طراحی برج خنک کننده با استفاده از نرم افزارهای مهندسی

آب خنک کاری(کولینگ واتر) پس از چرخش در داخل دستگاه ها و ماشین آلات، انرژی حرارتی را از آنها می گیرد و دمایش زیاد می شود. برای خنک کردن آب پروسس، معمولا از برج خنک کن استفاده می کنیم. حساسیت دستگاهها و خطوط تولید به دمای زیاد موجب می شود که اگر برج خنک کننده بی کیفیت بوده و یا راندمان عملکرد پایینی داشته باشد، امکان دارد کل خط تولید یک کارخانه متوقف گردد.

اهمیت Cooling tower در کارخانه ها

با توجه به توضیح بالا، می توانیم بگوییم: کولینگ تاور قلب سیستم خنک کاری یک کارخانه است. بنابراین انتخاب و خرید یک برج خنک کن باکیفیت و استاندارد، اهمیت خاصی دارد. برخی از مدیران فنی و مالکین کارخانه ها، تصور می کنند خریدن یک Cooling tower ارزان، باعث صرفه جویی در هزینه ها می شود. اما واقعیت این است که خرید ارزان، معمولا هزینه و زمان تعمیرات را بالا می برد. به همین خاطر است که برج ارزان و بی کیفیت باعث دردسر همیشگی پرسنل تعمیرات و نگهداری خواهد شد و مقدار تولید مجموعه را هم کم می کند. این مساله در بازار رقابتی این روزها، مثل دور ریختن بخش زیادی از حاشیه سود تولید خواهد بود.

بخاطر طولانی بودن این مقاله و راحتی دسترسی شما خوانندگان عزیز به بخش مورد نظر، در ابتدا فهرستی از تیترهای این مطلب قرار می دهیم تا با کلیک بر روی هر عنوان، به بخش مورد نظر منتقل شوید. ، دستگاهی است که دمای سیال یا آب را با استفاده از تبخیر سطحی کاهش می دهد. بدلیل راندمان مناسب، کم هزینه و ساده تر بودن کاهش دما بر مبنای تبخیر سطحی نسبت به استفاده از چیلر یا ایر-کولر، استفاده از برج خنک کننده صنعتی در صنایع مختلف گسترش یافته است.

تصویر مقایسه نوع کارکرد برج خنک کن جریان مخالف و جریان متقاطع برج خنک کننده انواع مختلفی دارد که پر مصرف ترین آنها، کولینگ تاور فایبرگلاس پکیج است. این نوع از Cooling tower در کارخانه شرکت سازنده و به صورت کامل تولید می شوند و نیاز به ستون جداگانه و بدنه بتونی یا کامپوزیت و فایبر مونتاژ در محل ندارند. مناسب ترین نوع برج پکیچ، کولینگ تاور مکعب شکل کانترفلو (جریان مخالف) است. البته در زمان خرید باید حتما به کیفیت محصول و داشتن استاندارد از طرف تولید کننده توجه داشته باشید. فراموش نکنید که برج خنک کن مخروطی(مدور یا بطری) شکل از نظر کیفیت و عملکرد سطح بسیار پایینی دارد و به خاطر ایرادها و مشکلات تعمیر نگهداری، انتخاب بسیار خطرناکی است.

دسته بندی انواع برج خنک کن در ابتدای این مطلب گفتیم که کارکرد برج خنک کننده بر اساس تبخیر سطحی آب است. وجود پکینگ برج خنک کننده باعث حفظ سطح بیرونی تجهیزات و جلوگیری از خدشه‌ها و زخم‌های ناشی از تماس با عوامل خارجی می‌شود . پس برای اینکه متوجه شویم برج خنک کن چیست و چطور کار می کند، می خواهیم در مورد کلمات کلیدی مرتبط با Cooling tower توضیح دهیم. در این بخش مفهوم تبخیر سطحی که از مبانی انتقال حرارت در برج خنک کن است، را بررسی می کنیم.

شماتیک کلی مسیر حرکت هوا و آب و نحوه عملکرد برج خنک کن تبخیر سطحی فرآیندی است که در آن، مایع مورد نظر به حالت بخار در می آید و گرمای نهان تبخیر را از محیط جذب می کند. به صورت کلی هر مایعی به میزان مشخصی در هر دما دچار تبخیر سطحی می شود. به عنوان مثال هنگامی که از استخر بیرون می آیید، با وجود اینکه دمای قطرات آب روی پوست شما به دمای تبخیر آب نرسیده، به دلیل تبخیر سطحی احساس سرما می کنید. شدت تبخیر سطحی به مقدار سرعت جریان هوا نیز بستگی دارد. به همین دلیل وقتی که از استخر خارج شدید، اگر باد شدیدی بوزد، احساس سرمای بیشتری می کنید.

تفاوت تبخیر سطحی و تبخیر عادی تفاوت تبخیر سطحی با تبخیر(بر اثر جوش آمدن) این است که تبخیر سطحی در هر دمایی اتفاق میافتد ولی تبخیر بر اثر جوش آمدن نیازمند رسیدن مایع به دمای تبخیر می باشد. گرمای مورد نیاز برای تبخیر(Q) با جرم جسم (m)رابطه مستقیم دارد و برای تبدیل تناسب به تساوی به یک ضریب نیاز داریم که در اینجا به نوع مایع ارتباط داشته و با LV نشان داده می‏شود. بنابراین داریم: QV=m*LV

در ادامه می خواهیم با مفهوم دمای حباب مرطوب آشنا شویم. تصویر روش اندازه گیری وت بالب برای محاسبات برج خنک کننده و کولینگ تاور در مباحث مربوط به تهویه، دمای خشک محیط دمایی است که به وسیله دماسنجی که در فضای باز و محلی دور از تابش مستقیم آفتاب قرار گرفته باشد، مشخص شود. اگر دمای محیط ثابت باشد، با بالا رفتن رطوبت نسبی، دمای مرطوب نیز بیشتر می گردد. به عنوان مثال امکان دارد دمای شهر کرمان با بندر عباس در برخی از مواقع سال یکسان باشد، اما به خاطر بالا بودن رطوبت نسبی، دمای مرطوب در بندر عباس همیشه بالاتر است. به همین دلیل در شهرهای جنوبی و شمالی ایران که رطوبت نسبی بالایی دارند از کولر آبی برای سرمایش استفاده نمی شود.

دمای خشک

دمای حباب خشک در هر منطقه طبق اطلاعات استخراج شده از ایستگاههای هواشناسی مربوطه، دارای میانگین حداقل و میانگین حداکثر می باشد که در محاسبات مربوط به تهویه به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می گیرد. تعریف دمای حباب مرطوب یا وت بالب() : با توجه به تعریف بیان شده در خصوص دمای خشک، اگر به دور حباب یک دماسنج، پارچه ای پیچانده، آنرا خیس کنیم و دما سنج را بچرخانیم، دمایی که به دست می آید به Wet Bulb یا دمای حباب مرطوب معروف است. این دما یک دمای تعادلی است که به میزان دمای خشک هوا و رطوبت نسبی و همچنین ارتفاع از سطح دریا وابسته است.

نحوه محاسبه دمای مرطوب با استفاده از دمای خشک و رطوبت نسبی که کمک چارت  می باشد که در ادامه لینک دانلود چارت سایکرومتریک قرار داده شده است. به عنوان مثال در بسیاری از طراحی ها محاسبات برج خنک کن در تهران بر مبنای دمای خشک 40 الی 44 درجه سانتیگراد و دمای مرطوب 24 درجه سانتیگراد می باشد که البته در سالیان اخیر دمای خشک و مرطوب تهران افزایش یافته و حتی در مناطق مختلف شهر متفاوت می باشد. مثلا دمای مرطوب در نزدیکی بالاتر از بقیه نقاط تهران است و به همین دلیل برای این منطقه باید از برج خنک کننده با طراحی خاص استفاده کرد.

دلیل اهمیت دمای مرطوب در محاسبات برج خنک کن این مطلب است که بر خلاف چیلرها که ظرفیت مشخصی دارند، تخمین اندازه و مشخصات برج خنک کننده با استفاده از واحد تن تبرید در کشور ایران منطقی نمی باشد. پکینگ فیلمی برج خنک کننده به دلیل ویژگی‌های مقاومت در برابر آب، گرد و غبار و تغییرات جوی، به عنوان یک راهکار موثر در حفاظت از تجهیزات معرفی شده است . زیرا یک کولینگ تاور با ظرفیت 100 تن تبرید در تهران، مشخصاتی متفاوت از یک برج با همین ظرفیت در شهر اهواز(با رطوبت نسبی بالا) یا اصفهان و مشهد و تبریز خواهد داشت.یا همانطور که گفته شد ابعاد و مشخصات یک برج خنک کن 500 تن تبرید برای مناطق اطراف دریاچه چیتگر، با مشخصات کولینگ تاور 500 تن در منطقه 1 تفاوت دارد.

آیا برای مقدار خنک کردن آب در کولینگ تاور محدودیت وجود دارد؟

شاید برای شما هم این سوال به وجود آمده باشد که آیا برج خنک کن می تواند دمای آب را بیشتر از 10 یا 15 درجه خنک کند؟ مثلا با استفاده از Cooling tower می توانیم آب را 20 یا 30 درجه سانتیگراد خنک تر کنیم؟ در پاسخ به این سوال باید بگوییم اگر دمای آب خنک شده(خروجی) از حداقل 3 الی 5 درجه از وت بالب بیشتر باشد، در بعضی از موارد ممکن است بتوانیم کولینگ واتر را حتی 30 تا 40 درجه و در یک مرحله با برج خنک کننده مدار باز، سردتر کنیم.

البته هر چقدر دمای آب گرم ورودی بیشتر باشد، احتمال ایجاد اختلاف دمای، افزایش پیدا می کند. برای اینکه دمای آب در سیستم کولینگ را بیشتر از 15 درجه، خنک کنیم، لازم است از نرم افزارهای تخصصی طراحی استفاده شود. اگر می خواهید در این بخش بیشتر مطالعه کنید می توانید مقاله ما را با عنوان برج خنک کننده حداکثر چه مقدار آب را سرد می کند؟ مطالعه کنید. با این توضیحات مشخص است تولیدکنندگان قدیمی و سنتی که برج خنک کننده را به صورت تن تبریدی می فروشند، توانایی و دانش انجام این کار را ندارند و خیلی وقتها می گویند “نمی شود با کولینگ تاور آب را بیشتر از 10 تا 15 درجه خنک کرد”، البته این تصور کاملا اشتباه است.

محاسبه آب مصرفی در برج خنک کن

یکی دیگر از مهمترین پارامترهای طراحی و ، محاسبه آب مصرفی یا جبرانی در این سیستم می باشد. یکی از معتبر ترین نرم افزارهای آنلاین محاسبه آب جبرانی توسط شرکت SPX یا مارلی طراحی و در اختیار مهندسین قرار گرفته است. این نرم افزار با ورودی پارامترهایی همچون دبی آب گردشی، دمای ورودی و خروجی و دمای حباب تر میزان آب تبخیری، بلودان و دریفت را محاسبه می نماید. محاسبه آب جبرانی شامل همین سه پارامتر یعنی دریف یا پرتاب قطرات، تبخیر و بلودان یا جریان تخلیه میباشد.