Chladicí věž
Chladicí věže slouží k odvodu nízkopotenciálního tepla z tepelného cyklu do atmosféry. Společně s výkonnými cirkulačními čerpadly, výměníky kondenzátorů a spojovacím potrubím tvoří chladicí okruh. Nejpoužívanější chladicí věže s přirozeným tahem tvoří vzhledem ke svým rozměrům dominantu energetické výrobny. Oteplená voda z kondenzátorů turbín je v nich rozstřikována systémem trysek na malé kapičky, které stékají a padají do bazénu pod věží. Protiproudně k nim je komínovým efektem nasáván okolitý vzduch, který se stykem s teplejšími vodními kapkami ohřívá, sytí odpařenou vodou a stoupá vnitřním prostorem věže až k její koruně. Párou nasycený vzduch nad věží je viditelný jako formující se oblaka.
Chladicí účinek věží je velice důležitý z hlediska efektivity výroby elektrické energie v elektrárně. Čím nižší je teplota chladicí vody za chladicí věží (vstupující do kondenzátorů), tím více energie se vyrobí. Voda ve věži se ochlazuje nejen prostou konvekcí, ale především odpařováním, kdy se skupenské teplo vypařování odebere kapičkám vody a odevzdává se vzduchu. Odpařené a tím ztracené množství vody se musí kontinuálně doplňovat vodou z externího zdroje, řeky.
Rozdělení chladících věží
Prvním kritériem rozdělení chladicích věží je způsob vytvoření tahu chladicího vzduchu. Podle toho jsou věže děleny na věže s přirozeným tahem a na věže s nuceným tahem. Chladicí systém věže může být dále otevřený, kdy dochází k přímému kontaktu ochlazované vody a vzduchu, nebo uzavřený, kdy jsou média od sebe izolována a přenos tepla probíhá jen přes teplosměnnou plochu. Specifickým typem chladicí věže je věž s uzavřeným chladicím systémem, který se z důvodu zvýšení odvodu tepla skrápí malým množstvím vody. Tato voda se odpařuje z teplosměnných ploch a teplo na odpaření odebírá systému.
Chladící věž s přirozeným tahem
Tyto věže jsou poměrně vysoké stavby a tvoří dominantu v krajině. Jsou vidět již z daleka a dá se říct, že představují jakýsi symbol elektrárny. Jejich výška, dosahující až 150 metrů, je dána principem práce chladicí věže a tím je vytvoření dostatečného přirozeného tahu vzduchu pomocí komínového efektu. Jediné, co je na věži vidět zvenčí, je materiál a tvar jejího pláště. Opláštění menších věží může být zhotoveno z materiálů, jako je sklolaminát, plast nebo plech; vyšší a větší věže mají plášť zhotoven ze železobetonu.
Tvarem připomíná chladicí věž nejčastěji rotační hyperboloid. Unikátní na tak vysokou stavbu je tloušťka stěn chladicí věže. U paty věže dosahuje několik desítek centimetrů, u koruny je to jen 15 až 20 cm. Celý plášť je po obvodu postaven na systému podpěrných sloupů, tvořících vstupní otvory pro nasávání okolního vzduchu do věže.
Technologické zařízení uvnitř věže tvoří betonový rošt s několika vrstvami výplní, systém rozdělení a rozstřiku vody a eliminátory zabraňující úletu malých kapiček vody. Celá tato kompozice je umístěna uvnitř věže nad hranou vstupních otvorů vzduchu ve výšce asi 10 až 20 metrů. Prostor nad eliminátory až ke koruně věže je úplně prázdný – slouží jen jako komín.
Ohřátá voda z kondenzátorů proudí mohutným potrubím do středu chladicí věže nad chladicí vestavbu. Tam vyvěrá a samospádem se rozlévá soustavou radiálních (paprsčitě uspořádaných) betonových kanálů až k obvodovému plášti. Z radiálních kanálů vychází do stran systém zavodňovacích trubek, na kterých jsou v pravidelných vzdálenostech instalovány trysky umožňující rovnoměrné rozdělení vody po celé ploše chladicí výplně. Rozstřikovaná voda padá na chladicí lamely, plastovou strukturu s množstvím vertikálních profilových kanálů, kterými stéká až na jejich spodní okraj. Cílem je vytvořit maximální ochlazovaný povrch vody. Z okraje lamel padá v podobě kapek do bazénu pod věží. Cesta vzduchu je přesně opačná. Vzduch proudí horizontálně vstupními otvory do prostoru mezi bazénem a chladicími lamelami. Tam se otočí směrem vzhůru a proudí skrz kanálky plastové výplně, systém rozstřiku a skrz eliminátory do prázdné části věže. Cestou vzduch odebere ochlazované vodě teplo, a protože je lehčí, stoupá věží vzhůru do atmosféry. Ochlazená voda, která odevzdala vzduchu a páře část své tepelné energie, je z bazénu pod věží čerpána zpět do kondenzátorů.
Ventilátorová chladící věž
Druhým nejčastějším typem chladicích věží jsou věže s nuceným tahem, který zabezpečuje ventilátor. Chladicí výplň i celý systém je totožný s předchozím typem věže, jen namísto vysokého komína je použitý podstatně nižší difuzor s instalovaným elektrickým ventilátorem. Výběr typu věže závisí na konkrétních podmínkách elektrárny. Výhodou ventilátorové věže je menší spotřeba materiálu na stavbu, kompaktnost a dobrá regulovatelnost, nevýhodou je samozřejmě stálá spotřeba elektrické energie motorem ventilátoru. Z důvodu omezené velikosti ventilátorů jsou ventilátorové chladicí věže větších energetických celků většinou tvořeny blokem menších samostatných buněk.
Regulace chladicího účinku věže je možná změnou průtoku chladicí vody, u ventilátorových věží je ještě možná regulace tahu vzduchu změnou otáček ventilátoru (pomocí frekvenčního měniče).
Dominanty areálu Temelínské elektrárny
Studený, nasávaný vzduch se od padající vody ohřívá a vlhký a teplý vystupuje vnitřkem věže až k její koruně. Při výstupu do volného prostoru pára částečně kondenzuje a vytváří viditelná oblaka. Z jedné věže se každou sekundu dostane do ovzduší asi 300 litrů vody. Odpařená voda je kontinuálně doplňována z nádrže vodního díla Hněvkovice, které zadržuje přes 20 milionů m3 vody.
Cirkulační voda z chladicích věží primárně slouží k chlazení kondenzátorů turbín, ale zahrnuje i tzv. technickou vodu nedůležitou, která je určena k chlazení dalších spotřebičů v hlavním výrobním bloku a v pomocných provozech. Jde o spotřebiče, které nejsou důležité z hlediska jaderné bezpečnosti. Bezpečnostně významná zařízení jsou chlazena systémem tzv. technické vody důležité, napojené na zajištěné elektrické napájení. Technická voda důležitá je ochlazována ve venkovních bazénech s rozstřikem chlazené vody. Celý systém technické vody důležité je pro svůj bezpečnostní význam ještě dvakrát zálohován (300 %).
Odpařování vody
U chladicích věží s přirozeným tahem je ochlazování vody způsobeno především jejím odpařováním při styku se vzduchem, kdežto u chladicích věží s uzavřeným systémem chladicí vody je přenos tepla do vzduchu zabezpečován prostřednictvím klasické konvekce – prostupem přes teplosměnnou plochu.
Vypařování vody jako fyzikální proces probíhá při všech teplotách, při kterých je voda v kapalné fázi. Na molekulární úrovni působí na molekuly vody přitažlivé síly, které je drží pohromadě. Na molekulu uvnitř kapaliny působí tyto síly rovnoměrně ze všech směrů a neomezují ji v pohybu. Pokud je molekula na hranici mezi kapalnou a plynnou fází, působí na ni větší přitažlivé síly ze strany kapaliny než ze strany plynu. To je dáno množstvím molekul, kterých je v plynné fázi podstatně méně. Hraniční molekuly tak vytvářejí povrchovou vrstvu – hladinu kapaliny, která působením přitažlivých sil zaujímá vždy co nejmenší plochu. Proto mají malé kapky vody tvar koule.
Podle kinetické teorie se molekuly vody v kapalině pohybují různou rychlostí – mají určitou kinetickou energii definovanou Maxwell-Boltzmannovým rozdělením. Pokud se molekula pohybuje směrem ke hladině a její kinetická energie je větší než přitažlivé síly zevnitř kapaliny, může projít povrchovou vrstvou, povrch kapaliny opustit a přejít do parní (plynné) fáze. Tato mezní kinetická energie se nazývá kritickou Ekr. Odpaření jsou schopny jen molekuly s energií větší, než je kritická energie, ostatní molekuly jsou udržovány v kapalině. Důsledkem přechodu energeticky bohatých molekul do parního skupenství je celkový pokles kinetické energie kapaliny, co se projeví jejím ochlazením.
Z uvedeného vyplývá, že množství odpařených molekul určuje stupeň ochlazení zbývající vody. Rychlost odpařování závisí na teplotě vody – čím teplejší voda, tím se intenzivněji ochlazuje. Dále závisí na styčné ploše vody se vzduchem – chladicí výplň je navržena tak, aby měla co největší povrch. A do třetice závisí rychlost odpařování na rychlosti odvodu par od hladiny kapaliny – rychlosti proudění vzduchu.