Verdamping bereken van water uit een koeltoren.

[Vogelg30]

Beste,
de volgende situatie als volgt.
1 open koeltoren met tegenstroom principe en geforceerde trek waarbij 300000m3/h buitenlucht doorheen wordt geblazen door een grote ventilator.

Water stroomt vanuit de bovenkant naar beneden uit sproeikoppen.
Dit met een volume van 300m3/h en een temperatuur van 45graden.
Na het koelen is de temperatuur van het water 35graden.

De relatieve buitenlucht vochtigheid is 70%

Hoe bereken ik de verdamping?

Gr. Geert

[Xilvo]

Zijn hier geen tabellen en/of vuistregels voor?
Als je 1 kg water 10 K afkoelt komt daarbij 10*4,18 kJ aan warmte vrij.
Om 1 kg water te verdampen heb je ca 2400 kJ nodig.

Als alle warmte die vrijkomt door het afkoelen van het water ten goede komt aan het verdampen dan zal je ongeveer 1,7% van het water kunnen verdampen.
Maar het water zal ook afkoelen door contact met de lucht, als die koeler is. Hoeveel dat is hangt af van de valsnelheid, druppelgrootte en temperatuur van de lucht. Die 1,7% is dan een bovengrens.

[irArjan]

Hier is geen makkelijk antwoord op te geven. Het zal deels verdamping zijn en deels gewoon convectie. De verdamping is een functie van veel dingen, o.a. totaal oppervlak dat de waterdruppels hebben die uit de sproeikoppen komen, de 'contact tijd' van lucht met water die bepaalt hoeveel tijd er is om te verdampen, en dan nog allerlei details over de stroming rond de waterdruppels zelf (turbulent, laminair, etc). Dus je zal opzoek moeten gaan naar literatuur hierover, wellicht dat mensen hier empirische regels voor hebben opgesteld. Of je zal iets van berekeningen moeten doen.

Twee boeken waar je wellicht meer info uit kan halen:
https://ahtt.mit.edu/wp-content/uploads ... TTv500.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Transport ... ena_(book)

[Vogelg30]

Oke,

Ik begrijp de complexiteit.

Even een simplificatie dan.

Ik heb 1m3 water 1x1x1 van 20 graden en blijft op deze temperatuur.
De dampspanning bedraagt dan 1.638Kpa

De lucht boven het water heeft een luchtvochtigheid van 70% en wordt iedere seconde volledig ververst.

Hoeveel water verdampt er op een uur?

Gr Geert

[Vogelg30]

Is er een formule welke laat zien wat de relatie is, tussen het verdampen van water, dampspanning, temp van water, luchtsnelheid, luchtvochtigheid?

Bijv.
Bij een dampspanning van 1,638Kpa en luchtvochtigheid van 70%. Kan er met een formule bepaald worden dat er zoveel moleculen water omhoog bewegen en wanneer de windsnelheid 1m/s bedraagt, deze watermoleculen dus uit het water verdampen.

Alvast bedankt

[OOOVincentOOO]

Ik snap de context niet. Wil je zelf een koelwater toren bouwen? Het ontwerp speelt ook een rol.

Als ik verder zoek en studeer met als zoekterm: "water loss cooling tower". Kom ik allerhande definities tegen. Het water verlies is niet alleen door verdamping maar ook door bijvoorbeeld: windage/drift van water meegedragen door wind.

Op wikipedia in de sectie: "Wet cooling tower material balance" kom je definities en balansen tegen.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower

Jouw simpele voorstelling hierboven lijkt op: "water evaporation pond/swimming pool".

[Vogelg30]

Hoi Vincent

Het is puur voor de nieuwsgierigheid. De vraag die mij dwars ligt is deze.

Wanneer je zoveel mogelijk wil verdampen, verhoog je beter de temperatuur van het medium of gebruik je beter meer flow?

Wanneer ik dus kan berekenen dat met de dampspanning en luchtvochtigheid een x aantal moleculen gaan opstijgen tot er net zo veel moleculen opstijgen als weer neerdalen, dat wanneer ik dit balans met geforceerde trek beïnvloed, dat ik dan feitelijk een antwoord heb op de bovenstaande vraag.

Is er een formule of tabel die verteld hoeveel moleculen opstijgen en neerdalen? Dit moet een relatie zijn tussen de dampspanning en luchtvochtigheid.?

Ik ben gewoon nieuwsgierig.. maar is wel werkgerelateerd er staan namelijk op werk 16 grote koeltorens welke een geforceerde trek van 300000kuub/uur hebben.

Hoop zo wat meer context te hebben gegeven.

Greet

[OOOVincentOOO]

Hallo,

Heb je gezocht onder de zoek termen wat ik gegeven had? "water loss cooling tower"

Deze is interessant: chemenonline.

Neem het artikel goed door. En stel gerichte vragen betreffende dit artikel. Anderen (ikzelf heb niet veel ervaring met deze materie) kunnen dan gerichte uitleg geven.

As a rule of thumb, for every 10°F (5.5°C) of water cooling, 1% total mass of water is lost due to evaporation. The humidity level of the up-flowing air stream increases, and once it leaves the tower the air stream is almost saturated. The temperature profile of the water and the wet-bulb temperature of the air along the height of a typical cooling tower is shown in Figure 1.

In ditzelfde artikel is een rekenvoorbeeld voor evaporation loss middels twee methoden:

Methode 1:
a Massa balans op te stellen met: verdampt water, flow droge lucht en absolute vochtigheid [kg water/kg dry air/h].
b) Energie balans opstellen met: flows lucht water en hun enthalpie.

Methode 2:
Half grafisch via onderstaande diagram.

Enkele opmerkingen:

• Zelf heb ik te weinig routine om zelf uitleg of rekenvoorbeelden te geven. Laat staan uitleggen.

• Dit soort opgaven heeft men informatie uit de praktijk nodig (empirisch) de efficiency bepaald door (contact oppervlakte, druppel afmeting, flow verdeling, andere variabelen).

• Verdamping verlies is niet het hele verhaal zie: evaporation loss ( e L), drift loss ( d L), blowdown ( L b), and other leakage losses ( O L)

Een model opstellen van detail (water druppeltje) naar het grote systeem is in geval van een koeltoren niet efficient. Men kan belanden in niet relevante bijzaken en details. Voor dit soort opgaven dient men de basisprincipes (wat bij mij niet meer parate kennis is) goed te kennen anders beland je in eindeloze zij discussies leuk voor in de koffiehoek.

[OOOVincentOOO]

Maar het water zal ook afkoelen door contact met de lucht, als die koeler is. Hoeveel dat is hangt af van de valsnelheid, druppelgrootte en temperatuur van de lucht. Die 1,7% is dan een bovengrens.

As a rule of thumb, for every 10°F (5.5°C) of water cooling, 1% total mass of water is lost due to evaporation. The humidity level of the up-flowing air stream increases, and once it leaves the tower the air stream is almost saturated. The temperature profile of the water and the wet-bulb temperature of the air along the height of a typical cooling tower is shown in Figure 1.

De uitleg van Xilvo is het meest eenvoudige en komt precies overeen met artikel welke ik linkte. Zijn methode in meer details opgeschreven:

1) Warmte/Energie nodig om water op te warmen af te koelen.
Soortelijke warmte is een eigenschap van een stof. Elke stof heeft dus zijn eigen soortelijke warmte. Soortelijke warmte geeft aan hoeveel warmte er nodig is om de temperatuur van een bepaalde stof met een bepaald aantal graden te verhogen.
$$Q=m \cdot c \cdot \Delta T$$
Q[: warmte/energie nodig om water op te warmen of af te koelen [J]
c: soortelijke warmte water, benodigde energie per gewicht en temperatuur. Voor water: 4180 [J/kg·°C].
m: massa water [kg]
ΔT: temperatuurverschil in [K] of [°C]

Voor 1 [kg] water dan 10 [°C] af te koelen komt de volgende energie vrij:
$$Q=m \cdot c \cdot \Delta T=1*4180*10=41800 \ [J]$$
Meer info: Natuurkunde

2) Warmte/Energie nodig om water te verdampen.
$$Q=m \cdot \Delta H_v$$
Q: warmte/energie nodig om water te verdampen
ΔH: verdampingswarmte voor water: 2257 [kJ/kg].

Voor 1 [kg] water dan volledig te verdampen is dit de benodigde energie:
$$Q=1 \cdot 2257 = 2257000 \ [J]$$
Meer info:Wiki, G


3) Verhouding water wat maximaal van verdampen:
Het slimme wat Xilvo doet is bepalen hoeveel water er maximaal kan verdampen. De verhouding tussen beide energien is het percentage water wat "theoretisch" maximaal kan verdampen.
$$\eta = \frac{41800}{2257000}=1.85 \ [\%]$$
Dus als ik een koeltoren heb met: 1000 [l/min] dan kan er maximaal/theoretisch: 18.5 [l/min] verdampen. Het artikel geeft aan dat het in de praktijk meer richting 1 [%] is.

Het percentage is iets hoger dan Xilvo 1.85 [%] ipv 1.7 [%]. Ik heb een iets andere verdampingswarmte van water genomen. Ik vermoed dat Xilvo deze getallen als vuistregels uit zijn hoofd weet!

[Xilvo]

Is er een formule of tabel die verteld hoeveel moleculen opstijgen en neerdalen? Dit moet een relatie zijn tussen de dampspanning en luchtvochtigheid.?

Die relatie moet er zeker zijn. Neemt de verdampingssnelheid toe, dan moeten er bij evenwicht ook meer watermoleculen per tijdseenheid uit de gasfase terug in de vloeistof komen. De verzadigingsdruk moet toenemen. Dat gebeurt dan ook.
Maar ik heb even heel grof gekeken wat de verdampingssnelheid zou moeten zijn als alle watermoleculen die op het wateroppervlak botsen ook in de vloeistof blijven. Dat geeft onrealistisch grote verdampingssnelheden. De conclusie moet zijn dat de meeste watermoleculen weer van het wateroppervlak terugstuiteren.

Hier vind je een empirische formule voor de verdampingssnelheid van water. Ik heb geen idee hoe nauwkeurig het resultaat is.

Let op, x en x_s zijn vochtigheden in kg waterdamp/kg droge lucht, meestal wordt de dampdruk en verzadigingsdruk gegeven. Die zul je om moeten rekenen met de molmassa's van water en lucht, 18 resp. 29.
Overigens is de verzadigingsdruk van waterdamp bij 20° C niet 1638 Pa maar 2339 Pa.

@Vincent

Het percentage is iets hoger dan Xilvo 1.85 [%] ipv 1.7 [%]. Ik heb een iets andere verdampingswarmte van water genomen. Ik vermoed dat Xilvo deze getallen als vuistregels uit zijn hoofd weet!

Nee, die ken ik niet uit mijn hoofd
De verdampingswarmte bij kamertemperatuur is wat groter dan die bij 100° C.

[Vogelg30]

Wauw tnx!

Hier heb ik wat aan!
Ik ga even stoeien met getallen
Laat jullie de uitkomst weten.

Gr