برج خنک کننده مرطوب از کارآمدترین ابزارها در فرآیندهای مرتبط با دفع حرارت در نیروگاه‌‌های حرارتی، هسته‌ای و تجهیزات صنعتی به حساب می آید. مدلهای ریاضی معتبر برای هر سه ناحیه از برج با جریان مخالف به منظور شبیه سازی عددی دقیق تر نسبت به دیگران و بررسی عملکرد حرارتی آن ارایه شده است: با در نظر گرفتن مدل کامل براي یک برج خنک کننده تبخیری جریان مخالف شامل ناحیه‌های اسپری، هسته خنک کننده و باران، میزان تلفات آب کاهش می یابد.
در این مقاله سعی شده است تا اثر این نواحی در پدیده‌های انتقال جرم و حرارت در برج خنک کن مرطوب جریان مخالف مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. در این مقاله مدلهای ریاضی معتبر برای هر سه ناحیه از برج با جریان مخالف به منظور شبیه‌سازی عددی و بررسی عملکرد حرارتی آن ارائه شده است.
ارتباط تبخیر و آب جبرانی در برج خنک کننده
برای نسبت دبی‌های جرمی آب به هوای بزرگتر از یک، «تبخیر» مکانیزم کنترل کننده‌ی انتقال حرارت است. با کاهش درصد تلفات آب به دلیل تبخیر، میزان آب جبرانی لازم در برج خنک کن تبخیری نیز کاهش می یابد. منحنی دمای خشک هوا بدون تلفات آب، کاهش بيشتری را نشان می‌دهد که ناشی از انتقال حرارت جابه‌جایی بیشتر برای رسیدن به دمای آب است. نرخ تلفات، آب با افزایش نرخ جریان جرمی آب ورودی کاهش می‌یابد و از آنجا که با افزایش نرخ جرمی جریان آب ورودی، دمای آب خروجی از برج خنک‌کننده افزایش می یابد. این کاهش در نرخ تبخیر آب قابل پیش بینی است.
بطورکلی تبخیر در فرآیند خنکسازی آبهای داغ صنعتی (در کولینگ تاورهای مرطوب) اجتناب ناپذیر است. بنابراین پیشنهاد میشود حتی الامکان از قطره گیر برج خنک کننده استفاده شود. با انجام این امر، از میزان اتلاف سیال و نیاز به آب جبرانی کاسته خواهد شد. اسپری و باران حتی در برجهای خنک کننده مرطوب بزرگ نیز که ممکن است قسمت عمده‌ی انتقال حرارت کلی در این نواحی رخ دهد، چشم پوشی می شود. درعوض عواملی نظیر:
- مدلهای یک بعدی،
- معادلات مربوط به انتقال جرم و حرارت،
- خواص ترمودینامیکی مخلوط هوا و بخار آب،
- خواص آب و بخار آب،
- کارایی،
- راندمان حرارتی
و… برای بررسی مشخصه‌های عملکردی کولینگ تاور به کار برده شده است.
محصول پیشنهادی: دستگاه آب شیرین کن صنعتی
تأثیرات فشار محیط و جریان هوا در کولینگ تاور
به‌‌منظور بررسی پارامترهایی نظیر:
- اثر فشار محیط،
- فاکتور لوییس،
- شرایط هوای ورودی؛ و
- نسبت دبی جرمی آب به هوا بر مشخصه‌های عملکردی برج مثل کارایی،
در انجام محاسبه‌های مربوط به نرخ گذاری و حجم برج به جهت طراحی، مطالعه‌های پارامتری صورت پذیرفته است. توجه داشته باشید که:
یک برج خنک کن به طور کلی از سه ناحیه اسپری، هسته و باران تشکیل میشود. از خصیصه‌های ویژه برج خنک کننده جریان طبیعی، دارا بودن ارتفاع زیاد است.
هرچه ارتفاع بدنه مخروطی برج بیشتر باشد، نیروی شناوری القایی برای تولید جریان هوا بیشتر خواهد بود. به دلیل قیمت زیاد، این نوع برج ها تنها برای ظرفیت‌های خنک کنندگی بالا به‌کار می روند. در کولینگ تاور جریان مکانیکی یا اجباری، ایجاد جریان هوا از طریق یک یا چند فن صورت می پذیرد و کاربرد بیشتری نسبت به برج خنک کن جریان طبیعی دارند. این نوع از سیستمهای کولینگ می‌توانند کوچک یا بزرگ باشند. همچنین با تغییر سرعت دورانی یا زاویه پره‌های فن ها می توان کنترل به مراتب بهتری بر عملکرد برج داشت و به سه دسته:
- جریان مخالف مکشی،
- جریان متقاطع مکشی
- و جریان مخالف رانشی
تقسیم می شوند. کیهانی و همکاران به ایجاد ورتکس در پایین برج به دلیل:
- تفاوت سرعت جریانهای ورودی از سمت رو به باد و پشت به باد،
- کاهش دبی ورودی هوا در قسمت‌های کناری و پشتی برج؛
- و ایجاد پدیده درپوشی (به‌علت تفاوت اندازه حرکت جریان خروجی از برج و جریان باد)
اشاره دارند و معتقدند که منجر به افت عملکرد برج خنک کن میشود. ضمناَ بادهای عرضی، جریان هوا و میزان مقاومت در مقابل هوای ورودی به برج خنک کننده را تحت تاثیر قرار داده و سبب افزایش دما در محدوده‌هایی از برج می‌گردند که افت عملکرد سیستم کولینگ را به همراه دارد.
پیشینه مطالعاتی بررسی عملکرد حرارتی برج خنک کننده
مجموعه گسترده ای از منحنیهای طراحی برج خنک کن بر اساس تئوری مرکل توسط اشری فراهم شده است. برت سادرلند تحلیل پیچیده تری را برای برج خنک کن بدون استفاده از فرض‌های مرکل انجام داد و فهمید که برجهای جریان مخالف درصورتی‌که در روش مرکل، ضرایب انتقال جرم واقعی به کار برده شود می‌توانند بین ۵/ تا ۵ کوچکتر شوند. درادامه به چکیده‌ی برخی از مطالعات عملکردهای حرارتی برجهای خنک کن اشاره خواهیم نمود:
- نهاوندی و همکاران نشان دادند که چشم پوشی از تلفات تبخیر، خطایی را در نتایج مرکل ایجاد می‌کند که محافظه کارانه نبوده و ممکن است با توجه به شرایط طراحی تا ۱۲% برسد.
- برمن ذکر کرد که اثر تبخیر آب به نسبت کم بوده و با شرایط کاری تغییر می‌کند و مقداری که برای تعداد واحدهای انتقال NTU به دست می‌آید، %1/34 کمتر است.
- قریشی سه الگوریتم رایانه ای را برای بررسی سه سیمپسون و شرود داده‌های آزمایشگاهی شش نوع ماده متفاوت برای هسته در برج خنک کن با جریان مخالف را منتشر کردند. این اطلاعات برای طراحی و تحلیل محاسبه‌های برج به کار رفته اند. زبیر و قریشی نیز مدلی کامل از برج خنک کننده تبخیری را با درنظرگرفتن فرسایش در هسته برج ارائه کردند.
- برمن چگونگی کاربرد روش آنتالپی لگاریتمی میانگین LEMD را برای طراحی برج خنک‌کن توضیح داد و فاکتور تصحیح برای محاسبه انحنای منحنی آنتالپی هوای اشباع را ارائه نمود.
- جابر و وب نیز تئوری طراحی مبدل حرارتی را تحلیل کردند. تئوری‌هایی که میتوان آنها را با فرض‌هایی به‌طور تقریبی برای برج خنک کن به‌کار برد.
- برون مدلهای کارایی را برای کویل‌های سرمایشی و برج خنک کن به کار برد.
- کامارگو و ابینوما، معادلات حاکم بر سیستمهای سرمایش تبخیری مستقیم و غیرمستقیم و توسعه ریاضی معادلات مرتبط به پدیده انتقال حرارت را ارائه نموده‌اند.
- هالدر و لوی تاثیر شکل غیرکروی قطره‌های آب را بر روی 3 عامل در یک برج خنک کن تبخیری طبیعی بررسی کردند. عواملی همچون: جریان، انتقال جرم و حرارت.
- فیزنکو و همکاران، مدلی ریاضی به منظور توصیف سرمایش تبخیری قطره‌های آب عرضه داشتند. او اعتقاد داشت که یک اندازه‌گیری آزمایشی می‌تواند برای تخمین قطر موثر قطره‌ها انجام شده و مدلی یکسان به منظور ارزیابی هر دو ناحیه اسپری و باران استفاده گردد.
- با وجود اینکه محققانی همچون جانسون، لوو کریستی و کال مشخصه‌های پدیده‌های انتقال را به صورت آزمایشگاهی و تصحیح شده برای انواع مختلف هسته قطره ای ارائه کردند؛ ولی آنها نیز ابعاد و اثر نواحی اسپری و باران را درنظر نگرفتند.
نتایج ترکلد برای در نظرگیری میزان تبخیر
ترلکلد نیز مطالعه‌هایی پیرامون اثر درنظرگرفتن یا صرف نظرکردن از مقدار تبخیر آب برجها انجام داد. او بیان کرد که هیچ یک از تحلیل‌های موجود در حالت کلی برای محاسبه خطای مرکل راضی‌کننده نیستند. به‌بیان دقیق تر، او یک رفتار تئوری واحد را برای تحلیل حرارتی:
- برجهای خنک‌کن،
- کولرهای سیال تبخیری و
- کندانسورهای تبخیری،
ارائه و روش‌های محاسباتی خاصی را برای اندازه‌گیری و نرخ گذاری هر نوع مبدل حرارتی بررسی کرد. البته که وی عنوان میدارد برای دستیابی به میزان دقیق عملکردهای حرارتی کولینگ تاورها، باید تأثیر تبخیر را درنظر گرفت.
معادله‌های حاکم بر برج خنک کننده
فرض‌های به کار رفته برای تولید معادله‌های مدل سازی برج به طور خلاصه در زیر آورده شده است:
- انتقال جرم و حرارت فقط در راستای عمود بر جریان ها می باشد.
- انتقال جرم و حرارت از طریق دیواره‌های برچ به محیط پیرامون ناچیز درنظر گرفته میشود.
- انتقال حرارت از فن‌های برج به هوا و جریان آب ناچیز درنظر گرفته میشود.
- توزیع دمای آب در هر سطح مقطع یکنواخت است.
- برج دارای سطح مقطع ثابت است.
حجم کنترل برای موازنه جرم و انرژی برج خنک کننده مرطوب.
در برج هاي خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلي و اساسي را داشته و هدف نيز همان خنک کردن آب است. اين نوع دستگاه‌ها که خود به چند گروه و دسته تقسيم مي شوند در صنعت داراي کاربرد فراواني هستند. از برجهاي خنک کننده خشک بيشتر در مکانهاي که آب کافي براي خنک کردن برج وجود ندارد استفاده مي شود. عمل خنک کردن آب را نيز ميتوان از برجهاي سيني دار بصورت مرحله اي انجام داد. ولي عملاً بعلت وجود هزينه‌هاي زياد ساخت، نگهداري و کنترل سيستم اين روش، معمول نمي باشد.
براي انجام عمليات خنک سازي آب مي توان از برجهاي آکنده و سيني دار استفاده نمود. با وجود اين در مواردي که فازهاي مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراواني و ارزان بودن فازهاي فوق بدلايلي که در بالا اشاره شد از دستگاه‌هاي ديگري استفاده مي گردد که ساختن و نگهداري آنها مستلزم هزينه‌هاي زيادي نمي باشد. از اين جهت بيشتر دستگاههايي که در مقياس صنعتي بکار مي رود ساختمان و خصوصيات بسيار عمده ای را دارا هستند که اينک به انواع مختلف اين دستگاه‌ها اشاره مي شود.
نکته: همواره در طی فعالیت کولینگ تاورها، ممکنست آب سخت به دستگاه راه یابد. به‌جهت افزایش راندمان سیستمهای خنک کننده میتوان از دستگاه سختی گیر آب به عنوان یک محصول جانبی و کارآمد استفاده نمود.
محاسبات انتقال حرارت توسط سیالات کولینگ تاور
مقدار گرمايی که بوسيله مايعي جذب يا دفع مي شود، از رابطه زير بدست مي آید:
E=W×S×ΔT که در این رابطه:
- E: گرماي دفع يا جذب شده بر حسب BTU/hr يا CAL/hr
- W: دبي مايع خنک شونده بر حسب lb/hr
- S: گرماي ويژه مايع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
- ΔT: کاهش دماي مايع خنک شونده بر حسب f
در حاليکه عمل خنک شدن از طريق تبخير انجام مي گيرد گرماي نهان تبخير از دست داده شده بايد به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرماي نهان تبخير در دبي
مقدار تبخير بستگي دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنين شدت جريان هوا دارد. براي اينکه حداکثر بهره برداري که در طرح آن بکار رفته است رعايت شود در برجهاي خنک کننده که آکنده‌هاي آن از نوع مي باشد آب به صورت قطره‌هاي در سطوح برج پخش مي شود تا سطح وسيعي بوجود ايد. البته براي اين منظور مي توان از آکنه‌ها یا پکینگهای نوع اسپلش نيز استفاده کرد.
جريان هوا در برج به صورت کشش طبيعي با استفاده از دودکش هاي هذ لولي شکل يا کشش مکانيکي بوسيله بادبزنهاي مناسب در جهت مخالف آب و يا به طور متقاطع با آن به جريان مي افتد.
پارامترهای موثر در طراحی برج خنک کن
عوامل مؤثر در طراحي برجهاي خنک کننده را بطور خلاصه مي توان بصورت زير بيان کرد:
- نوع آرایش برخورد میان سیال و جریان هوای خنک ورودی
- ميزان افت درجه حرارت (اختلاف دماي ورودي وخروجي برج) دلتا t
- اختلاف بين درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
- دماي مرطوب محيط: اصولاً خنک کردن آب زير اين دما غير ممکن است.
- شدت جريان آب
- شدت جريان هوا
- نوع پکینگ برج خنک کننده
- روش پخش آب و آرایش افشانه‌ها و هماهنگی شکل دستگاه با آن و غیره.
توجه به جنس بدنه این دستگاه‌ها نیز بسیار حائز اهمیت است. غالباَ بیش از 85% از برجهای خنکساز از جنس فایبرگلاس ساخته میشوند. مقاومت بینظیر، عدم سایش پذیری و عمر طولانی فایبرگلاس‌ها موجب شده تا از این متریالها در بدنه تجهیزات آشپزخانه صنعتی، مخزن فایبرگلاس، خودروها، تجهیزات فاضلابی و… نیز استفاده شود.
نکته: هنگام طراحی برجهای خنکساز، توجه به رابطه افت دما و میزان تبخیر بسیار مهم است. مجموعاَ برای هر 10 درجه فارنهايت افت دما در برج خنک کننده، ميزان تبخير در حدود يک درصد کل آب در حال گردش می باشد.