راهنمای جامع محاسبه ظرفیت برج خنک کننده

محاسبه بهترین سایز و ظرفیت برج خنک کننده، یکی از مهمترین اقداماتیست که بایستی از سوی صاحبان صنایع و مشتریان گرامی انجام شود. اما معمولاَ متقاضیان، از بابت انتخاب بهینه ترین ظرفیت برج خنک کن با استرس‌هایی مواجه هستند.

اینجاست که شرکت ناب زیست با داشتن تجربه و دانش کافی توانسته پاسخ نیازهای مشتریان داخلی و حتی برخی از درخواست های کشورهای همسایه را برآورده کند و در این راستا به خوبی در مورد کیفیت بالای ساخت کولینگ تاور عمل کرده است. به‌طوری که برای برجهای خنکساز خود، تضمین های چندین ساله را ارائه می دهد.

بمنظور تعیین طراحی و ارائه اندازه مناسب سیستمهای خنکساز جهت رفع نیازهای شما، شرکت ناب زیست با تیم حرفه ای خود این کار را آسان نموده است. بنابراین برای کشف نحوه اندازه گیری و انتخاب برج خنک کننده ، با ما در ادامه مطلب همراه باشید.

روش محاسبه ظرفیت برج خنک کن خود را بدانید

به منظور محاسبه ظرفیت برج خنک کننده باید ابتدا ظرفیت برودتی سیستم را برآورد نمود. بدین منظور نیاز داریم حجم یا دبی آب در گردش، دمای آب یا سیال ورودی و دمای مورد نیاز خروجی دستگاه را داشته باشیم. رعایت دو نکته اساسی در تخمین دمای خروجی کولینگ تاور ضروری میباشد:

• اول اینکه دمای خروجی تابع دمای مرطوب محیط محل نصب برج خنک کن میباشد.
• نکته دوم این است که اختلاف دمای ورودی و خروجی از یک حد مشخص نمیتواند تخطی کند.

با رعایت این دو نکته و طراحی ایده آل، ظرفیت برودتی براساس این سه فاکتور اساسی معین می‌گردد. البته عوامل دیگری در طراحی و تعیین ظرفیت دخیل میباشد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

چه هدف شما خنک کردن فرآیند صنعتی باشد و چه خنک کردن چیلر تراکمی و کندانسور HVAC، داده های مورد نیاز برای محاسبه حجم یکسان است. داده های زیر برای تعیین اندازه برج خنک کننده و انتخاب مدل مناسب مورد نیاز است:

• نرخ جریان برحسب GPM
• محدوده دمای کاری خنک کننده برحسب درجه فارنهایت (T1 – T2)
• دمای حباب مرطوب (نقطه شبنم) منطقه به درجه فارنهایت (Twb)

محاسبه بار حرارتی طراحی

بار حرارتی برج خنک کننده با نرخ جریان و دمای محدوده کاری تعیین می شود و با استفاده از فرمول زیر به دست می‌آید:

Heat Load (BTU/Hr) = GPM X 500 X Range (T1 – T2) °F

اگر محدوده خنک کننده، بار حرارتی و یکی از دو عامل دیگر (یا GPM یا ° محدوده خنک کننده) شناخته شده باشد، دیگری را می توان با استفاده از این فرمول محاسبه کرد.

GPM = Heat Load (BTU/Hr) / 500 X ° Range of cooling

° Range of cooling = Heat Load (BTU/Hr) / 500 X GPM The Design GPM and the °

توجه: محدوده خنک کننده، مستقیماً با بار گرمایی تناسب دارد.

نکته: در فرمول های بالا، 500 “عامل سیال” است که بر پایه آب به عنوان سیال انتقال دهنده‌ی حرارت استفاده می شود. ضریب سیال با استفاده از فرمول «وزن یک گالن آب (8.33 پوند) ضربدر گرمای ویژه آب (1.0) ضرب در 60 (دقیقه در ساعت)»، به دست می آید.

نحوه انتخاب و محاسبه توان برج خنک کننده

جدول محاسبه سایز و ظرفیت برج خنک کننده ممکن است گیج کننده به نظر برسد. اما پس از اینکه چند انتخاب انجام دادید، روند کار ساده می شود. اگر نیاز به تجدید نظر دارید، ممکن است از داده های زیر بتوانید ایده بگیرید. داده های طراحی زیر برای انتخاب برج های خنک کننده مورد نیاز است:

اولین قدم در انتخاب برج خنک کننده، تعیین بار اسمی سیستم است. از آنجاییکه برج یک تن تبرید بر اساس 15000 BTU/Hr شناخته می شود، فرمول آن اینگونه بیان می‌شود:

Nominal Load = GPM X 500 (Constant) X ° Range of cooling, 15,000 BTU/Hr/Ton or, the more simplified version of the same formula, Nominal Load = GPM X ° Range of cooling 30

نمودار انتخاب و عملکرد کولینگ تاورهای کانترفلو گروه صنعتی ناب زیست

ضریب تصحیح در محاسبه

هنگامی که بار اسمی خنک کننده محاسبه شد، باید یک مقدار از پیش تعیین نشده برای محاسبه دقیق ظرفیت و تناژ برج خنک کننده (مورد نیاز برای شرایط خاص زمان سرویس) تعیین شود. این ضریب تصحیح (DCF) برای سهولت یا دشواری خنک‌سازی بر اساس طراحی مشخصات همه برج‌های خنک‌کننده تنظیم می‌شود. ضریب تصحیح تن اسمی، با استفاده از نمودار انتخاب و عملکرد انواع برج خنک کننده؛ نظیر:

• جریان مخالف،
• جریان متقاطع
• مداربسته،
• هیبرید

و… تعیین می شود. توجه داشته باشید که منحنی ها به صورت سه بخش مجزا نشان داده شده‌اند:

1. بخش تصحیح دمای حباب مرطوب،
2. بخشهای رویکرد؛
3. و بخش ضریب چند برابر ظرفیت.

ابتدا خط Range را در بخش نمودار حباب مرطوب در قسمت سمت چپ بالای نمودار پیدا کنید. در امتداد خط Range به سمت تقاطع خط Wet Bulb حرکت کنید. اکنون در امتداد خط Wet Bulb به سمت APPROACH SECTION، در قسمت پایین سمت چپ نمودار حرکت کنید و در تقاطع خط Approach دست نگه دارید. پس از مشخص کردن این نقطه، به سمت بخش ضریب چند برابری ظرفیت برج خنک کننده (به سمت منحنی های سمت راست) حرکت نمایید. نهایتاَ در تقاطع خط محدوده دمای کاری توقف کرده و ضریب چند برابر ظرفیت را بخوانید.

محاسبه ظرفیت تناژ برج خنک کننده

تن برج خنک کننده با مقدار واقعی را می توان با ضرب تن خنک کننده اسمی که قبلا محاسبه شده بود، بر حسب ضریب (DCF) چند برابری ظرفیت محاسبه کرد. تن برج خنک کننده با حجم واقعی ظرفیت، برای شرایط خاص سرویس مورد نیاز است و برج خنک کننده بعدی باید برای زمان تعمیر و سرویس انتخاب شود.

در زیر نمونه های انتخابی برج برای سه برنامه مختلف نام برده شده است تا با روند محاسبات بیشتر آشنا شوید. مثال شماره یک بر اساس شرایطی است که به عنوان “طراحی نظری” شناخته می شود و دلیل آن بهره گیری از روش های تئوری و استفاده شده است. مثال دوم با عنوان «طراحی واقعی»، انتخابی بر اساس تنظیم پارمترهای مهم از طراحی تئوری و تبدیل آن به واقعی است. حالت سوم، «کاربرد اصلاح‌شده»، یک سیستمی است که آب چاه واقعی را به یک سیال در حال چرخش برج خنک‌کننده تبدیل می‌کند.

طراحی نظری و تئوریک ظرفیت برج خنک کننده (مثال 1)

حالتی نمادین برای محاسبه برج خنک کننده است که بر اساس طراحی نظری و تئوری (بر روی کاغذ) صورت می گیرد. شرایط زیر برای انجام محاسبات فراهم شده است:

• نرخ جریان آب عملیاتی 600 GPM است.
• میزان دمای آب گرم (T1) در برج خنک کننده 95 درجه فارنهایت است.
• دمای آب سرد (T2) مورد نظر در برج نیز 85 درجه فارنهایت است.
• مقدار دمای نقطه شبنم محل نصب (Twb) را نیز 78 درجه فارنهایت در نظر بگیرید.

اکنون می توانید با این اطلاعات، یک برج خنک کننده طراحی کنید:

جریان آب 600 GPM است. محدوده خنک‌کننده 10 درجه (T1 – T2) است. رویکرد به دمای حباب مرطوب 7 درجه (T2 – Twb) است.

ابتدا باید بار اسمی برج خنک‌کن تعیین شود:

درنتیجه با استفاده از فرمولی که در بالا بیان شد، مقدار 200 تن تبرید به دست می آید.

بار اسمی = 600 گرم در دقیقه x 10 درجه محدوده = 200 تن خنک کننده مورد نیاز.

بنابراین توان اسمی دستگاه مورد نیاز برای این مکان برابر است با 200 تن.

حال باید ضریب تصحیح تناژ اسمی (DCF) برای شرایط ایجادشده، تعیین شود:

محدوده خنک کننده 10 درجه بوده، مقدار رویکرد 7 درجه و دمای نقطه شبنم 78 درجه فارنهایت است. فلذا با استفاده از نمودار، نتیجه‌ی انتخاب و عملکرد برج خنک کننده جریان مخالف می شود. خط محدوده 10 درجه را در بخش نقطه شبنم نمودار (در قسمت سمت چپ بالای نمودار) را پیدا کنید. در امتداد خط محدوده 10 درجه، به سمت تقاطع خط نقطه مرطوب 78 درجه حرکت نمایید.

درادامه در امتداد خط مرطوب 78 درجه به سمت پایین حرکت کنید تا به بخش رویکرد، (بخش پایین سمت چپ) برسید. سپس در تقاطع خط تقریب 7 درجه توقف کنید. به قسمت CAPACITY MULTIPLIER FACTOR SECTION به سمت منحنی سمت راست بروید. همچنین در تقاطع خط 10 درجه بایستید و فاکتور MULTIPLIER CAPACITY را بخوانید که 1.0 است.

برای انتخاب برج خنک کننده مناسب برای این برنامه، 200 تن اسمی محاسبه شده را در ضریب ظرفیت (DCF) 1.0 ضرب کنید. همانطور که قبلاً گفتیم، ضریب تصحیح برای سهولت یا دشواری خنک‌سازی در رابطه با طراحی نظری تنظیم می‌شود. بنابراین در این مورد، از آنجایی که ضریب تصحیح ظرفیت 1.0 است، تن های نامی و واقعی دارای طرح تئوری یکسان هستند. یعنی می توان یک برج خنک‌کن مدل 200 تن تبرید را معرفی کرد.

نکته: در کنار مخزن فایبرگلاس ، استفاده از GRP برای پوشش بدنه کولینگ تاورها نیز بسیار رایج است.

طراحی شرایط عملیاتی (واقعی) کولینگ تاور (مثال 2)

اکنون یک برج خنک کننده را برای همان بار نامی 200 تنی به عنوان مثال شماره 1 انتخاب می کنیم. ولی با یک طرح نظری متفاوت. طی این مثال، شرایط زیر را در طراحی ظرفیت و تناژ خنکسازی، دخیل خواهیم نمود:

• نرخ جریان آب عملیاتی 300 GPM است.
• میزان دمای آب گرم (T1) در برج خنک کن 105 درجه فارنهایت است.
• دمای آب سرد (T2) مورد نظر برج خنک کننده نیز 85 درجه فارنهایت است.
• مقدار دمای نقطه شبنم محل نصب را هم (Twb) 76 درجه فارنهایت در نظر بگیرید.

اکنون میتوانید با در دست داشتن این اطلاعات، یک برج خنک‌کن باتوجه به فرمولهای شرایط واقعی محاسبه کنید:

جریان آب 300 GPM است. محدوده خنک کننده 20 درجه (T1-T2) و رویکرد نیز 9 درجه (T2- Twb) درنظر گرفته شود.

ابتدا باید بار NOMINAL برج خنک کننده تعیین گردد:

بار اسمی مساوی است با 300 ضرب در 20 درجه که برابر با 200 تن تبرید است. اکنون باید مقدار تصحیحی تن اسمی برای شرایط تعیین شده محاسبه شود. یک محدوده خنک کننده 20 درجه و یک رویکرد 9 درجه و دمای نقطه شبنم 76 درجه فارنهایت در دست داریم که با استفاده از نمودار، برج خنک کننده جریان مخالف انتخاب ما خواهد بود.

اکنون ابتدا خط 20 درجه را در قسمت سمت چپ بالای نمودار پیدا کنید. در امتداد خط محدوده 20 درجه به سمت تقاطع خط دمای حباب مرطوب 76 درجه حرکت کنید. همچنین در امتداد خط به سمت قسمت APPROACH، (در قسمت پایین سمت چپ نمودار) به سمت پایین حرکت کنید. روی تقاطع خط رویکرد 9 درجه توقف کنید. به قسمت CAPACITY MULTIPLIER FACTOR SECTION به سمت منحنی های سمت راست حرکت کنید و در تقاطع خط محدوده 20 درجه توقف کنید. (روی این نقطه، ضریب MULTIPLIER CAPACITY را بخوانید که در این مورد 0.62 است)

آخرین مرحله برای انتخاب برج خنک کننده مناسب برای این کاربرد، ضرب 200 تن خنک کننده اسمی مورد نیاز (که در بالا محاسبه شد)، در CAPACITY FACTOR که در این مورد 0.62 است. نتیجه محاسبات نشان میدهد که تن برج خنک کننده واقعی برای شرایط گفته شده، 124 تن است. (می توان یک کولینگ تاور با حجم 124 تن را انتخاب کرد)

نکته‌ی کاربردی طراحی: از آنجایی که ضریب تصحیح برای سهولت یا دشواری خنک‌سازی بر اساس طرح تئوری تنظیم می‌شود، در این مورد، شرایط واقعی آسان‌تر از طراحی تئوری است. انواع برجهای خنک‌کن در کنار دستگاه هواساز ، چیلر، فن‌کویل و…، در زمره‌ی اصلی ترین بخشهای سیستم‌های برودتی صنعتی جای دارند.

طراحی برج خنک کن بر اساس برنامه اصلاح‌شده (مثال 3)

در زیر نمونه‌ای از اصلاح «برنامه خنک‌کننده» به سیستم برج خنک‌کننده دارای سیال چرخشی ارائه شده است. یک برج خنکساز برای خنک‌سازی فرآیند مبدل حرارتی مورد نیاز است که اکنون با استفاده از آب چاه 55 درجه فارنهایت با سرعت جریان 1 میلیون گالن در روز خنک می‌شود.

در این مثال GPM تقریباَ 500 به ما ارائه شده است و دمای تخلیه به حوضچه برج در حدود 80 درجه فارنهایت باید باشد. با این اطلاعات می‌توانیم بار گرمایی را تعیین کنیم که برابر با:

 500 GPM x 500 x 25 ° R (80 ° F – 55 ° F) = 6,250,000 Btu/Hr است.

ما می‌توانیم طرح برج خنک کننده را برای بار حرارتی 6250000 Btu/Hr بر اساس Twb محل نصب ایجاد کنیم. بنابراین برای این مثال می‌گوییم 76 درجه فارنهایت تعیین شده است و با ایجاد دمای آب سرد معقول که رویکرد 7 درجه باشد، 83 درجه فارنهایت محاسبه می شود. آنچه اکنون باید تعیین کنیم، محدوده طراحی خنک کننده یا نرخ جریان طراحی مناسب بر اساس بار حرارتی تعیین شده است. بیایید نرخ جریان طراحی مناسب را با استفاده از محدوده خنک کننده معقول 15 درجه انتخاب کنیم. درنتیجه آب سرد که 83 درجه فارنهایت است؛ بعلاوه 15 درجه فارنهایت میشود:

98 درجه فارنهایت دمای آب گرم.

از فرمول بار حرارتی برای یافتن نرخ جریان طراحی استفاده و مقادیرتان را با مثال ما مقایسه کنید. برای این کار می توانید GPM 835 را انتخاب کرده و در فرمول جایگذاری کنید. با این کار شما با توجه به مولفه هایی همچون:

• بار حرارتی،
• دمای نقطه شبنم

و غیره که در بالا ارائه شده است، مقداری برابر با 418 تن اسمی را به دست خواهید آورد. پس از حساب این مقدار، اکنون زمان این رسیده است که با کمک نمودارهایی که در ابتدا معرفی شد، یک روند محاسبه ضریب را طی کنید. پس از انجام این کار، مقدار 0.83 بدست خواهید آورد که باید در تناژ اسمی ضرب شود. یعنی:

0.83 ضرب در 418 برابر است با 347 تن تبرید. در این شرایط توجه داشته باشید که بهتر است از یک برج خنک کن با حجم 350 تن تبرید استفاده کنید که بسیار اصولی و استانداردتر از 347 طراحی خواهد شد.

ارائه طرحهای جایگزین در محاسبات برج خنکساز

در پایان برای مثال آخر، چند حالت مختلف را نیز بررسی می کنیم. هدف از این کار اینست که بدانید عوامل مختلف چقدر در طراحی برج خنک کننده تاثیر دارند:

جایگزین شماره 1:

یک برج خنک کننده نیز می تواند برای این بار گرمایی بر اساس محدوده دمایی 25 درجه انتخاب شود. شرایط انتخاب را این گونه در نظر بگیرید که 500GPM، خنک‌سازی از 108 درجه فارنهایت تا 83 درجه فارنهایت بوده و 76 درجه فارنهایت میزان Twb است. در این صورت 418 تن اسمی را محاسبه خواهیم نمود که با توجه به:

• نمودارها و
• ضریب (DCF) به دست آمده،

باید به عدد 259 رسیده و در نهایت برج 260 تن را خریداری کنید.

جایگزین شماره 2:

ممکن است طرحی را انتخاب کنید که 110 درجه فارنهایت تا 83 درجه فارنهایت، محدوده کاری آن باشد. بنابراین سیال باید 27 درجه خنک شود و در این شرایط با توجه به فرمول، مقدار 465 GPM به دست خواهد آمد که برای ادامه کار از آن استفاده خواهیم کرد. سپس با کمک فرمول بعدی مقدار 418 تن بار اسمی را به دست می آوریم. (که در ادامه به کمک آن تناژ متناسب را انتخاب کنیم)

حالا با توجه به اعداد ذکرشده، باید از نمودار «DCF» مناسب را انتخاب کنیم که در این مقادیر، برابر با 0.58 می باشد. سپس به‌سادگی تناژ اسمی را در این مقدار ضرب کنیم تا مقدار دقیق برج مورد نیاز به‌دست آید:

418 ضربدر 0.58 = 242 تن میشود که بهتر است در این مورد 250 تن را انتخاب کنید.

انتخاب ظرفیت و حجم بیشتر

انتخاب حجم برج بیشتر (کمی بیشتر از حجم مورنیاز)، قطعا هیچ مشکلی برای شما به وجود نخواهد آورد. بلکه در سیستم خود دارای یک مکانیزم قوی تر خواهید بود که در زمان های خاص نیز پاسخگوی شما خواهد بود. بعنوان مثال ساعات اوج مصرف بار، از جمله‌ی زمان های خاص بشمار می آید.

البته اینکه بخواهید حجم برج را نیز بسیار بیشتر از میزان لازم انتخاب کنید، نوعی دور ریختن هزینه های مصرفی است. زیرا در این صورت برج خنک کننده شما به صورت متناسب کار نخواهد کرد و اغلب اوغات با کمترین توان خود به نیازها پاسخ خواهد داد. درنتیجه این روشی اشتباه برای بهره گیری از دستگاه است.

حجم برج را همچنین نباید کمتر از میزان محاسبه شده خریداری نمود. زیرا این کار باعث می شود برج خنک کننده شما پاسخگوی شما نباشد و شما مجبور به تهیه یک سیستم دیگر شوید. همچنین در بهترین شرایط ممکن نیز اگر کولینگ تاور کار شما را راه بیاندازد، در واقع این کار را مدام به کمک 100 درصد توان خود انجام داده و پس از مدت کوتاهی عمر مفید آن به پایان خواهد رسید. (بعلاوه همواره شاهد اختلال در تولید خواهیم بود. وجود برجهای کوچکتر از ظرفیت موردنیاز، برنامه های پیشرفت در آینده را نیز مختل می سازند!)