نحوه محاسبه ظرفیت کولینگ تاور

Cooling tower design and selection

روشهای قدیمی طراحی برج خنک کننده، مبتنی بر استفاده از جداول و نمودارهای عمومی بوده است. در بسیاری از موارد طراحی و انتخاب برج خنک کن مداربسته صنعتی نیز بر مبنای اطلاعات تجربی بود که برای اقلیم خاصی کاربری داشت. این در حالی است که وسعت کشور عزیزمان ایران و وجود اقلیم ها و شرایط آب و هوایی متفاوت، موجب می گردد، که به منظور کارکرد بهینه یک برج خنک کن، طراحی ویژه ای برای آن صورت گیرد.

تعمیر برج خنک کننده: عدم رعایت اصول طراحی و استفاده صرف از کلید واژه تن تبرید یا تناژ تبرید برج خنک کننده در بسیاری از موارد به کارکرد نامناسب کولینگ تاور در آن منطقه خواهد انجامید.

به عنوان مثال مشخصات و ابعاد و اندازه برج خنک کننده ای با ظرفیت 100 تن تبرید در شهر تهران در مقایسه با یک کولینگ تاور گرد با همین ظرفیت در آب و هوای مرطوب مانند اهواز یا بندر عباس کاملا متفاوت است. این در حالی است که بسیاری از تولید کنندگان برج خنک کن این موارد را در عملیات طراحی لحاظ نمی کنند.

نمودار تغییرات متوسط دمای هوای روز و شب در ایران(نمودار هفتگی دمای حداقل و حداکثر)

به منظور طراحی برج خنک کن صنعتی به خصوص در صنایعی مانند فولاد، روی، مواد غذایی باید موارد ذیل حتما در طراحی در نظر گرفته شود :

مفاهیم اصلی و تعاریف در طراحی و بهینه سازی کولینگ تاور

تبخیر سطحی چیست : تبخیر سطحی فرآیندی است که در آن، مایع مورد نظر در دمایی غیر از دمای جوشش، 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 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 در اینجا به نوع مایع بستگی دارد و با LV نشان داده می‏شود. با توجه به این توضیحات داریم:

QV=mLV 

تغییر فاز بخار، آب و یخ

در حقیقت طی فرآیند تبخیر سطحی، مایع تبخیر شده گرمای نهان تبخیر را از محیط می گیرد و موجب خنک شدن سیال و محیط می گردد. 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 می باشد ولی در عین حال این روش به مصرف بالای آب می انجامد.

دمای حباب خشک – درای بالب

Dry Bulb 

دمای حباب خشک محیط 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.

دمای حباب مرطوب – وت بالب

Wet Bulb

با توجه به تعریف بیان شده در خصوص دمای خشک، اگر به دور حباب دماسنجی، 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.

باید توجه داشت که دمای خشک و دمای مرطوب در طی ماههای سال تغییر می کند ولی مفهوم از این دو دما در طراحی برج خنک کننده، متوسط حداکثر دمای خشک و دمای مرطوب در گرمترین فصل سال (مرداد ماه) است. همچنین دمای آب یا سیال خنک شده در برج خنک کن، در بهترین شرایط 2- 3 درجه بالاتر از دمای مرطوب یا Wet bulb خواهد بود.

تصویر تفاوت حباب مرطوب، وت بالب و دمای خشک

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

 مفهوم رنج در برج خنک کن  

Cooling tower range

اختلاف دمای بین سیال ورودی به برج و سیال خروجی از برج خنک کننده را Range می نامند. در حقیقت این عدد نشانگر میزان تغییر دمای سیال یا آب در برج خنک کننده است. به صورت کلی دمای رنج یا اختلاف دمای ورودی و خروجی برج خنک کن نمی تواند در یک مرحله از 35-38 درجه بیشتر باشد و اگر اختلاف دمای ورودی و خروجی مورد نظر در کولینگ تاور بیشتر از این عدد باشد، فرآیند خنک سازی باید در دو یا چند مرحله صورت گیرد.

به عنوان مثال اگر دمای آب وارد شده به برج خنک کن 80 درجه سانتیگراد بوده و دمای مورد نیاز خروجی کولینگ تاور 30 درجه باشد، خنک کاری باید طی دو مرحله و توسط دو برج خنک کننده به صورت سری انجام شود.

مفهوم دمای اپروچ در برج خنک کننده

Cooling tower approach

اختلاف دمای سیال یا آب خنک شده در برج خنک کن و دمای مرطوب محیط Wet bulb، را Approach می گویند. همانگونه که بیان شده از نظر تئوری میزان Approach در کولینگ تاور نمی تواند کمتر از 2-3 درجه سانتیگراد باشد.

برای مثال اگر دمای مرطوب محیط در شهری مانند آبادان یا اهواز معادل 30 درجه سانتیگراد باشه، برج خنک کننده می تواند نهایتا آب را تا دمای 33 درجه سانتیگراد خنک کند.

تصویر مفهوم دمای رنج و اپروچ در کولینگ تاور

مفهوم آب جبرانی یا Make up در برج خنک کن : آب جبرانی به آبی گفته می شود که به منظور جبران آب تبخیر شده و آب سر ریز به داخل مخزن برج خنک کننده اضافه می شود. آب میک آپ جبرانی در برج خنک کننده حتما باید شرایط خاصی از لحاظ سختی و PH  داشته باشد.

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

مفهوم آب سر ریز کولینگ تاور 

Cooling Blow down water

آب سر ریز Blow down در برج خنک کننده به میزان آبی گفته می شود که به منظور حفظ شرایط نرمال آب در گردش (سختی آب، ذرات معلق و …) در محدوده ای معین، از مخزن برج خنک کن تخلیه می گردد.

مفهوم ضریب تغلیظ در برج خنک کن

Cooling tower Cycle Of Concentration – COC

سیکل تغلیظ یا COC در کولینگ تاور به نسبت ذرات محلول در آب درون برج خنک کننده به ذرات محلول در آب ورودی یا همان آب میکاپ برج خنک کن گفته می شود. همانگونه که گفته شد ذرات معلق و محلول درون مدار برج خنک کن عمدتا به همراه بخار از کولینگ تاور خارج نمی شوند و بنابراین به مرور زمان غلظت آنها افزایش می یابد. به همین دلیل نیز از طریق آب زیر کش یا همان آب بلو داون و باید مقدار این ذرات را به حد استاندارد و مناسبی رساند.

میزان سیکل تغلیظ یا Cycle of concentration در برج خنک کن صنعتی و کولینگ تاور بستگی به شرایط آب و کاربری برج خنک کننده دارد ولی به صورت کلی عدد مناسب برای سیکل تغلیظ  برج خنک کن بین 3 الی 7 می باشد.

 ظرفیت برج خنک کن بر حسب تن تبرید یا کیلو وات

همانطور که در ابتدای این مقاله توضیح دادیم، فرمول محاسبه حجم آب تبخیری در برج خنک کن در گرمترین حالت تقریبا برابر E=0.0018*R*C است که R معادل رنج یا اختلاف دمای ورودی و خروجی برج خنک کننده و C برابر مقدار دبی آب در گردش بر حسب متر مکعب در ساعت است. از طرف دیگر حاصل ضرب دمای رنج در دبی آب در گردش، ظرفیت سرمایش کولینگ تاور بر حسب کیلو وات یا تن تبرید است.

اگر ظرفیت سرمایش یک کولینگ تاور را با Q نشان دهیم، مقدار ظرفیت خنک کاری Cooling tower بر حسب کیلو وات از فرمول زیر بدست می آید:

Q=R*C*4180/3600 kW

و ظرفیت برج خنک کننده بر حسب تن تبرید عبارت است از :

Q=(R*C*4180/3600)*0.285 rt

به این صورت برای حساب کردن و مشخص شدن مقدار آب تبخیر شده توسط برج خنک کن در بدترین وضعیت دمایی، می توانیم از روی ظرفیت برج خنک کن بر حسب کیلو وات مقدار تبخیر را به صورت تقریبی و با استفاده از فرمول زیر بدست بیاوریم. توجه کنید که در این فرمول ظرفیت کولینگ تاور بر حسب کیلو وات است. فرمول تبدیل کیلووات به تن تبرید سرمایش برابر 1kW=0.285rt است.

 E=Q*0.0013 ~0.0015

یعنی جرم بخار آب تبخیر شده در برج خنک کن بر حسب کیلوگرم برابر است با ظرفیت سرمایش بر حسب کیلووات ضرب در 0.0013 یا 0.0015.

مثال : میزان تبخیر آب یک برج خنک کن به ظرفیت 500 تن تبرید را حساب کنید.

برای بدست آوردن مقدار آب میکاپ و تبخیر شده در بدترین شرایط دمایی (ظهر مرداد ماه) در مرحله اول ظرفیت پانصد تن تبرید کولینگ تاور را به کیلووات تبدیل می کنیم.

500rt/0.285=1750kW

با در نظر گرفتن این عدد و فرمول تبخیر خواهیم داشت مقدار تبخیر آب برابر است با

 E=1750*0.0013=2.3 m^3/h

یعنی این برج خنک کننده در اوج گرمای تابستان به میزان 2300 لیتر آب یا 2.3 متر مکعب در ساعت تبخیر آب دارد. البته باید در نظر داشته باشید که این عدد مربوط به بدترین شرایط دمایی است و در واقعیت ساعت های کمی در طول سال هستند که برج خنک کننده به این مقدار مصرف آب داشته باشد. مثلا در پاییز، زمستان، بهار و حتی ساعت های صبحگاه و شبانگاه، مصرف آب بسیار کمتر از این عدد خواهد بود.

ظرفیت برج خنک کن (کولینگ تاور) : به میزان حرارتی که برج خنک کننده با عمل تبخیر از سیال خنک شونده جذب می کند، ظرفیت کولینگ تاور می گویند