¿Por qué las torres de refrigeración de las centrales nucleares tienen esa forma?

Question

Las emblemáticas torres de refrigeración de la mayoría de las centrales nucleares tienen forma de hiperboloide. Wikipedia menciona que esto se debe a que la base ancha favorece la evaporación de la película fina y la punta estrecha acelera el flujo laminar. De todas las formas con base ancha y centro estrecho, ¿por qué los hiperboloides son la estructura preferida para una torre de refrigeración?

Además, la mayoría de las torres de refrigeración que he visto tienen la forma hiperboloide más allá del punto más estrecho en lo que parece ser aproximadamente la misma cantidad. ¿Hay alguna razón para ello?

Answer 1

El resto de las respuestas son informativas; para tener una visión completa, probablemente sea útil leer algo sobre la historia del diseño de estas torres.

Como otros han mencionado, las torres se construyen así porque ofrecen un buen equilibrio entre facilidad de construcción, propiedades de refrigeración y tolerancia a cargas y vientos. Esa es la respuesta sencilla. La respuesta larga es: las formas son el resultado de muchas décadas de análisis y ensayo y error, como suele ocurrir en ingeniería.

Este artículo de Harte ofrece una visión general del diseño y la construcción de estas torres en Alemania durante la década de 1990. Este antiguo artículo de Krivoshapko fue uno de los primeros en realizar modelos físicos de paredes delgadas de estas estructuras. Este célebre artículo de 2002 entra en gran detalle en el diseño de una torre de refrigeración de 200 metros en Niederaussem, profundizando mucho en la optimización de la forma. Observará que en este caso la estructura "óptima" no es realmente un hiperboloide, sino más bien un cilindro sobre un cono. No hay zona "divergente".

Por desgracia, sería difícil dar una respuesta sencilla y correcta en unos pocos párrafos; para saber cómo se diseñan como son, hay que entrar un poco en detalle en el diseño y la ingeniería. Pero la respuesta básica de "es una buena forma tanto por refrigeración como por propiedades estructurales" es probablemente una buena destilación.

Answer 2

Una torre de refrigeración tiene forma parabólica para mejorar la capacidad de refrigeración. Las torres de refrigeración actúan como un gran radiador para enfriar el agua utilizada para refrigerar las turbinas, de forma muy parecida al radiador de su coche.

En el interior, cerca de la base de la torre de refrigeración, hay un sistema de distribución de agua que distribuye uniformemente el agua caliente procedente de las turbinas accionadas por vapor. A medida que el agua se distribuye y cae a una piscina inferior, calienta el aire. Como todos sabemos, el calor asciende. El aire calentado arrastra consigo una enorme cantidad de vapor de agua a través de la torre de refrigeración. La gran abertura de la base permite que entre en la torre un gran volumen de aire. A medida que el aire húmedo calentado asciende, la velocidad del aire aumenta debido a la constricción que supone la forma parabólica de la torre de refrigeración. Esto se denomina efecto Venturi. Actúa de forma muy parecida al carburador de su coche.

A medida que el aire húmedo calentado se desplaza a mayor velocidad, se produce una reducción de la presión a través del estrechamiento. Por encima de la constricción, el diámetro de la torre de refrigeración se expande. A medida que el aire caliente húmedo acelerado entra en el espacio más grande, el aire húmedo se expande rápidamente. Esto provoca una disminución de la temperatura y enfría la humedad o el contenido de agua del aire. Muy parecido al evaporador de su aparato de aire acondicionado. El agua más fría cae a través de la torre de refrigeración a la piscina situada debajo para ser reutilizada para enfriar la turbina. Cuando el aire caliente sale por la parte superior de la torre de refrigeración, también arrastra consigo una cantidad de vapor de agua causada por la rápida expansión del aire. Por eso, cuando veamos un penacho de vapor de agua saliendo de la torre de refrigeración, podemos estar seguros de que la turbina está en funcionamiento produciendo la electricidad de la que todos dependemos para nuestra vida cotidiana.

En otras palabras, un gran volumen de aire caliente asciende por la torre de refrigeración arrastrando consigo una gran cantidad de humedad y vapor de agua. La forma parabólica causa una restricción en el flujo de aire a través de la torre de refrigeración. Esto provoca un aumento de la velocidad del aire. A medida que el aire se eleva por encima de la constricción, se expande rápidamente y provoca la evaporación. La evaporación enfría el aire y enfría la humedad y el vapor de agua. El agua más fría es más pesada y vuelve a caer en la piscina de abajo para ser reutilizada una y otra vez para enfriar las turbinas de vapor.

Answer 3

En primer lugar, no sólo las centrales nucleares tienen torres de refrigeración. A continuación se muestra una imagen de la "Jax Coal Plant" en Jacksonville, Florida :

¿Por qué necesitan torres de refrigeración las centrales eléctricas? Bueno, en el caso de una central de carbón como la de Jax, liberan mucho calor quemando todo ese carbón. El calor tiene que tener un lugar adonde ir, de ahí que la central necesite refrigeración. Lo mismo ocurre con las centrales nucleares: calientan agua y ese calor tiene que ir a algún sitio para que no se acumule hasta niveles peligrosos dentro de la central. De ahí que las centrales nucleares también tengan torres de refrigeración.

¿Por qué las torres de refrigeración tienen esa forma específica? Si fueran muy estrechas, un chorro de vapor muy potente correría a través de la constricción, lo que podría ser peligroso y causar una presión innecesaria en la torre de refrigeración.

¿Por qué no hacerlos anchos pero rectos en lugar de curvos? El hiperboloide forma es más sólida desde el punto de vista estructural. Si esto no tiene un sentido intuitivo para usted, lea el Artículo de Wikipedia sobre la estructura hiperboloide o busca en Google.

Answer 4

El diseño de la torre de refrigeración de una central eléctrica debe cumplir una serie de requisitos:

1. Tasa de pérdida de calor
2. Reciclaje del agua
3. Resistencia estructural

Modelo operativo básico

(Véase el esquema a continuación) El agua caliente fluye hacia la torre de refrigeración por tuberías hasta rociadores situados en el interior de la torre, en posiciones elevadas. El agua cae desde los pulverizadores hacia los estanques de captación situados en la parte inferior.

El aire frío se utiliza para enfriar el agua que cae: el aire frío entra por los huecos inferiores y fluye hacia arriba por el interior de la torre de refrigeración. A medida que el aire asciende, se encuentra con las gotas de agua que caen, enfriándolas y ganando calor. El aire más caliente asciende por la torre hacia el punto más estrecho, aumentando su velocidad a medida que lo hace. Una vez que el aire ha pasado el punto estrecho, comienza la mezcla con el aire atmosférico. Al mezclarse con el aire, se enfría más rápidamente, manteniendo la parte superior de la torre de refrigeración a una presión inferior a la de la parte inferior, con lo que se mantiene el flujo de aire.

Diseño y compromisos

Tasa de pérdida de calor

Razón de la forma general: se requiere una estructura hueca a través de la cual el aire caliente de la parte inferior, a una parte superior más fría, que está a una presión más baja. Más aire circulando por la torre significa mejor refrigeración, por lo que una torre que permita el paso de más aire es mejor (torre más ancha, más huecos en la parte inferior). El flujo de aire es impulsado por la diferencia entre la presión justo después del contacto con la temperatura del agua caliente y la presión del aire justo fuera de la parte superior de la torre de refrigeración. Esta diferencia de presión es una función del gradiente entre la temperatura del aire cuando interactúa con el agua caliente en su camino hacia arriba, y la temperatura del aire fuera de la parte superior de la torre de refrigeración.

Reciclaje del agua

Lo ideal es que toda el agua caliente caiga a los estanques de recogida tras ser enfriada por el aire.

Sin embargo, parte de esta agua se evapora, siguiendo la columna de aire hacia la atmósfera. Por lo tanto, es necesario limitar la velocidad del aire que circula por el interior de la torre para reducir la pérdida de agua por evaporación. Esto puede hacerse limitando el gradiente de temperatura entre la parte superior e inferior de la torre, es decir, limitando la altura de la torre (el aire caliente sube más rápidamente a través de una corriente de aire relativamente más fría), y/o limitando el caudal de agua caliente a través de los rociadores de una única torre de refrigeración (construir más torres de refrigeración).

Resistencia estructural

Por razones funcionales, la torre de refrigeración bien podría ser una serie de conos de líneas rectas, pero la forma hiperbólica de los lados de la torre de refrigeración proporcionan muy buena resistencia en comparación con otras formas (Ref) .

Además, la mayoría de las torres de refrigeración que he visto tienen la forma hiperboloide extendida más allá del punto más estrecho por lo que parece ser aproximadamente el mismo cantidad. ¿Hay alguna razón para ello?

Si se puede rebajar el cuello de la hipérbola, pero la base sigue siendo más ancha que la cúspide, para un diámetro mínimo fijo, esto significa claramente menos diámetro medio y, por tanto, menos costes de material de construcción.

Esquema de una torre de refrigeración (Ref)

Answer 5

Si la base de la torre está correctamente anclada a los cimientos para proporcionar una restricción estática, la forma es tal que evita que cualquier parte de la estructura entre en tensión de tracción durante una carga lateral impuesta por el viento.