Od elektrowni jądrowej w Springfield po „podwójne trójki” wieże w Didcot w Anglii (które już zburzono), te obiekty wyróżniają się kształtem swoich wież chłodniczych. Formalne określenie to „hiperboloid”, ale prawdziwe pytanie brzmi: dlaczego nie są bardziej proste i nie przyjmują konfiguracji tradycyjnego komina? Sedno tkwi w słowie «chłodzenie», a najnowszy film Practical Engineering wyjaśnia to doskonale.
Elektrownie cieplne mogą wykorzystywać różne paliwa, ale ich ogólny cel zwykle jest ten sam: Zamiana wody w parę, która następnie jest wtryskiwana/przekazywana do szeregu turbin w celu wytworzenia energii. W tym miejscu podlegamy prawom termodynamiki (!) i elektrownie cieplne również. Cała ta para musi być w jakiś sposób schłodzona, aby powtórzyć cykl, a zużywanie nadmiernej energii w tym procesie nie ma sensu.
Niektóre elektrownie wykorzystują lokalne cechy, takie jak rzeki i jeziora (przykłady można znaleźć w Teksasie), ale pozostałe muszą budować wieże chłodnicze. Istnieje wiele projektów o bardziej „tradycyjnym” profilu, jednak Grady z kanału Practical Engineering postanowił skupić się na koncepcji wieży hiperboloidalnej i zbudować model w skali w swoim domu. Dlaczego wieża ma właśnie taki kształt?.
(Przyp. red.: Napisy po angielsku. Nie idealnie, ale da się oglądać.)
Wieża hiperboloidalna z ciągiem naturalnym: jak działa?
Jednym z pierwszych szczegółów jest to, że podstawa wieży nie jest zamknięta. Model Grady'ego ma kilka otworów i łatwo je znaleźć w prawdziwych wersjach. Zimne powietrze wchodzi do wieży i kontaktuje się z wodą, ale to nie wystarczy: system rozpylania połączony z warstwą materiału zwiększającego powierzchnię cieczy pozwala zoptymalizować cały proces.
Tutaj przechodzimy do najbardziej skomplikowanej części filmu. Grady używa diagramu psychrometrycznego, aby wyjaśnić coś, czego nie wszyscy pamiętają: Ciepłe powietrze unosi się... i to samo dzieje się z wilgotnym powietrzem. Jeśli temperatura i ciśnienie pozostają stałe, ale zwiększamy wilgotność powietrza, jego gęstość spada. Cząsteczki wody (18.01528 g/mol) są lżejsze niż azot i tlen w powietrzu (28.96 g/mol, w tym inne gazy), co prowadzi nas do fascynującego świata konwekcyjnego przenoszenia ciepła.
Ciepła woda przekazuje ciepło powietrzu. Staje się ono bardziej wyporne, przemieszcza się w górę wieży i umożliwia dopływ świeżego powietrza u podstawy, ale część ciepłej wody wyparowuje, usuwając jeszcze więcej ciepła z cieczy i czyniąc powietrze jeszcze bardziej wypornym. Najbardziej imponujące jest to, że wieże umożliwiają ten proces przy minimalnej liczbie komponentów (pompy, systemy sterowania itp.). Innymi słowy, wieże to w zasadzie „maszyny do robienia chmur”.
Jeśli chodzi o powody hiperboloidalnego kształtu, jest ich kilka. Po pierwsze, szeroka podstawa umożliwia większy dopływ powietrza, „zwężenie” w środku przyspiesza przepływ w górę, a szerokie otwarcie w górnej części stymuluje mieszanie ciepłego i wilgotnego powietrza z zimnym powietrzem z zewnątrz. Jednak główną zaletą jest konstrukcja: w luźnym ujęciu im większa wieża, tym lepiej działa, ale potrzebuje też cienkich ścian, które optymalizują przepływ powietrza i obniżają koszty. Wysoki cylinder o cienkich ścianach jest słaby (np. puszka po napoju bez ciśnienia), podczas gdy podwójna krzywizna hiperboloidu wzmacnia konstrukcję przeciw obciążeniom pionowym (własny ciężar) i poziomym (wiatr).
Film Grady'ego kończy się innymi przykładami chłodzenia, ale dodaje, że przyjęcie wieży hiperboloidalnej w elektrowniach jądrowych wynika z jej skali: przy średnio 50 latach eksploatacji oszczędności w budowie i eksploatacji długoterminowej są znaczące. Ponadto są bardziej stabilne, co zmniejsza ryzyko awarii w tak delikatnej sprawie jak system chłodzenia elektrowni jądrowej.
