Cooling towers are used to dissipate heat from air conditioning or industrial process systems. Many of the air conditioning systems currently in use only operate during the summer cooling season, but there are numerous air conditioning and process systems that require cooling year-round. In some cases, the entire cooling system is required to operate during the winter. The cooling tower is required to provide the same 85° F (30° C) or colder water to the system as it does in the summer, but it does so at lower ambient temperatures. However, there are some applications designed to use the cooling tower for “free cooling”. Free cooling is when chilled water is cooled by cooling tower water through the use of heat exchangers without the use of refrigerant compressors. Free cooling can be accomplished when ambient conditions allow the cooling tower to produce “chilled water” for the system.
When the cooling tower is providing “chilled water” to the system, there are periods of time when it must operate in subfreezing conditions. During these periods, when the tower is subjected to very cold ambient conditions, there is greater potential to produce ice in the cooling tower or elsewhere in the system. If an inappropriate cooling tower design is chosen, or if the unit is not operated or winterized properly, excessive amounts of ice can form in the unit resulting in decreased capacity, operational difficulties, and potential damage to the tower.
Cooling tower performance in free cooling applications is dependent upon both the system and cooling tower design. The control sequences applied to the cooling system must consider management of both the air and water side of the cooling tower. It is essential that the proper control sequences be applied during free cooling to ensure adequate operation of the cooling tower during low ambient conditions.
When a requirement for free cooling is specified for a project utilizing cooling towers, certain considerations must be made from the very beginning of the project design.
First, special care must be taken when laying out the cooling towers to prevent recirculation due to poor tower location and prevailing winds. If a strong prevailing wind is present, adding “wind walls” to an induced draft tower should be considered.
Second, the cooling tower should be equipped with basic options such as basin heaters, electric water level control, and vibration switches to prevent operational issues due to basin freezing if a remote sump is not possible.
Lastly, capacity control must also be carefully considered, especially if the winter cooling load is significantly less than the summer load. Shutting down individual cells of a multiple cell cooling tower or employing a low-flow header on a singe cell should be utilized. A minimum leaving water temperature of 45°F must be maintained at all times.
In a counterflow cooling tower, the fill is completely enclosed and protected from outside elements, such as wind, that can cause freezing of the fill pack in low ambient conditions. Additionally, the fill pack is supported from below to prevent sagging in the event freezing should occur due to a system imbalance. The fans, fan motors, and drive systems of Evapco counterflow cooling towers are also designed to be safely run in reverse at up to 50% normal fan speed. However, there are several items to consider when operating a counterflow cooling tower in a free cooling mode.
This engineering bulletin will examine the cooling tower design considerations for both forced and induced draft units, and proper maintenance procedures to ensure successful operation of the cooling tower during free cooling.
Normal Operation
An examination of free cooling should begin with a review of the normal operation of the cooling tower during the summer cooling season. The schematic shown in Figure 1 details the operation of the cooling system during typical summer conditions. The chiller is operational and cooling the system chilled water. In a traditional system, the chilled water returns from the conditioned space at 55° F where it has absorbed the heat from the conditioned space. It is then cooled in the evaporator shell of the chiller before being sent back to the conditioned space at 45° F. For these conditions, the chiller and the cooling tower are operating while the heat exchanger shown is isolated from the system and is not included in the system operation.
Simultaneously, the cooling tower is absorbing the building load plus the heat of compression. The cooling tower then transfers this heat load to the atmosphere. In a typical air conditioning system, the water leaves the condenser shell of the chiller and enters the cooling tower at 95° F. The hot water is then cooled to 85° F and then sent back to the condenser shell of the chiller to continue the heat transfer process.
Free Cooling Operation
During free cooling, the chiller is not operating. The cooling tower absorbs the building heat load and rejects it to the atmosphere. During the free cooling operation, the cooling tower does not need to remove the heat of compression since the chiller is not operating. The chiller is isolated, and the water from the cooling tower and the conditioned space is bypassed to the heat exchanger. Low ambient conditions allow the cooling tower to provide “chilled water” temperatures as low as 45° F to the primary side of the heat exchanger where it absorbs the building heat load before being returned to the cooling tower. A 2° F approach can be achieved in the heat exchanger where 47° F water on the secondary side provides cooling to the building. Since the cooling loads and the requirement to remove the humidity from the building are reduced in the winter, the “free cooling” chilled water temperatures can be higher than those during summer operation.
The temperatures shown in the schematic are typical but are dependent on system loads, winter design conditions, and desired building temperatures. The design engineer is responsible for defining the system parameters which will allow you to select an appropriate cooling tower for the free cooling operation.
Free Cooling: System Design Considerations
When considering a free cooling application, it is important to properly plan the design of the cooling tower system. The following items should be considered during the design phase of a project:
- Cooling Tower Selection
- Unit Layout
- Cooling Tower Piping
- Cooling Tower Accessories
- Transition from Free Cooling to Mechanical Cooling
Cooling Tower Selection
The first item to consider when designing a cooling tower system is the primary design condition – summer conditions or winter (free cooling) conditions. This design condition will drive the unit selection. If the winter condition is driving the unit selection, a larger unit will be required than would be normally selected for summer only operation. This occurs because it is more difficult for the cooling tower to reject heat at low ambient operating conditions.
Further, although a single cell unit may meet the summer and winter design conditions, a multiple cell unit may be a better selection for winter operation. Since the water flow rate for winter operation may be less than the summer flow rate, it can be concentrated in fewer cells, which allows the flow rate per cell to remain high, thus reducing the potential for ice formation inside the tower. Multiple cell units also provide backup capacity if an operating cell requires defrosting or were to fail.
Unit Layout
In ogni progetto è necessario prestare particolare attenzione alla posizione e al layout corretti delle torri di raffreddamento. È necessario garantire un flusso d'aria adeguato e senza ostacoli sia per l'aspirazione che per lo scarico dell'unità. È imperativo per le torri di raffreddamento utilizzate per il freecooling la disposizione dell'apparecchiatura riduce al minimo il potenziale di ricircolo.
Durante il funzionamento estivo, il ricircolo può ridurre drasticamente la capacità della torre di raffreddamento, tuttavia durante il funzionamento invernale può provocare il congelamento della condensa sulle alette di aspirazione, sui ventilatori, sugli alberi dei ventilatori e sugli schermi dei ventilatori. L'accumulo di ghiaccio in queste aree può influenzare negativamente il flusso d'aria verso l'unità o, nei casi più gravi, portare al guasto di questi componenti. Le società di produzione e consulenza incoraggiano fortemente l'uso di un interruttore a vibrazione sulle unità destinate al funzionamento invernale.
Vedere la Figura 3 per le installazioni corrette ed errate per le unità a tiraggio forzato e indotto. Le prestazioni della torre di raffreddamento possono essere influenzate dai venti dominanti. I forti venti possono creare condizioni di ghiaccio sulle feritoie di ingresso e sugli schermi dei ventilatori, influenzando negativamente il flusso d'aria alla torre.
Inoltre, i venti dominanti in una disposizione inadeguata delle unità possono causare un flusso d'aria verso il basso dell'aria di scarico carica di umidità, che può condensare sulle superfici dell'unità e congelare rapidamente. Questo fenomeno favorisce la formazione di ghiaccio sulle prese d'aria delle unità a tiraggio indotto e sui ventilatori delle unità a tiraggio forzato.
Tubazioni della torre di raffreddamento
Quando si progetta un sistema a torre di raffreddamento per applicazioni di freecooling, è necessario considerare diversi dettagli delle tubazioni per garantire il corretto funzionamento invernale dell'unità. È necessario incorporare un bypass della torre di raffreddamento nella progettazione del sistema per consentire all'acqua di “bypassare” il sistema di distribuzione dell'acqua della torre come mezzo di controllo della capacità durante condizioni di basso carico. Esistono diversi modi per progettare le tubazioni del sistema per accogliere il bypass della torre di raffreddamento.
Si consiglia di installare il bypass della torre di raffreddamento nel sistema di tubazioni dell'acqua del condensatore. Un bypass installato in questo modo richiederà una sezione di tubo tra la mandata e il ritorno dell'acqua del condensatore che porta da e verso la torre di raffreddamento.
Il bypass dell'acqua della torre di raffreddamento direttamente nel bacino dell'acqua fredda è un altro metodo di bypass della torre di raffreddamento. In entrambi i metodi di bypass (nelle tubazioni del sistema o nel pozzetto della torre), è buona pratica installare la valvola di bypass al di sotto del livello del bacino dell'acqua fredda per garantire una buona pressione sulla valvola.
Indipendentemente dal tipo di dispositivo di bypass utilizzato, si consiglia di utilizzare solo a BYPASS A FLUSSO TOTALE essere utilizzato durante il funzionamento in freecooling. Ciò significa che la portata totale alla torre deve essere inviata al sistema di distribuzione dell'acqua o bypassata.
ANCHE SE PUÒ ESSERE ACCETTABILE UTILIZZARE UN BYPASS PARZIALE DURANTE L'ESTATE, NON UTILIZZARE MAI UN BYPASS PARZIALE DELLA TORRE DI RAFFREDDAMENTO DURANTE IL FUNZIONAMENTO FREE COOLING!
Un flusso ridotto sulla torre può provocare un flusso d'acqua irregolare sul mezzo di trasferimento del calore (riempimento) che può causare incrostazioni durante il funzionamento estivo e formazione di ghiaccio durante il funzionamento invernale.
Freeze Protection
Un'altra considerazione importante durante la progettazione del sistema di freecooling è garantire che le tubazioni e gli accessori necessari siano tracciati termicamente e isolati. Tutta l'acqua all'interno della torre di raffreddamento viene drenata (per gravità) nel bacino dell'acqua fredda: non sono necessarie ulteriori disposizioni all'interno della torre di raffreddamento. Tuttavia, tutte le tubazioni esterne che non scaricano (linee dell'acqua di reintegro, equalizzatori e tubazioni montanti) devono essere tracciate termicamente e isolate per garantire che non congelino. Anche gli accessori delle tubazioni del sistema (acqua di reintegro e valvole di controllo, pompe di circolazione dell'acqua e pacchetti di controllo del livello dell'acqua) richiedono il tracciamento elettrico e l'isolamento. Se uno qualsiasi di questi elementi non è tracciato termicamente e isolato, la conseguente formazione di ghiaccio in questi componenti potrebbe causare guasti con conseguente arresto della/e torre/i di raffreddamento.