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
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 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 افزایش می یابد. این کاهش در نرخ تبخیر آب قابل پیش بینی است.
بطورکلی تبخیر در فرآیند خنکسازی آبهای داغ صنعتی اجتناب ناپذیر است. بنابراین پیشنهاد میشود حتی الامکان از قطره گیر استفاده شود. با انجام این امر، از میزان اتلاف سیال و نیاز به آب جبرانی کاسته خواهد شد. اسپری آب 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 دستگاه به کار برده شده است.
تأثیرات فشار محیط و جریان هوا
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. هرچه ارتفاع 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 مدلهای جریان مکانیکی یا اجباری، ایجاد جریان هوا از طریق یک یا چند فن صورت می پذیرد و کاربرد بیشتری نسبت به مدل جریان طبیعی دارند. این نوع سیستم‌ها 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؛
- و ایجاد پدیده درپوشی به‌علت تفاوت اندازه حرکت جریان خروجی از برج و جریان باد
اشاره دارند و معتقدند که منجر به افت عملکرد خنک کاری میشود. ضمناَ بادهای عرضی، جریان هوا و میزان مقاومت در مقابل هوای ورودی را تحت تاثیر قرار داده و سبب افزایش دما در محدوده‌هایی از برج می‌گردند که افت عملکرد سیستم را به همراه دارد.
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 0.5 تا 8% کوچکتر شوند.
- 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 12% 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 را با درنظرگرفتن فرسایش در هسته برج ارائه کردند.
- برمن چگونگی کاربرد روش آنتالپی لگاریتمی میانگین LEMD را برای طراحی توضیح داد و فاکتور تصحیح برای محاسبه انحنای منحنی آنتالپی هوای اشباع را ارائه نمود.
- جابر و وب نیز تئوری طراحی انواع مبدل حرارتی را تحلیل کردند.
- برون مدلهای کارایی را برای کویل‌های سرمایشی 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 جریان، انتقال جرم و حرارت را بررسی کردند.
- 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.
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 انواع مبدلهای حرارتی 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 مبدلهای حرارتی، باید تأثیر تبخیر را در نظر گرفت.
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.
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.
همواره در طی فعالیت سیستمهای خنک کاری تبخیری، ممکنست آب سخت به دستگاه راه یابد. به‌جهت افزایش راندمان و جلوگیری از جرم گرفتگی میتوان از دستگاه سختی گیر آب به عنوان یک محصول جانبی و کارآمد استفاده نمود.
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 آب به صورت قطره‌هايی در سطوح برج پخش مي شود تا سطح وسيعي بوجود ايد.
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.
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 مدیا
- 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 توجه به رابطه افت دما و میزان تبخیر بسیار مهم است. مجموعاَ برای هر 10 درجه فارنهايت افت دما، ميزان تبخير در حدود يک درصد کل آب در حال گردش می باشد.
