نحوه طراحی برج خنک کننده

محاسبات برج خنک کننده شامل محاسبه ظرفیت برودتی، راندمان و آب جبرانی در می باشد که مبنای اصلی طراحی کولینگ تاور به حساب می آید. انجام دقیق محاسبات در برج خنک کننده فرصتی جهت انتخاب صحیح و درست نوع خنک کن، محاسبه ظرفیت برودتی مناسب و برآورد میزان مصرف آب برج خنک کاری قلمداد می شود. انجام صحیح محاسبات سبب عملکرد بهتر برج خنک کننده خواهد شد و در نتیجه کارکرد خوب در این تجهیز سایر دستگاه هایی که با خنک کن سرد می شود نیز کارکرد بهتری خواهند داشت.

یک کوره القایی را فرض کنید که اگر محاسبات برج خنک کننده به درستی صورت نپذیرد ممکن است کوره نتواند با قابلیت صددرصد ذوب گیری نماید یا در یک تایم محدود دچار رسوب، گرفتگی و مشکلات زیادی گردد. در واقع محاسبات مختلف کولینگ تاور پیش زمینه ای برای طراحی و بهبود بخشیدن در سیستم سرمایشی صنعت محسوب می شود.

محاسبات مربوط به برج خنک کننده در دسته بندی های متفاوتی تقسیم می شود. اولین بخش نحوه تعیین دمای خروجی آب می باشد. پس از تعیین دمای خروجی آب فاکتورهایی از قبیل ظرفیت برودتی و شرایط کارکرد برج خنک کن کمک بسزایی در انتخاب بهتر یک کولینگ تاور خواهد داشت. محاسبه آب مصرفی نیز به لحاظ برآورد تجهیزات جانبی در راه اندازی سیستم گردش آب از اهمیت بالایی برخوردار است.

امروزه کاهش میزان مصرف آب و انتخاب صحیح نوع برج خنک کننده یکی از مهمترین بخش های محاسبات محسوب می شود.افزایش راندمان،کاهش میزان مصرف آب و تعیین دقیق ظرفیت برودتی کولینگ تاور مهمترین بخشهای مرتبط با انتخاب صحیح یک منبع برودتی قلمداد می شود که به دو روش زیر انجام می پذیرد.

• استفاده از فرمول ها و جداول از پیش تهیه شده در بخشهای مختلف
• بهره گیری از نرم افزار های مخصوص انتقال حرارت و طراحی تجهیزات برودتی

در این بخش به توضیح مفصل روشهای مختلف انجام محاسبات برج خنک کننده از جمله محاسبه نرخ حرارتی کولینگ تاور،آب تبخیری، بلودان و راندمان خواهیم پرداخت.

دمای تقرب یا آپروچ برج خنک کننده

رسیدن به آپروچ کمتر از 5 درجه سانتی گراد در برج خنک کننده یکی از نکات مهم تولید برج خنک کننده بوده و نیازمند ضریب اطمینان بالایی می باشد. در محاسبات اولیه طراحی به هر میزان آپروچ پایین تر در نظر گرفته شود راندمان برج خنک کننده بالاتر خواهد بود. حداقل میزان آپروچ معادل 5 درجه فارنهایت (2.8 درجه سانتی گراد) درنظر گرفته می شود. از طرفی هر چه از نظر تیوری در محاسبات مربوط طراحی اولیه بخواهیم آپروچ عدد پایین تری باشد باید ضریب افزایش سطح مفید کولینگ تاور(ضریب اطمینان) نیز بزرگتر انتخاب گردد.

بهینه ترین میزان آپروچ در نظرگرفته شده در محاسبات برج خنک کننده با ضریب اطمینان منطقی(عملی و اقتصادی) معادل 10 درجه فارنهایت (5 درجه سانتی گراد)می باشد.تعیین دقیق میزان آپروچ در واقع تابعی از دمای ایده آل آب سرد خروجی برج خنک کننده در فصول گرم (تابستان) می باشد.

به منظور محاسبه میزان آپروچ از فرمول زیر استفاده می شود.

آپروچ=دمای خروجی آب سرد برج خنک کننده – دمای مرطوب محیط طراحی کولینگ تاور

اختلاف دمای برج خنک کننده

با افزایش دبی آب در گردش در سیستم اختلاف دمای برج خنک کن به کمتر از 5 درجه سانتی گراد نیز کاهش پیدا کند. بنابراین اختلاف دمای آب سرد ورودی با آب گرم خروجی از برج خنک کننده تابعی از شرایط طراحی و شرایط محیطی می باشد.

فرمول کلی زیر جهت محاسبه اختلاف دمای پکینگ برج خنک کننده  بکار می رود.

محاسبه راندمان برج خنک کننده

به عبارتی دیگر رسیدن به راندمان 100درصد در محاسبات برج خنک کننده به معنای این می باشد که آپروچ معادل صفر در نظر گرفته شود که چنین موضوعی امکان ندارد. بنابراین در محاسبه راندمان کولینگ تاور رسیدن به عددی بالاتر از 90 درصد به هیچ عنوان شدنی نیست. به منظور دقیق محاسبه راندمان از فرمول هایی استفاده می شود که خروجی این اعداد نشانگر این موضوع است که  بهینه ترین میزان راندمان برج خنک کننده با ضریب اطمینان استاندارد، معادل با 70 الی 75 درصد می باشد.در واقع رسیدن به راندمان بالاتر از 75درصد در محاسبات برج خنک کننده نیازمند هزینه بسیار زیاد بوده و غیراقتصادی می باشد.

به منظور محاسبه راندمان برج خنک کننده از فرمول زیر استفاده می شود.

به بیانی ساده تر محاسبه راندمان برج خنک کننده معادل است با :  نسبت اختلاف دما به مجموع آپروچ و اختلاف دما در کولینگ تاور.

کاهش میزان آپروچ و افزایش میزان اختلاف دما در کولینگ تاور طبق فرمول فوق سبب افزایش راندمان می شود. البته لازم به ذکر است که در تابستان با افزایش دمای مرطوب محیط راندمان برج خنک کننده نسبت به سایر فصول پایین تر خواهد بود و این موضوع نشانگر این است که پارامتر راندمان در دسته محاسبات عددی ثابت نمی باشد و مطابق شرایط فصلی و اقلیمی نیز متغیر می باشد.

فاکتورهای فراوانی بر افزایش راندمان در برج خنک کننده تاثیرگذار خواهد بود. بسیاران از طراحان و مشاورین مهندسی سیالات از بهترین نمونه های پکینگ مدیا و افشانک جهت پاشش صحیح آب و افزایش سطح تبادل حرارت بین آب و هوا استفاده می کنند. امروزه با پیشرفت علم سیالات و بهره گیری از نرم افزارهای مخصوص کمک بسیار زیادی در استفاده از نازلهایی با راندمان بالا و پاشش خوب و در نتیجه افزایش راندمان شده است.

مطالب مفید:

محاسبات چرخه غلظت در برج خنک کننده

میزان COC یا چرخه غلظت کمیتی بدون بعد می باشد. مقدار COC در برج خنک کاری وابسته به شرایط آب ورودی و آب جبرانی بین عدد 3 تا 7 متغیر می باشد. در طراحی برج خنک کننده باید دقت نمود که مقدار COC حدالامکان بیشتر در نظر گرفته شود. چرا که افزایش میزان COC سبب کاهش میزان بلودان و دریفت قطرات آب می شود. چرخه غلظت یا COC یکی از مهمترین پارامترهای کلیدی در محاسبات برج خنک کننده مخصوصاً در بخش محاسبه بلودان محسوب می شود. بهترین و بهینه ترین عدد برای فاکتور COC در محاسبات معادل 5 در نظرگرفته می شود.

البته لازم به ذکراست استفاده از قطره گیر و سیستم بلودان هوشمند نیز تاثیر بسزایی در کاهش مصرف میزان بلودان و دریفت در کولینگ تاور دارد که استفاده استاندارد از باید از متریال مناسب و با کیفیت صورت پذیرد.

محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده

محاسبه آب جبرانی در برج خنک کننده تابع سه پارامتر اصلی می باشد. سه پارامتر تاثیرگذار بر محاسبه آب جبرانی عبارتند از تبخیر آب – بلودان و دریفت قطرات آب به بیرون کولینگ تاور. در واقع آب مصرفی(جبرانی) وابسته به عملکردهای متفاوت در کولینگ تاور در جهات مختف هزینه می شود. محاسبه آب جبرانی از این جهت حایز اهمیت می باشد که تامین این آب در فصول گرم عملاً باید با دورنگری و در طراحی اولیه درنظرگرفته شود.آب جبرانی در برج خنک کننده توسط سه روش کلی محاسبه می شود.

• 1-روش محاسبه آب جبرانی به صورت تخمینی (1.5 تا 2 درصد آب در گردش)
• 2-محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده با روش فرمولی
• 3-محاسبه آب جبرانی توسط نرم افزارهای آنلاین و مهندسی از جمله SPX Calculator و Water Waste

در واقع در این مقاله سعی براین شده بر هر سه روش اساسی در تعیین محاسبه آب جبرانی اشاره شود. البته در زیر فقط به روش کلی محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده یعنی روش استفاده از فرمول های مهندسی اشاره مینماییم.

1-تبخیر آب در برج خنک کننده

تعیین دقیق میزان تبخیر آب در کولینگ تاور تاثیر بسزایی در نتیجه محاسبات آب جبرانی در برج خنک کن خواهد داشت. در واقع مهمترین بخش محاسبات برج خنک کننده در تعیین دقیق میزان آب مصرفی تبخیر می باشد.انرژی لازم گرفته شده از آب سبب تبخیر در برج خنک کننده می گردد.همین موضوع شاهراه اصلی محاسبات آب جبرانی می باشد. به عبارتی ساده تر با استفاده از ضریب محسوس گرمای ویژه تبخیر در برج خنک کننده میزان این پارامتر در محاسبه آب جبرانی به راحتی تعیین می گردد.در قسمت بعد در انتهای مقاله به بررسی عددی میزان تبخیر و محاسبه دقیق آب جبرانی در برج خنک کننده به طور مفصل می پردازیم.

مطلب جالب و آموزنده:

2-بلودان برج خنک کننده

دومین فاکتور از هدررفت آب در کولینگ تاور زیرآب یا بلودان(bleed Off)و در اصلاح جریان تخلیه (Blow Down) می باشدکه یکی دیگر از فاکتورهای تاثیرگذار در محاسبات برج خنک کننده محسوب می گردد.میزان تخلیه یا زیرآب و در اصطلاح بلودان برج خنک کننده یک پارامتر عددی قابل تغییر می باشد. محاسبات مربوط بلودان برج خنک کننده در واقع یکی از فاکتورهای اساسی در طراحی کولینگ تاور می باشد.منظور از بلودان برج خنک کننده(Blow Down)، تخلیه پیوسته یا متناوب درصدی از آب در کولینگ تاور به منظور جلوگیری از افزایش غلظت مواد معدنی حل نشده (TDS) و سایر ناخالاصی های موجود می باشد.

میزان دقیق بلودان برج خنک کننده در واقع براساس میزان کیفیت آب ورودی و آب در گردش و همچنین براساس دمای ورودی و خروجی و چرخه غلظت تعیین می گردد. اگر میزان بلودان از عدد استاندارد کمتر باشد غلظت مواد محلول در برج خنک کننده افزایش می یابد و این موضوع سبب افزایش رسوب و گرفتگی و در نتیجه کاهش راندمان خواهد شد. اگر بلودان از حدمعین خود نیز افزایش یابد سبب افزایش مصرف بی رویه آب جبرانی در کولینگ تاور می گردد. بنابراین تنظیم میزان جریان بلودان در برج خنک کننده یکی از مهمترین فاکتورها در محاسبات آب جبرانی برج خنک کن محسوب میشود.

نحوه تنظیم جریان بلودان برج خنک کننده:

3-دریفت یا پرتاب قطرات آب

محاسبات عددی آب جبرانی برج خنک کننده

دو فاکتور اصلی و مهم در محاسبات آب جبرانی برج خنک کننده در واقع تبخیر و تخیله آب می باشد. فرمول محاسبه اصلی مصرف آب در واقع به شرح ذیل می باشد.

M=E+B+D

M = آب جبرانی یا میک آپ

E = تبخیر آب

B = بلودان

D = دریفت قطرات ریز آب

الف) محاسبه تبخیر آب در برج خنک کننده:

به منظور محاسبه تبخیر آب در برج خنک کننده از دو روش کلی می توان استفاده نمود.

روش اول) استفاده از فرمول تخصصی محاسبه عددی میزان تبخیر برج خنک کننده:

مطابق این روش به منظور محاسبه میزان آب جبرانی حاصل از تبخیر در برج خنک کننده از فرمول زیر استفاده می شود.

E = 0.00085 x R x 1.8 x C

روش دوم) استفاده از فرمول دوم تخصصی محاسبه عددی میزان تبخیر برج خنک کننده:

در این روش عموماً از روش حرارت جذب شده در تبخیر استفاده می شود. مطابق این روش برای محاسبه آب جبرانی حاصل از تبخیر در برج خنک کننده از فرمول زیر استفاده می شود.

E = C x R x Cp / HV

با توجه به اینکه حرارت جذب شده برای تبخیر هر کیلوگرم آب 2260 کیلوژول می باشد ، برای هر کیلووات ظرفیت برج خنک کننده مقدار آب حاصل از تبخیر تقریبا 0.553 گرم برثانیه (معادل 2 لیتر بر ساعت) خواهد بود.

بنابراین تبخیر آب در یک برج خنک کننده با ظرفیت 100 تن تبرید (350 کیلووات) معادل تقریبی 700 لیتر بر ساعت می باشد.

البته روش فوق در واقع به صورت دقیق تر تابعی از دمای ورودی و خروجی و شرایط محیطی و فصلی عملکرد برج خنک کننده میباشد. به منظور محاسبه دقیق میزان مصرف آب میتوانید از نرم افزار محاسبه آب جبرانی شرکت دماگستر در این زمینه بهره مند شوید.

تصویری از خروجی نرم افزار محاسبات آب مصرفی برج خنک کننده

ب) محاسبه بلودان برج خنک کننده:

همانند تبخیر ، بلودان نیز با دو روش کلی قابل محاسبه می باشد .

روش اول)محاسبه عددی میزان بلودان برج خنک کننده با مطابق فرمول زیر:

B = E/ (COC-1)

روش دوم)محاسبات تقریبی میزان بلودان برج خنک کننده مطابق با جدول زیر:

به عنوان مثال برای یک دستگاه برج خنک کننده 100 تن تبرید با دبی آب در گردش 50 مترمکعب در ساعت و اختلاف دمای 5.5 Eدرجه سانتیگراد میزان آب جبرانی مطابق روش فوق بدین شکل محاسبه می گردد:

E=350*2 =700 L/h

M=B+E = 865 L/h

B=50000 L/h *(0.0033)=165 L/h