طراحی کولینگ تاور

طراحی برج خنک کننده یکی از امور پیچیده صنعتی محسوب می‌شود و مبتنی بر محاسبات، تجربیات و دانش مکانیکی خاصی است. ادعای سخت بودن آنجایی ثابت می‌شود که بدانید انواع مختلفی از کولینگ تاورها (هریک با ویژگی‌های کارکردی خاص خود) تاکنون طراحی شده است؛ و هر کدام باتوجه‌به نوع مکانیزم خنک‌سازی متفاوت، دارای تفاوت‌های بنیادینی با یکدیگر می‌باشند. قیمت برج های خنک کننده بنا به مولفه های زیادی متغیر است و هزینه متریال یکی از تعیین کننده های قیمت این برج ها محسوب میشود. البته در فرایند طراحی، گاهاً فقط عوامل مربوط به سیالات (دبی، دمای مرطوب، محاسبات آب جبرانی و …) اشاره می‌شود. اما واقعیت اینجاست که تک‌تک عواملی نظیر:

• جنس بدنه و جنس ساختار
• استفاده از دستگاه های جانبی
• نوع جریان
• میزان کیفیت سیال و نوع کاربری
• مدل مکش و دمش فن
• و نوع انتقال حرارت

بر کیفیت، میزان راندمان، طول عمر، توان خنک‌سازی کولینگ تاور و به‌طورکلی طراحی برج خنک کننده مؤثر خواهد بود. اما این سؤال وجود دارد که وسعت اصول طراحی کولینگ تاورها چقدر است؟

طراحی ظرفیت برج خنک کننده

ظرفیت کولینگ تاور فقط به معنای مقدار آبی نیست که وارد دستگاه می‌شود. بلکه ظرفیت پکینگ برج خنک کننده بر واحد تناژ تبرید کیلووات استوار است. درنتیجه مؤلفه ظرفیت در طراحی برج خنک کننده، میزان حرارتی است که از آب موجود در دستگاه برای خنک‌سازی دریافت می‌شود.

به هنگام تعیین ظرفیت برج خنک کننده بایستی به ۳ نکته پراهمیت توجه داشت:

• نرخ جریان: توجه به میزان اختلاف (تفاضل) آب‌های ورودی و خروجی کولینگ تاور
• نرخ تبرید: پارامتر تفاوت دمای محیط پیرامون دستگاه و دمای آب با عنوان نرخ تبرید شناخته می‌شود. به‌عنوان مثال به هر میزان که دمای جریان هوای فضای بیرون کولینگ تاور بیشتر باشد، توان ظرفیتی دستگاه نیز بیشتر می‌شود.
• میزان رطوبت جریان هوا: درصد رطوبت هوا یکی دیگر از عوام مهم در تعیین ظرفیت و توان در طراحی بشمار می‌آید. با افزایش رطوبت محل نصب (جریان هوای بیرون)، عمل تبخیر دیرتر انجام می‌گردد. برج‌های خنک‌ساز مدار باز به‌طورکلی بر اساس مکانیزم تبخیر به خنک‌سازی سیالات می‌پردازند؛ لذا هرگاه رطوبت جریان هوای ورودی به سیستم کولینگ زیاد باشد، به توان بیشتری نیاز می‌باشد.

عوامل مهم در طراحی برج خنک کننده

مکانیزم خنک‌سازی آب در طراحی برج خنک کننده، بسته به عوامل متعددی می‌تواند متفاوت باشد. در طراحی و ساخت پکینگ گرید اسپلش این عوامل بیشتر بررسی می شوند. یک‌سری از پارامترهای دمایی در طراحی کولینگ تاورها عبارت‌اند از:

• دمای حباب مربوط
• دبی آب
• میزان آب جبرانی برج خنک‌کننده
• و دمای Approch و Range

دمای حباب مرطوب

دمای حباب مربوط به کمترین دمایی اطلاق می‌شود که با بخار آب می‌توان آب را خنک نمود. این‌گونه دما در زمان اشباع ۱۰۰ درصدی هوا به وجود می‌آید. عامل دمای حباب مربوط قابلیت تعادل‌سازی مکانیزم خنک‌سازی برج خنک کننده را دارد.

میزان دبی آب در طراحی برج خنک کننده

دبی یا حجم یا فشار آب در طراحی برج خنک‌کننده، در حقیقت فشار و حجم آبی است که در یک بازه مشخصی از زمان، از دمای فعلی خود به دمای خنک‌تری تغییر پیدا می‌کند. مشخصاًَ با افزایش آب ورودی و بیشترشدن حجم آب موجود در دستگاه، ظرفیت کولینگ تاور نیز زیاد می‌گردد. البته هر سرعتی را نمی‌توان برای فشار ورود سیالات به دستگاه در هنگام طراحی برج خنک‌کن در نظر گرفت. بلکه استاندارد سرعت فشار سیال در حدود ۲.۵ متر بر ثانیه می‌باشد که باید به آن توجه داشت.

همواره هدف در کاهش دمای سیال این است که دمای آب به دمایی برابر با محیط بیرون یا چند درجه خنک‌تر از آن برسد. به همین دلیل به هر میزان که عدد آپروچ کمتر گردد، بازدهی کولینگ تاور افزایش می‌یابد. عدد ایده‌آل مؤلفه آپروچ در طراحی برج خنک‌کننده، عددی کمتر از ۵ درجه سانتی‌گراد است.

اشتباه در طراحی برج خنک کننده

به‌طورکلی هرگونه اشتباه در طراحی، می‌تواند خسارات سنگین مالی را بر دوش کارفرما بگذارد. اما طراحی اشتباه و بی‌دقت کولینگ تاور می‌تواند چه مشکلاتی را به وجود آورد؟!

1. افت راندمان: اولین و مهم‌ترین مشکلی است که در صورت طراحی اشتباه سیستم‌های کولینگ پیش می‌آید. کاهش تولید و ایجاد دردسرهای تأمین آب، از جمله مشکلاتی است که در پی افت خنک‌سازی آب برای صنایع به وجود خواهد آمد.
2. افزایش مصرف آب: چنانچه قطعات در هماهنگی کامل و عالی با یکدیگر نباشند، مطمئناً شاهد افزایش مصرف آب خواهیم بود. دو هدف اصلی در طراحی کولینگ تاور، «خنک‌سازی مجدد آب‌های صنعتی برای بازگشت به چرخه تولید» و «کاهش مصرف آب» است. حال اینکه با اشتباه در محاسبات، قطعاً این هدف برعکس خواهد شد!
3. افزایش هزینه‌ها: عدم طراحی دقیق کولینگ تاورها می‌تواند منجر به خرابی‌های پی‌درپی و نشتی شود؛ بنابراین نیاز به تعمیرات مستمر بوده و مسلماً هزینه‌ها افزایش خواهد یافت.

مفاهیم اصلی و تعاریف در طراحی و بهینه کردن برج خنک کننده

تبخیر سطحی چیست

تبخیر سطحی فرآیندی فیزیکی است که در آن، مایع به حالت بخار و گاز در می آید و گرمای نهان تبخیر را از محیط جذب می کند. هر مایعی به میزان مشخصی و در هر دمایی دچار تبخیر سطحی می شود. گرمای مورد نیاز برای تبخیر(Q)با جرم مایع(m)رابطه مستقیم دارد و برای تبدیل تناسب به تساوی به یک ضریب نیاز داریم که به نوع مایع بستگی دارد و با نمادLV  نشان داده می‏شود. بنابراین داریم:

Q_V=mL_V 

در حقیقت طی فرآیند تبخیر سطحی، مایع تبخیر شده گرمای نهان تبخیر را از محیط و سیال اولیه می گیرد و باعث خنک شدن سیال و محیط خواهد شد. این همان فرآیندی است که هنگام خارج شدن از استخر، موجب سرد شدن بدن شما در هوای آزاد می شود. مهمترین مزیت تبخیر سطحی نسبت به روش های دیگر سرمایش، مصرف انرژی بسیار کم آن و سهولت ساخت تجهیزات آن است. در عین حال این روش به مصرف بالای آب می انجامد.

دمای حباب خشک

Dry Bulb 

دمای حباب خشک در هر منطقه جغرافیایی و طبق اطلاعات استخراج شده از ایستگاههای هواشناسی، دارای میانگین حداقل و میانگین حداکثر است. این اعداد در محاسبات مربوط به تهویه به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می گیرند. دمای حباب خشک یا درای بالب، معمولا همان دمایی است که ما از آن به عنوان دمای هوا یاد می کنیم. برای نمونه دمای داری بالب شهر تهران حدود 40 الی 44 سانتیگراد است(مبنای محاسبات تهویه گرمترین زمان سال در ظهر مرداد ماه است)

دمای حباب مرطوب یا وت بالب

Wet Bulb

با توجه به تعریف دمای خشک، اگر به دور حباب دماسنج، پارچه ای پیچانده، آنرا خیس کنیم و دماسنج را بچرخانیم، دمایی که به دست می آید به(wet-bulb) یا دمای حباب مرطوب معروف است. وت بالب یک دمای تعادلی است که به دمای خشک هوا، رطوبت نسبی و همچنین ارتفاع از سطح دریا وابسته است. البته دمای خشک و دمای مرطوب در طی ماههای سال تغییر می کند. ولی منظور ما از این دو دما در طراحی کولینگ تاور، متوسط حداکثر دمای خشک و دمای مرطوب در گرمترین فصل سال(مرداد ماه) است.

لازم است بدانید دمای آب یا سیال خنک شده در برج خنک کن، در بهترین شرایط 2 الی 3 درجه بالاتر از دمای مرطوب یا Wet bulb خواهد بود.

تعریف دمای مرطوب و روش اندازه گیری وت بالب(wet bulb)

نحوه محاسبه دمای مرطوب با استفاده از دمای خشک و رطوبت نسبی به کمک چارت سایکرومتریک امکانپذیر است که در ادامه لینک دانلود چارت سایکرومتریک قرار داده شده است.

اپروچ چیست؟

برای اینکه با مفهوم اپروچ بیشتر آشنا شوید به ذکر مثالی در این مورد می پردازیم. فرض کنید دمای مرطوب یک شهر مثل شیراز برابر 18 درجه سانتیگراد است. اگر در یک کولینگ تاور صنعتی بخواهیم در این شهر دمای آب را از 40 درجه به 30 درجه سانتیگراد برسانیم، مقدار دمای اپروچ برابر 12 درجه و مقدار رنج 10 درجه سانتیگراد خواهد بود.  حال که با مفهوم آپروچ در برج خنک کن آشنا شدید، می خواهیم نکته بسیار مهمی را که می تواند به صرفه جویی در هزینه های شما منجر شود، با شما در میان بگذاریم.

اگر می خواهید آب خط تولید یا دستگاه خاصی را به یک مقدار مشخص(مثلا 15 درجه) خنک کنید، یا به عبارت دیگر رنج شما 15 درجه باشد، هر چقدر مقدار اپروچ بیشتر باشد، قیمت کولینگ تاور ارزانتر و اندازه و مدل آن کوچکتر می شود. برای مثال اگر وت بالب برابر 22 باشد، برجی که دمای آب را از 45 به 30 درجه سانتیگراد برساند، خیلی ارزانتر و کوچکتر از برج خنک کن ای خواهد بود که بخواهد دما را از 40 به 25 برساند. این درحالی است که ظرفیت هر دو نمونه، از نظر تن تبرید برابر است!

مفهوم آب جبرانی در برج خنک کن

میزان آب میک آپ(جبرانی) در برج خنک کن = مقدار تبخیر + تلفات پرتاب قطرات + میزان آب سر ریز یا بلو دان

معنی آب سر ریز کولینگ تاور

آب سر ریز(Blow down) در برج خنک کننده به حجم آب گفته می شود که برای حفظ شرایط آب(سختی آب، ذرات معلق و …) در محدوده دلخواه، از مخزن آن تخلیه می شود. مقدار آب دور ریز یا تخلیه در کولینگ تاور به عدد ضریب غلظت بستگی دارد.