تبادل حرارت در برج های خنک کننده

در برج های خنک کننده مرطوب (Wet-Cooling Tower)، آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ ها و برخورد با جریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن یا به صورت طبیعی وارد برج می ‌شود که در حین تبادل حرارتی در برج خنک کننده و خنک شدن در پایین برج تهنشین می ‌شود. مهمترین عیب این سیستم، پاشیده شدن ذرات آب به اطراف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می ‌باشد.

 

یکی از تاثیرگذارترین پارامترها در عملکرد بهینه برج خنک کننده، نحوه ورود هوا به آب در حال گردش درون سیستم خنک کاری است. آب در برج خنک کننده در اثر تبادل گرمایی با هوا، خنک می شود. بنابراین تامین هوای خنک کافی برای برج های خنک کن در طراحی باید در نظر گرفته شود.

تامین هوا در سیستم های خنک کننده به روش های مختلفی صورت می گیرد که هر کدام بسته به نوع کاربری برج خنک کننده و محل استفاده از آن بستگی دارد. جریان یا گردش هوا درون برج‌ های خنک کننده به دو صورت جریان مخالف و جریان متقاطع تامین می شود.

برج های خنک کننده و مبدل های حرارتی

برج های خنک کننده آب در گردش را خنک می کنند و به کاهش دمای فرآیندها کمک می کنند، در حالی که مبدل های حرارتی برای خنک سازی اضافی و همچنین بازیابی گرما از گازهای زائد توربین های گازی استفاده می شوند.

عوامل موثر در تبادل حرارتی برج خنک کننده

تبادل حرارت در برج های خنک كننده به عوامل فيزيكی و شيميايی بسياری بستگي دارد كه بطور مستقيم يا غير مستقيم بر كارآيی سيستم مؤثر خواهند بود. درك هر چه بيشتر اين عوامل نيازمند شناخت مشخصات هر سيستم سرد كننده است كه بطور خلاصه بصورت ذيل تعريف می گردند.

۱ . ظرفيت برج خنک کننده Handling Capacity

كل حجم آبي كه در Basin (سینی کف برج) و در لوله های رفت و برگشت در جريان است را ظرفيت سيستم برج خنک کننده می گويند. ظرفیت برج خنک‌ کننده را به وسیله تن تبرید بیان می‌ کنند. یک تن تبرید برابر میزان گرمای لازم برای تبدیل یک تن (۹۰۷ کیلوگرم) یخ صفر درجه به آب صفر درجه در مدت زمان ۲۴ ساعت می‌ باشد. همچنین یک تن تبرید برابر ۱۲۰۰۰ Btu/hr یا ۳٫۵ کیلووات می‌ باشد. در نتیجه وقتی بیان می‌ شود که یک کولینگ تاور به طور مثال برابر ۱۰۰ تن است، یعنی مقدار قدرت خنک کردن آن برابر ۳۵۰ کیلو وات می‌ باشد.

ظرفیت کولینگ تاور وابسته به ابعاد، میزان دبی آب و جریان هوا، میزان پکینگ، ارتفاع ریزش و محل نصب برج خنک کننده متفاوت می‌ باشد. در اصل ظرفیت به وسیله چهار پارامتر اصلی یعنی دمای ورود، دمای خروج، حداکثر دمای مرطوب محیط و دبی آب در گردش تعیین می‌ شود.

۲ . افت درجه حرارت

عملکرد حرارتی کولینگ تاورها به پکینگ های برج خنک کننده نیز بستگی دارد. پکینگ های فیلم در گام های مختلف ۱۲، ۱۴، ۱۹ و به بالا و در جنس ها و ضخامت های مختلف از جمله ۴۰۰ و ۶۰۰ میکرون ساخته می شود. معمولاً پکینگ های فیلم در ابعاد استاندارد تولید می شوند که به آن یک بلوک پکینگ گفته می شود. یکی از ابعاد استاندارد پکینگ ۳۰×۳۰×۱۲۰ سانتی متر می باشد. معمولاً مواد تشکیل دهنده پکینگ های فیلم P.V.C یا P.P (پلی پروپیلن) می باشد.

دمای برج خنک کننده برای چیلر های آب خنک یکسان می باشد، البته بستگی به دمای مرطوب نیز دارد. معمولاً دمای برج های خنک کننده که جهت چیلر های آب خنک استفاده می شود، برابر دمای ورودی ۳۵ درج سانتی گراد و دمای خروجی از برج برابر ۲۹٫۴ درجه سانتی گراد و در شهرهای مرطوب ۳۷ به ۳۲ درجه سانتی گراد می باشد. هرچه اختلاف دمای آب ورودی و خروجی از برج های خنک كننده زياد باشد، تبخير بهتری صورت می گيرد و در تبادل حرارت در برج های خنک كننده نقش بسزایی دارد.

دمای برج در عملکرد حرارتی برج ها و تناژ برج خنک کننده بسیار تاثیر می گذارد. هرچه که دمای خروجی مورد نیاز برج خنک کننده به دمای مرطوب هر شهر یا محل پروژه نزدیک باشد، تناژ برج خنک کن افزایش می یابد و هرچقدر دمای خروجی مورد نیاز برج خنک کننده از دمای مرطوب فاصله داشته باشد، تناژ برج خنک کن کمتر می شود. کلیه برج های خنک کننده از هر نوعی که باشد قادر هستند تا دمای خروجی آب را به میزان ۳ درجه سانتی گراد بالای دمای مرطوب خنک کند که در این مورد، هیچ برجی توانایی رساندن دمای خروجی به کمتر یا برابر دمای مرطوب را ندارد.

۳ . تبخير آب Evaporation Loss

Evaporation Loss مقدار آبی است كه بر اساس اختلاف دما به هنگام تبادل حرارت با هوا بخار می شود. بطور متوسط يك درصد از آب در گردش برای هر ۵٫۸ درجه سانتی گراد (۱۰ درجه فارنهایت) از آب گردشي تبخير می شود.

۴ . آب از دست رفته بوسيله باد Wind Loss

مقدار آب از دست رفته بوسيله باد بستگي به طراحي و شرايط عمليات برج خنک كننده دارد. به طوركلي مقدار ۰٫۰۵% تا ۰٫۲% از حجم آب گردشي در سيستم های نوع دمنده را شامل می شود.

۵ . آب دور ريز Blow Down

بلودان برج خنک کننده، مقدار آبی است که از آب کولینگ تاور تخلیه و با آب تازه جایگزین می‌ کنیم تا میزان سختی آب را کاهش دهیم. برج خنک کن یک دستگاه تبخیری است و همواره به دلیل تبخیر آب، مقدار سختی و غلظت املاح آب در حال افزایش است. در صورتی که میزان املاح موجود در آب از نقطه اشباع عبور کند رسوب شروع به تشکیل شدن خواهند کرد و اگر این میزان املاح و ناخالصی بالاتر از نقطه اشباع باشد رسوبات به سرعت به شکل ذرات بسیار سخت در می‌ آیند و به تمامی اجزاء برج خنک کننده آسیب وارد می‌ کنند. به همین دلیل برای جلوگیری از افزایش بیش از حد سختی، مقداری از آب در حال گردش در کولینگ تاور تخلیه شده و آب جدید جایگزین می‌ شود که به این عمل بلودان یا زیر آب می‌ گویند.

مقدار Blow Down به غلظت املاح آب تأميني، غلظت بازدارنده مورد مصرف و نوع آن بستگی دارد. در سيستم برج خنک كننده همزمان با عمل تبخير، تغليظ يون ها نيز در آب صورت می گيرد. چنانچه غلظت املاح از حد مجاز خود كمتر باشد، سيستم تمايل به خورندگی و چنانچه غلظت املاح بيش از حد متعارف باشد سيستم رسوب گذار خواهد بود. براي موازنه غلظت املاح در برج های خنک كننده به طور پيوسته مقداری از آب را از سيستم خارج مي نمايند كه به اين آب، آب دور ريز Blow Down گفته می شود.

اهمیت بلودان برج خنک کننده به این صورت است که فرض کنید یک برج خنک کننده ۵۰۰ تن معمولی که به صورت ۲۴ ساعت کار می‌ کند. در این صورت در یکسال باید میلیون‌ ها گالن آب آن را تخلیه کرد. این مقدار وقتی تقسیم به روز می‌ شود، تقریبا روزانه ۱۰۸۰۰ گالن آب تخلیه می‌ گردد؛ یعنی ۴۵۰ گالن در ساعت و ۷٫۵ گالن در دقیقه. جهت کاهش مقدار تخلیه زیرآب برج خنک کننده و همچنین جلوگیری از تشکیل ذرات رسوب باید از یک برنامه عملیات آبی استفاده کرد.

بوسیله عملیات آبی از تشکیل ذرات جلوگیری شده و نقطه اشباع در سیستم آب افزایش می‌ یابد. با این سیستم غلظت املاح در آب بالا می‌ رود، ولی به دلیل بالا رفتن نقطه اشباع امکان تشکیل ذرات سخت و رسوب وجود ندارد. عملیات آبی، تا حدود ۳۰ برابر نقطه اشباع آب را بالا برده و از تشکیل رسوب و ذرات جلوگیری می‌ کند. این یعنی آب برج خنک کننده می‌ تواند تا ۳۰ برابر آب جبرانی، املاح داشته باشد، بدون آنکه رسوب و ذرات تشکیل شوند. بنابراین مقدار زیر آب برج خنک کننده تا ۹۰ درصد کاهش می‌ یابد.

۶ . مقدار آب جبرانی Make up Water

در سيستم های آب خنک كننده حجم كل سيستم تحت شرايط نرمال ثابت نگه داشته می شود. بنابراين مقدار آب جبرانی برابر است با حجم كل آب از دست رفته يعني تبخير Evaporation، افت ناشي از باد Wind loss و دورريز Blow down.

محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده برابر مجموع پارامترهای مختلف از جمله میزان تبخیر آب در برج خنک کننده، میزان پرتاب آب در برج خنک کننده، زیر آب یا آب تخلیه در برج خنک کننده بدست می‌ آید. به طور کلی محاسبه آب جبرانی کولینگ تاور که برابر مجموع تبخیر و پرتاب آب در برج خنک کننده بعلاوه بلودان در برج خنک کننده به صورت سرانگشتی برابر ۱٫۵ تا ۲ درصد کل دبی آب در گردش در برج خنک کننده می‌ باشد که توسط محاسبه گری تخصصی از طریق وارد کردن اطلاعات مقدار دقیق آب جبرانی قابل محاسبه می باشد.

۷ . زمان ماند Retention Time

مدت زماني است كه آب make up بتواند حجم آب كل سيستم را تغيير دهد. اين زمان تابعی از ميزان Blow Down و ميزان Wind است. يعنی اينكه زمان ماند يا كاهش حجم آب Blow Down (در درجه تغليظ بالا) افزايش می بابد. در واقع می توان گفت مواد شيميايی تزريقی به برج مدت زمان بيشتری در سيستم برج خنك كننده باقی می مانند.

۸ . زمان يك گردش Time Index

مدت زمانی كه يك مولكول تمام سيستم را طی كرده و دوباره به نقطه اول خود برسد را زمان يك گردش گويند.

۹ . دبی آب چرخشی circulation Water Quantity

مقدار حجم كل آبی كه توسط پمپ در ساعت در سيستم بچرخش درمی آيد كه هر چه ميزان آن بيشتر باشد، مقدار تبخير بيشتر خواهد بود. تمام پارامترهای ذکر شده در بالا، پارامترهای كنترل كمی آب هستند كه در محاسبات فنی مهندسی جهت طراحی يا ساخت و بهره برداری از برج خنك كننده بكار می روند. در سيستم های برج خنک کننده بسته، محاسبات كمی تنها به ميزان نشتی آب ارتباط پيدا می كند. در اين برج ها مقدار آب تأمينی فقط برای جبران آب نشتی می باشد.

سایر عوامل موثر در تبادل حرارت در برج های خنک كننده

• پارامتر PH
• قليائيت Alkalinity
• قليائيت جزئی Partial Alkalinity
• نمك های محلول
• گازهای محلول در آب (گاز اكسيژن، گاز دی اکسید کربن، گاز كلر، گاز آمونياك)
• مواد معدنی
• ارگانيزم های موجود در آب
• هدايت الكتريكی آب
• سختی كل Total Hardness
• آهن Total Fe
• دما
• نوع اسيد مصرفی
• سرعت گردشی آب Water Flow Rate
• كدورت آب
• غلظت و مواد بازدارنده (كرومات ها، نيتريت ها، نمك های فلزات دو ظرفيتی، فسفات ها، آمين ها و آزول ها و ديگر مواد محافظت كننده)

موليبدات ها و تنگستات ها و بعضي از نمك هاي اسيدهای آلی مخصوصا در سيستم های بسته گردشی دارای قدرت محافظت كنندگی خوبی هستند. همچنين سيليكات ها به عنوان يك ماده محافظت كننده مطرح هستند، ولی به دليل رسوبات سختی كه دارند، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.

برج های خنک کننده از چه نوع تبادل حرارتی بهره می برند

کندانسور با تبادل گرما در دمای بالا یعنی تبدیل بخار به آب سر و کار دارد. در یک برج خنک کننده، آب خام گرم با کمک هوا خنک می شود. دمای آب در ابتدا حدود ۴۰ درجه سانتیگراد است و با هوا تا حدود ۳۳ تا ۳۵ درجه سانتیگراد خنک می شود. این یک مبدل حرارتی تماس مستقیم است.

در برج ‌های خنک‌ کننده گرد که بدنه آنها از فایبرگلاس ساخته شده‌، روش انتقال حرارت به صورت مدار باز است. به‌ طوری که آب در گردش توسط لوله عمودی به بالای برج خنک کننده منتقل شده و از طریق سیستم توزیع آب بروی قسمتی به ‌نام پکینگ ‌ها پاشیده شده و به قطرات کوچک ‌تری تقسیم می ‌شود. سپس هوا با جریان مخالف با قطرات کوچک آب برخوردکرده و تبادل حرارتی و گرمایی انجام می ‌شود و در نهایت با استفاده از سیستم فن، گرما از بالای برج خنک ‌کننده خارج می ‌شود.

در برج های خنک کن مکعبی مدار بسته، مقداری آب که در قسمت پایین برج که تشتک نام دارد توسط یک پمپ و شبکه نازل ‌های آب‌ پاش بروی این کوئل ‌ها ریخته می ‌شود و راندمان دستگاه را افزایش داده و به امر خنک ‌سازی سیال درون کویل ها کمک بسزایی می ‌کند.

تاثیر جهت گردش هوا (تبادل حرارت) در عملکرد برج خنک کننده

یکی از تاثیرگذارترین پارامترها در عملکرد بهینه برج خنک کننده، نحوه ورود هوا به آب در حال گردش درون سیستم خنک کاری است. آب در برج خنک کننده در اثر تبادل گرمایی با هوا، خنک می شود، بنابراین تامین هوای خنک کافی برای برج های خنک کن در طراحی باید در نظر گرفته شود. تامین هوا در سیستم های خنک کننده به روش های مختلفی صورت می گیرد که هر کدام بسته به نوع کاربری برج خنک کننده و محل استفاده از آن بستگی دارد. جریان یا گردش هوا درون برج‌ های خنک کننده به دو صورت جریان مخالف و جریان متقاطع تامین می شود.

برج خنک کننده جهت کاهش دمای آب می باشد. این کاهش دما حداقل تا ۳ الی ۴ درجه سانتی گراد بالای دمای مرطوب هر شهر می باشد. از نظر گردش هوا در برج خنک کننده و ریزش آب بر روی پکینگ ها بر دو نوع برج خنک کننده جریان مخالف (Counter Flow) و برج خنک کننده جریان متقاطع (Cross Flow) می باشد. در مورد برج خنک کننده جریان مخالف که بر دو نوع برج مکعبی و مدور موجود می باشد، آب گرم در برج های مکعبی جریان مخالف توسط پمپ وارد لوله های پخش آب می شود و از آنجا توسط نازل بر روی پکینگ ها ریخته می شود.

هوا توسط فن و نیرو اجباری به صورت جریان مخالف با آب از پکینگ ها عبور کرده و دمای آب را خنک می کند و آب پس از جمع شدن در تشتک برج خنک کننده از طریق لوله برای مصرف و تبادل حرارت منتقل می شود. آب گرم در برج های مدور جریان مخالف ابتدا از طریق لوله به آب پخش کن وارد می شود و سپس توسط لوله های متصل به آب پخش کن در حالت چرخش، آب بر روی پکینگ ها به صورت جریان مخالف با هوا می ریزد و آب خنک می شود./۵۲۵۶۶۳