Chladicí věž / Fyzikální principy

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.

Viditelné odpařování vody z hladiny jezera

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 ní 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 vytváří povrchovou vrstvu – hladinu kapaliny, která působením přitažlivých sil zaujímá vždy co nejmenší plochu. Proto mají malé kapky vody tvar koule.

Působení mezimolekulárních sil v kapalině a graf rozdělení kinetické energie molekul v kapalině

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 E_krit. 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.