met geïnduceerde of geforceerde luchtstroom
Bij een open koeltoren met geïnduceerde luchtstroom komt de lucht langs twee of vier openingen, langs de zijkanten van de toren, naar binnen. Daarna trekt een ventilator de lucht weer uit de toren, langs boven. Een open koeltoren met geforceerde luchtstroom blaast de lucht niet alleen uit de toren, met een axiale ventilator, maar zuigt die langs onderen ook aan, met een centrifugale ventilator aan de voorzijde van de koeltoren.
Open koeltorens met geïnduceerde of geforceerde luchtstroom worden ingezet, wanneer de natuurlijke luchtstroom niet volstaat om vloeistof te koelen. Torens met geforceerde luchtstroom zijn daarbij beter geschikt voor indoor-installatie of locaties met beperkte ruimte rondom de koeltoren. Deze torens hebben wel sneller last van recirculatie, door de combinatie van een natuurlijk lagedrukgebied rondom de ventilatoren met de hogere luchtsnelheid rondom de inlaat. Ook verbruiken ze meer energie dan koeltorens met geïnduceerde luchtstroom.
Geen contaminatie toegelaten?
Alle soorten open koeltorens kennen uiteindelijk een goede warmteoverdracht. Maar tegelijk hebben ze allemaal hetzelfde kenmerk. Koeltorens zijn namelijk luchtscrubbers: ze filteren partikels zoals stof of grotere vuilresten uit de lucht waarmee ze afkoelen.
De kans is dus groot dat de af te koelen vloeistof, vaak gewoon proceswater, gecontamineerd raakt door bijvoorbeeld kalkvorming, microbiologische groei, stof of corrosie uit het leidingssysteem. Die vervuiling verstopt dan mogelijk de koelpakketten, waardoor de koelprestaties van de koeltoren verminderen. Daarbij kan vervuiling opgebouwd in de koeltoren de procesinstallaties bereiken, zoals de warmtewisselaars, wat sommige gebruikers koste wat het kost willen vermijden.
Als er geen vervuiling of kalk in het systeem mag belanden, biedt een gesloten koeltoren of vloeistofkoeler een oplossing. In zo’n koeltoren werd een buizenwarmtewisselaar met gevinde of gladde buizen geïntegreerd, waardoor de te koelen vloeistof, meestal water-glycol, loopt. Gewoon water wordt opgepompt en van bovenaf op de buizen gesproeid. Terwijl de waterdruppels vallen, koelen ze af door contact met lucht. Eenmaal de druppels op de buizen liggen, ontnemen ze warmte aan de vloeistof die daarin stroomt.
In vergelijking met gladde buizen dragen de gevinde buizen de warmte wat beter over. Maar de vinnen vertonen mogelijk ietwat makkelijker kalkaanslag dan gladde buizen. Hoewel er ondertussen al gevinde buizen bestaan in materialen die kalkafzetting vermijden.
Een andere oplossing om contaminatie te vermijden, bestaat erin eerst de warmte van het proceswater op een andere vloeistof over te zetten, via een warmtewisselaar, waarna een koeltoren die vloeistof afkoelt. Ook zo komt er geen vervuiling in de procesinstallaties terecht.
Kruisstrooms vs. tegenstrooms
Er bestaan zowel kruisstroomse- als tegenstroomse koeltorenmodellen. Bij een kruisstroomse koeltoren stroomt de binnengezogen lucht horizontaal door de koelpakketten in de toren. Bij een tegenstroomse koeltoren stroomt die lucht verticaal door de koelpakketten.
Tegenstroomse koeltorens zijn compacter, wat soms voordelig is. Maar in die modellen heeft uw klant minder plaats om de installatie te onderhouden. Een tegenstroomse koeltoren maakt minder geluid en kan beter een variabel debiet aan. Dat kan grote energiebesparingen opleveren, door lagere pompkosten en een lager gevraagd motorvermogen.
Welke factoren bepalen de optimale keuze?
Te koelen vloeistof
Om te beginnen, hangt de keuze af van de vloeistof die uw klant wil koelen. Gaat het om water-glycol, dan kiest u sowieso voor een vloeistofkoeler, want dan wil uw klant geen contaminatie. Ook olie wordt altijd daarin gekoeld. Bij andere vloeistoffen, zoals water, blijft de keuze vrij. Die zal dan deels door uw klant, deels door ons gebeuren, op basis van wat technisch mogelijk en vereist is.
Debiet en te bereiken temperatuur
Hoe groot de installatie zal moeten zijn, hangt onder meer af van het debiet waarmee de te koelen vloeistof erdoor zal stromen. Hoe sneller die stroomt, hoe groter de installatie over het algemeen moet zijn. Daarnaast wordt de grootte bepaald door het verschil tussen de natteboltemperatuur van de binnenkomende lucht en de temperatuur waarnaar uw klant een vloeistof wil terugbrengen.
De minimaal haalbare temperatuur ligt altijd een paar graden hoger dan de natteboltemperatuur van de binnenkomende lucht. Heeft de lucht bijvoorbeeld een natteboltemperatuur van 21 °C, dan kunt u de te koelen vloeistof tot 23 °C terugbrengen.
Hoe dichter de te bereiken temperatuur bij de natteboltemperatuur van de binnenkomende lucht ligt, hoe groter de toren moet zijn. Bij een gelijkblijvende natteboltemperatuur van 21 °C en een onveranderd debiet, zal de koeltoren bijvoorbeeld kleiner zijn, als de vloeistof bij het binnenkomen 36 °C is en naar 26 °C moet zakken, dan wanneer die van 36 °C tot 23 °C moet afnemen.
Als de gewenste temperatuur niet gehaald wordt, ligt dat mogelijk aan een te warme te koelen vloeistof of aan te warme lucht. Heeft de te koelen vloeistof een te hoge temperatuur, dan kan uw klant die eventueel vooraf verlagen, maar dat is niet altijd mogelijk. Een andere oplossing om meer te koelen, bestaat erin ofwel het waterdebiet in de installatie te verhogen, ofwel de sproeiers te vergroten of te verkleinen (naargelang het design of de toepassing die gewenst is).
Koelinstallaties voor residentiële HVAC-toepassingen zijn kleiner dan die voor industriële applicaties, eenvoudigweg omdat ze minder koelvermogen moeten bieden. Bijvoorbeeld 250 kilowatt, terwijl het vereiste vermogen bij industrie soms wel 700-800 kilowatt of meer bedraagt, afhankelijk van de toepassing.
Kenmerken van koelwater
Uit welk materiaal een koeltoren of vloeistofkoeler het best bestaat, hangt af van de samenstelling en de temperatuur van het koelwater. De buitenkant van de installatie kan bijvoorbeeld gemaakt zijn uit gegalvaniseerd staal, roestvrij staal (304 of 316) of FRP/GRP (glasvezelversterkte kunststof). Een open koeltoren met natuurlijke luchtstroom bestaat langs de buitenkant uit beton.
Het materiaal in de koeltoren, onder meer de koelpakketten dus, bestaat standaard meestal uit pvc. Maar wanneer het koelwater meer dan 60 °C bedraagt of het water te zuur is, wordt de installatie binnen beter uit PP of roestvrij staal gemaakt. Dat om een goede werking van de koelpakketten te blijven garanderen.
Normen voor omgeving
Ten slotte zal de keuze van installatie afhangen van omgevingsnormen waaraan ze mogelijk moet voldoen, zoals geluidsnormen. Die vereiste bepaalt bijvoorbeeld mee de maximale grootte van een koeltoren met ventilatoren. Indien nodig, valt zo’n koeltoren ook uit te rusten met stille of ultrastille ventilatoren, waarbij het geluid niet naar buiten gaat. Of er wordt een scherm voor de luchtingang geplaatst, dat geluid binnenhoudt.
Op zoek naar een koeltoren of vloeistofkoeler?
Weet dan dat u een beroep op TAS kunt doen, om de juiste koelinstallatie voor uw project te bepalen en te verkrijgen. We verdelen alle types open koeltorens en vloeistofkoelers waarover u zonet las, van SPX-Marley ®. Bijvoorbeeld hun paradepaardje, de SPX-Marley® NC (kruisstrooms), naast andere modellen met lagere koelvermogens.
