Dalla centrale nucleare di Springfield alle “doppie triple” della stazione di Didcot in Inghilterra (che sono già state demolite), queste installazioni si sono distinte per la forma delle loro torri di raffreddamento. Il termine formale per descriverle è “iperboloide”, ma la vera domanda è: perché non sono più dritte e non adottano la configurazione di una classica ciminiera? Il punto sta nella parola “raffreddamento”, e l’ultimo video di Practical Engineering lo spiega alla perfezione.
Le centrali termoelettriche possono usare diversi tipi di combustibile, ma il loro obiettivo generale è di solito lo stesso: convertire l’acqua in vapore, che viene poi iniettato/trasferito a una serie di turbine per generare energia. Ora, in questo sito obbediamo alle leggi della termodinamica (!), e anche le centrali termoelettriche lo fanno. Tutto quel vapore deve essere raffreddato in qualche modo per ripetere il ciclo, e consumare energia eccessiva nel processo non ha senso.
Alcune centrali sfruttano caratteristiche locali come fiumi e laghi (lo stato del Texas offre vari esempi), ma le altre devono costruire torri di raffreddamento. Esistono molti design con un profilo più “tradizionale”, per così dire, tuttavia Grady del canale Practical Engineering ha deciso di concentrarsi sul concetto di torre iperboloide e di creare un modello in scala nella sua casa. Perché la torre ha “quella” forma?
(N.d.R.: Sottotitoli in inglese. Non è l’ideale, ma si può guardare.)
Torre iperboloide a tiraggio naturale: come funziona?
Uno dei primi dettagli è che la base della torre non è chiusa. Il modello di Grady ha diversi fori, ed è facile trovarli nelle versioni reali. L’aria fredda entra nella torre e entra in contatto con l’acqua, ma non basta: un sistema di spruzzatura combinato con uno strato di materiale che aumenta la superficie del liquido consente di ottimizzare l’intero processo.
Qui si passa alla sezione più complessa del video. Grady usa un diagramma psicrometrico per spiegare una cosa che non tutti ricordano: l’aria calda sale... e lo stesso fa l’aria umida. Se temperatura e pressione restano costanti, ma aumenta l’umidità dell’aria, la sua densità diminuisce. Le molecole d’acqua (18,01528 g/mol) sono più leggere dell’azoto e dell’ossigeno nell’aria (28,96 g/mol, inclusi altri gas), il che ci porta nell’affascinante mondo della trasferimento di calore per convezione.
L’acqua calda trasferisce il suo calore all’aria. A sua volta, diventa più galleggiante, si sposta verso l’alto nella torre e permette l’ingresso di aria fresca dalla base, ma una parte dell’acqua calda evapora, eliminando ancora più calore dal liquido e rendendo l’aria ancora più galleggiante. La cosa più impressionante è che le torri abilitano questo processo con una quantità minima di componenti (pompe, sistemi di controllo, ecc.). In altre parole, le torri sono fondamentalmente “macchine di nuvole”.
Quanto alle ragioni del design iperboloide, sono diverse. In primo luogo, una base ampia consente un maggiore ingresso d’aria, la “strozzatura” al centro accelera il flusso ascendente e l’apertura larga nella sezione superiore stimola la miscelazione dell’aria calda e umida con l’aria fredda esterna. Tuttavia, il vantaggio principale è strutturale: in termini approssimativi, più grande è la torre, meglio funziona, ma richiede anche pareti sottili, che ottimizzano il flusso d’aria e riducono i costi. Un cilindro alto e con pareti sottili è debole (ad esempio, una lattina di bibita senza pressione), mentre la doppia curva dell’iperboloide rinforza la struttura contro carichi verticali (il suo stesso peso) e orizzontali (vento).
Il video di Grady termina con altri esempi di raffreddamento, ma aggiunge che l’adozione della torre iperboloide nelle centrali atomiche risponde alla loro scala: con un’operazione di 50 anni in media, i risparmi di costruzione e funzionamento a lungo termine sono significativi. Inoltre, sono più stabili, riducendo qualsiasi possibilità di guasto in qualcosa di così delicato come il sistema di raffreddamento di una centrale nucleare.
