A systemic approach for optimal cooling tower operation

The thermal performance of a cooling tower and its cooling water system is critical for industrial plants, and small deviations from the design conditions may cause severe instability in the operation and economics of the process. External disturbances such as variation in the thermal demand of the process or oscillations in atmospheric conditions may be suppressed in multiple ways. Nevertheless, such alternatives are hardly ever implemented in the industrial operation due to the poor coordination between the utility and process sectors. The complexity of the operation increases because of the strong interaction among the process variables. In the present work, an integrated model for the minimization of the operating costs of a cooling water system is developed. The system is composed of a cooling tower as well as a network of heat exchangers. After the model is verified, several cases are studied with the objective of determining the optimal operation. It is observed that the most important operational resources to mitigate disturbances in the thermal demand of the process are, in this order: the increase in recycle water flow rate, the increase in air flow rate and finally the forced removal of a portion of the water flow rate that enters the cooling tower with the corresponding make-up flow rate. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Organizational, direct and general support, and depot maintenance repair parts and special tools list : cooling tower, liquid, 4 sections, 240 GPM, semi-trailer mounted, (American air filter model CT-250), FSN 3655-411-5439.

"February 1971."

Integrated analysis of cooling water systems: Modeling and experimental validation

Cooling towers are widely used in many industrial and utility plants as a cooling medium, whose thermal performance is of vital importance. Despite the wide interest in cooling tower design, rating and its importance in energy conservation, there are few investigations concerning the integrated analysis of cooling systems. This work presents an approach for the systemic performance analysis of a cooling water system. The approach combines experimental design with mathematical modeling. An experimental investigation was carried out to characterize the mass transfer in the packing of the cooling tower as a function of the liquid and gas flow rates, whose results were within the range of the measurement accuracy. Then, an integrated model was developed that relies on the mass and heat transfer of the cooling tower, as well as on the hydraulic and thermal interactions with a heat exchanger network. The integrated model for the cooling water system was simulated and the temperature results agree with the experimental data of the real operation of the pilot plant. A case study illustrates the interaction in the system and the need for a systemic analysis of cooling water system. The proposed mathematical and experimental analysis should be useful for performance analysis of real-world cooling water systems. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Seismic performance of rooftop cooling towers in buildings

Negli ultimi anni la ricerca ha fatto grandi passi avanti riguardo ai metodi di progetto e realizzazione delle strutture portanti degli edifici, a tal punto da renderle fortemente sicure sotto tutti i punti di vista. La nuova frontiera della ricerca sta quindi virando su aspetti che non erano mai stati in primo piano finora: gli elementi non-strutturali. Considerati fino ad oggi semplicemente carico accessorio, ci si rende sempre più conto della loro capacità di influire sui comportamenti delle strutture e sulla sicurezza di chi le occupa. Da qui nasce l’esigenza di questo grande progetto chiamato BNCs (Building Non-structural Component System), ideato dall’Università della California - San Diego e sponsorizzato dalle maggiori industrie impegnate nel campo delle costruzioni. Questo progetto, a cui ho preso parte, ha effettuato test su tavola vibrante di un edificio di cinque piani in scala reale, completamente arredato ed allestito dei più svariati elementi non-strutturali. Lo scopo della tesi in questione, ovviamente, riguarda l’identificazione strutturale e la verifica della sicurezza di uno di questi elementi non-strutturali: precisamente la torre di raffreddamento posta sul tetto dell’edificio (del peso di circa 3 tonnellate). Partendo da una verifica delle regole e calcoli di progetto, si è passato ad una fase di test sismici ed ispezioni post-test della torre stessa, infine tramite l’analisi dei dati raccolti durante i test e si è arrivati alla stesura di conclusioni.

Thermal and exergy analysis for evaluation and optimization of performance of cooling towers for fresh water and seawater

In this study, thermal, exergetic analysis and performance evaluation of seawater and fresh wet cooling tower and the effect of parameters on its performance is investigated. With using of energy and mass balance equations, experimental results, a mathematical model and EES code developed. Due to lack of fresh water, seawater cooling is interesting choice for future of cooling, so the effect of seawater in the range of 1gr/kg to 60gr/kg for salinity on the performance characteristics like air efficiency, water efficiency, output water temperature of cooling tower, flow of the exergy, and the exergy efficiency with comparison with fresh water examined. Decreasing of air efficiency about 3%, increasing of water efficiency about 1.5% are some of these effects. Moreover with formation of fouling the performance of cooling tower decreased about 15% which this phenomena and its effects like increase in output water temperature and tower excess volume has been showed and also accommodate with others work. Also optimization for minimizing cost, maximizing air efficiency, and minimizing exergy destruction has been done, results showed that optimization on minimizing the exergy destruction has been satisfy both minimization of the cost and the maximization of the air efficiency, although it will not necessarily permanent for all inputs and optimizations. Validation of this work is done by comparing computational results and experimental data which showed that the model have a good accuracy.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Gestão de um projecto de uma torre de arrefecimento industrial: estudo de caso

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Sistema de Torre de Refrigeração

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Análise energética, otimização e modernização dos sistemas de um grande edifício de serviços na ótica da melhoria da eficiência energética

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Perfil Energia, Refrigeração e Climatização

Otimização da torre de arrefecimento da Artlant PTA

Trabalho Final de Mestrado para obtenção de grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Otimização Energética do Sistema de Refrigeração da máquina de impregnar ZELL

Esta dissertação teve como objetivo fundamental a otimização energética do sistema de refrigeração da máquina de impregnar tela ZELL e, como objetivo adicional, a avaliação da qualidade da água do circuito, justificada pela acentuada degradação dos rolos devido à corrosão provocada pela recirculação da água de arrefecimento. Inicialmente fez-se o levantamento de informações do processo produtivo para caracterizar o funcionamento do sistema de refrigeração, tendo-se selecionado duas telas de poliéster designadas neste estudo por P1 e P2 e, também, uma tela de nylon designada por N. Foram efetuados ensaios, um para cada tela, para a atual temperatura de setpoint da água à saída da torre de arrefecimento (30ºC). Realizou-se outro ensaio para a tela N mas com uma temperatura de setpoint de 37ºC, ao qual se chamou N37. Deste modo, determinou-se as potências térmicas removidas pela água de refrigeração e as potências térmicas perdidas por radiação e por convecção, tendo-se verificado que na generalidade dos rolos as referências P1 e P2 apresentam valores mais elevados. Em termos percentuais, a potência térmica removida pela água de refrigeração nos grupos tratores 1 e 3 e no conjunto de rolos de R1 a R29 corresponde a 48%, 10% e 70%, respetivamente. Com a avaliação às necessidades de arrefecimento da máquina ZELL, confirmou-se que os caudais atuais de refrigeração dos rolos garantem condições, mais que suficientes, de funcionamento dos rolamentos. Assim sendo, fez-se uma análise no sentido da diminuição do caudal total que passou de 10,25 L/s para 7,65 L/s. Considerando esta redução, determinou-se o caudal de ar húmido a ser introduzido na torre de arrefecimento. O valor determinado foi de 4,6 m3ar húmido/s, o que corresponde a uma redução de cerca de 32% em relação ao caudal atual que é de 6,8 m3ar húmido/s. Com os resultados das análises efetuadas à água do circuito de refrigeração, concluiu-se que a água de reposição e a água de recirculação possuem má qualidade para uso na generalidade dos sistemas de refrigeração, principalmente devido aos elevados valores de concentração de ferro e condutividade elétrica, responsáveis pela intensificação da corrosão no interior dos rolos.

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

Legionella em meio hospitalar : qual a eficácia dos programas de prevenção nos hospitais da Região de Lisboa e Vale do Tejo : manutenção, limpeza e desinfeção de sistemas e

RESUMO - A legionella em meio hospitalar tem sido alvo de preocupação e de várias discussões, sendo esta uma bactéria patogénica que coloniza vários tipos de ambientes aquáticos (naturais e artificiais). Estas bactérias têm a particularidade de se desenvolver em meio aquático mas a infeção apenas é transmitida através de aerossóis de água contaminada, ou seja, por via aérea. Não se transmitindo de pessoa para pessoa. Pelas suas características os sistemas de arrefecimento de ar, nomeadamente as torres de arrefecimento, condensadores evaporativos, humidificadores e sistemas de ar condicionado, são fontes importantes de disseminação da legionella. Assim surge a necessidade da existência de programas de prevenção, que deverão ter em conta uma adequada manutenção, limpeza e desinfeção. Dada a quantidade de frequentadores assim como da especificidade dos mesmos, em meio hospitalar é particularmente importante a eficácia destes sistemas. Ou seja, os sistemas de arrefecimento em hospitais devem, para além de garantir o conforto térmico, ser responsáveis por manter a qualidade do ar e reduzir os riscos existentes a ele associados. O presente estudo pretende conhecer a verdadeira eficácia dos programas de manutenção e vigilância da Legionella, apenas nos sistemas de arrefecimento. Trata-se então de um estudo exploratório, descritivo recolha desta informação in-loco dos sistemas em estudo, de X hospitais da cidade de Lisboa. Na metodologia serão utilizadas grelhas de observação e resultados de colheita de água dos locais de maior risco. A realização deste estudo visa obter um retrato do panorama existente e contribuir para o início de novos estudos epidemiológicos.

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmät. Case: Kaasunerotuslaitteiston evaluointi

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmiä tarvitaan prosessien lämpötilan ja paineen hal-litsemiseen. Vesi on käytetyin lämmönsiirtoaine hyvän saatavuutensa, halvan hin-nan ja korkean lämmönsiirtokyvyn ansiosta. Jäähdytysjärjestelmät jaetaan kolmeen päätyyppiin, joita ovat läpivirtausjäähdytys, suljettu ja avoin kiertojäähdytys. Kullakin järjestelmätyypillä on tyypilliset alatyyppinsä. Avoimella kiertojär-jestelmällä on eniten alatyyppejä, joista yleisin on jäähdytystorni. Jäähdytystorneja on kolmea tyyppiä: märkä-, kuiva ja hybriditorni. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaiset piirteensä käyttökohteiden, ympäristövaikutusten, ohjattavuuden, investointi- ja käyttökulujen suhteen, joita tässä työssä esitellään. Työssä tutkitaan teollisuuden jäähdytysjärjestelmien esittelyn lisäksi erään ali-painekaasunpoistimen soveltuvuutta suljetun kiertojäähdytysjärjestelmän kaasun-poistoon. Suljettuun kiertojäähdytysjärjestelmään jää ilmaa täyttövaiheessa ja kul-keutuu liuenneena käytettävän jäähdytysveden mukana. Muodostuva ylikylläinen seos synnyttää veden sekaan ilmakuplia, jotka aiheuttavat korroosiota kemiallisesti ja kuluttamalla. Lisäksi kaasukuplat vievät tilavuutta nesteeltä. Tämä pienentää järjestelmän jäähdytystehoa merkittävästi, koska kaasun lämmönsiirtokyky verrat-tuna veden lämmönsiirtokykyyn on pieni. Työssä esitellään myös muita mahdolli-sia suljetun järjestelmän kaasulähteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia. Alipainekaasunpoistimen kaasunerotustehokkuutta mitattiin jäähdytysvesinäyttei-den selkeytymisnopeudella ja lämmönsiirtimien tehon paranemisella. Kahden viikon tarkastelujaksolla selkeytymisajat paranivat 36–60 % eri mittauspaikoissa ja lämmönsiirtimien tehot paranivat 6–29 %. Järjestelmään kuitenkin jäi merkittävä määrä kaasua, vaikka laitteen käyttöä jatkettiin tarkastelujakson jälkeen, joten tavoitteisiin ei päästy. Tutkitun alipainekaasunpoistolaitteen ei todettu soveltuvan tehdasympäristöön kestämättömyyden, hankalakäyttöisyyden ja tehottomuuden takia. Tulokset kuitenkin osoittavat, että kaasunerotuksella on merkittävä vaikutus suljetun jäähdytysjärjestelmän toimivuuteen ja saavutettavaan jäähdytystehoon.

TCA Evaluation : Lab Measurements, Modelling and System Simulations

The study reported here is part of a large project for evaluation of the Thermo-Chemical Accumulator (TCA), a technology under development by the Swedish company ClimateWell AB. The studies concentrate on the use of the technology for comfort cooling. This report concentrates on measurements in the laboratory, modelling and system simulation. The TCA is a three-phase absorption heat pump that stores energy in the form of crystallised salt, in this case Lithium Chloride (LiCl) with water being the other substance. The process requires vacuum conditions as with standard absorption chillers using LiBr/water. Measurements were carried out in the laboratories at the Solar Energy Research Center SERC, at Högskolan Dalarna as well as at ClimateWell AB. The measurements at SERC were performed on a prototype version 7:1 and showed that this prototype had several problems resulting in poor and unreliable performance. The main results were that: there was significant corrosion leading to non-condensable gases that in turn caused very poor performance; unwanted crystallisation caused blockages as well as inconsistent behaviour; poor wetting of the heat exchangers resulted in relatively high temperature drops there. A measured thermal COP for cooling of 0.46 was found, which is significantly lower than the theoretical value. These findings resulted in a thorough redesign for the new prototype, called ClimateWell 10 (CW10), which was tested briefly by the authors at ClimateWell. The data collected here was not large, but enough to show that the machine worked consistently with no noticeable vacuum problems. It was also sufficient for identifying the main parameters in a simulation model developed for the TRNSYS simulation environment, but not enough to verify the model properly. This model was shown to be able to simulate the dynamic as well as static performance of the CW10, and was then used in a series of system simulations. A single system model was developed as the basis of the system simulations, consisting of a CW10 machine, 30 m2 flat plate solar collectors with backup boiler and an office with a design cooling load in Stockholm of 50 W/m2, resulting in a 7.5 kW design load for the 150 m2 floor area. Two base cases were defined based on this: one for Stockholm using a dry cooler with design cooling rate of 30 kW; one for Madrid with a cooling tower with design cooling rate of 34 kW. A number of parametric studies were performed based on these two base cases. These showed that the temperature lift is a limiting factor for cooling for higher ambient temperatures and for charging with fixed temperature source such as district heating. The simulated evacuated tube collector performs only marginally better than a good flat plate collector if considering the gross area, the margin being greater for larger solar fractions. For 30 m2 collector a solar faction of 49% and 67% were achieved for the Stockholm and Madrid base cases respectively. The average annual efficiency of the collector in Stockholm (12%) was much lower than that in Madrid (19%). The thermal COP was simulated to be approximately 0.70, but has not been possible to verify with measured data. The annual electrical COP was shown to be very dependent on the cooling load as a large proportion of electrical use is for components that are permanently on. For the cooling loads studied, the annual electrical COP ranged from 2.2 for a 2000 kWh cooling load to 18.0 for a 21000 kWh cooling load. There is however a potential to reduce the electricity consumption in the machine, which would improve these figures significantly. It was shown that a cooling tower is necessary for the Madrid climate, whereas a dry cooler is sufficient for Stockholm although a cooling tower does improve performance. The simulation study was very shallow and has shown a number of areas that are important to study in more depth. One such area is advanced control strategy, which is necessary to mitigate the weakness of the technology (low temperature lift for cooling) and to optimally use its strength (storage).