محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده

در این مقاله می خواهیم در مورد اثرات سختی و رسوب آب بر روی عملکرد برج خنک کن با شما صحبت کنیم. دانستن این اطلاعات به شما کمک می کند بتوانید راندمان عملکرد کولینگ تاور را بهتر کنید و در مورد آسیب هایی که رسوب به پکینگ، نازل و سیستم توزیع آب می زند، بیشتر بدانید. در قسمت اول، یک تعریف از سختی آب و اثر آن بر سیستم های خنک کن تبخیری مثل Cooling tower، ارائه می کنیم.برج خنک کننده به خاطر قیمت مناسب، مصرف برق کمتر از چیلر و قابلیت کاهش دما به میزان دلخواه در آب و هوای گرم ایران، معمولا بعنوان بهترین گزینه برای کاهش دما و خنک کاری خط تولید در نظ گرفته می شود.

سختی آب بر اثر وجود یونهای فلزاتی مانند کلسیم، منیزیوم و در برخی موارد آلومینیوم یا آهن و … ایجاد می شود. تقریبا در اکثر موارد بخاطر حل شدن یونهای کلسیم و منیزیوم است که البته وجود یون کلسیم تاثیر بیشتری دارد. سختی آب در برج خنک کننده به دو نوع سختی دائم(سختی دایم) و سختی موقت تقسیم می شود.

سختی دائم آب عبارت است از وجود نمکهای غیر از بی کربنات کلسیم و منیزیوم. سختی کل در آب با گرما تبدیل به رسوب نمی شود و برای همین به سیستم های صنعتی صدمه نخواهد زد. تمامی لرزش و صدای تولید شده توسط فن به دلیل نیروهای توربولانت مقاومتی در برابر چرخش پروانه برج خنک کننده می‌باشد

در مواردی که سختی آب(سختی بالای آب معمولا مربوط به وجود یون کربنات کلسیم است) بالا باشد در بدنه برج خنک کننده، نازل ها، فن و از همه مهمتر پکینگ رسوب ایجاد می شود.این رسوب گیری باعث می گردد منافذ عبور هوا و آب کوچک و در برخی موارد بسته شده، راندمان برج خنک کننده به شدت کاهش یابد و همچنین در بدنه و اتصالات خوردگی بوجود بیاید.

آب مایعی است که می تواند انواع مواد معدنی را در خود حل نماید. با توجه به جنس خاک و بسترهای زمین، نمک های کلسیم (که موجب سختی آب می شوند) از مهمترین املاح آب هستند.

کلسیم محلول در آب به صورت بی کربنات کلسیم است. بی کربنات کلسیم انحلال پذیری بالایی در آب دارد. محلول آن شفاف بوده و کلسیم آن ته نشین نمی شود.بدلیل یک طرفه بودن این واکنش، پس از تشکیل رسوب و در صورت سرد شدن آب نیز، رسوب تشکیل شده به بی کربنات کلسیم تبدیل نمی شود.

از مهمترین نکاتی که در انتخاب پکینگ در برج های خنک کننده فایبر گلاس یا بتونی باید در نظر گرفته شود، تطبیق نوع پکینگ برای در محل است. پیشنهاد نوع پکینگ بر حسب سختی در برج های خنک کننده صنعتی بدین شرح است :

در این شرایط می توان از برای کولینگ تاور استفاده کرد. به این صورت در مواردی که از آب شهر یا آب چاه با سختی متوسط استفاده می شود، می توان از Film fill برای ایجاد سطح تبخیر در برج خنک کننده استفاده کرد.به صورت معمول برای برج خنک کن در صنعت تهویه مطبوع و چیلر از پکینگ فیلم PVC یا PP استفاده می شود و سختی آب در حدی نیست که به عنوان مثال نیاز باشد هر 6 ماه یکبار فیلینگ عوض شود.

در این شرایط توصیه اکید می شود از از نوع VC ,NC و NB استفاده نمود. این شرایط بیشتر در برج خنک کن صنعتی و در مواردی که آب چاه یا آب تامین شده سخت است استفاده می شود. در این شرایط یک مساله مهم پیش می آید.

بعضی از سازنده ها و تولید کنندگان کولینگ تاور، به خاطر اینکه قیمت محصول و اندازه برج خنک کننده کم شود، در پیشنهاد از پکینگ فیلم استفاده می کنند. خریدار نیز با فرض صرفه جویی در خرید، به سمت تامین کننده ای میرود که قیمت کمتری را پیشنهاد کرده است.

در صورتیکه این هزینه کم در ادامه برای خریدار مشکلات زیادی ایجاد می کنند و نیاز به بسیار زیاد می شود. در نتیجه خط تولید به مشکل می خورد و خریدار چندین برابر قیمت برج خنک کننمحاسبات برج خنک کننده شامل محاسبه ظرفیت برودتی، راندمان و آب جبرانی در می‌باشد که مبنای اصلی طراحی کولینگ تاور به حساب می‌آید.

انجام دقیق محاسبات در پکینگ برج خنک کننده فرصتی جهت انتخاب صحیح و درست نوع خنک‌کن، محاسبه ظرفیت برودتی مناسب و برآورد میزان مصرف آب برج خنک کاری قلمداد می‌شود. 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 می‌شود 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 زمینه‌ای برای طراحی و بهبود بخشیدن در سیستم سرمایشی صنعت محسوب می‌شود.

محاسبات مربوط به برج خنک کننده در دسته‌بندی‌های متفاوتی تقسیم می‌شود. اولین بخش نحوه تعیین دمای‌ خروجی آب می‌باشد. 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 می‌شود.افزایش‌ راندمان،کاهش میزان مصرف آب و تعیین دقیق ظرفیت برودتی کولینگ تاور مهمترین بخشهای مرتبط با انتخاب صحیح یک منبع برودتی قلمداد می‌شود که به دو روش زیر انجام می پذیرد.

• استفاده از فرمول ها و جداول از پیش تهیه شده در بخشهای مختلف
• بهره‌گیری 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 نیازمند ضریب‌اطمینان بالایی می‌باشد. در محاسبات اولیه طراحی به هر میزان آپروچ پایین‌تر 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 می‌شود. از طرفی هر چه از نظر تئوری در محاسبات مربوط طراحی اولیه بخواهیم آپروچ عدد پایین‌تری باشد باید ضریب افزایش سطح‌مفید 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.

محاسبه راندمان برج خنک کننده

به عبارتی دیگر رسیدن به راندمان 100درصد در محاسبات برج خنک کننده به معنای این می‌باشد 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 می‌شود که خروجی این اعداد نشانگر این موضوع است که  بهینه‌ترین میزان راندمان برج خنک کننده با ضریب اطمینان استاندارد، معادل با 70 الی 75 درصد می‌باشد.

در واقع رسیدن به راندمان بالاتر از 75درصد در محاسبات برج خنک کننده نیازمند هزینه بسیار زیاد بوده و غیراقتصادی می‌باشد. به منظور محاسبه راندمان برج خنک کننده از فرمول زیر استفاده می‌شود. به بیانی ساده‌تر 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 اختلاف‌دما در کولینگ تاور طبق فرمول فوق سبب افزایش راندمان می‌شود. البته لازم به ذکر است که در تابستان با افزایش دمای مرطوب محیط راندمان برج خنک کننده نسبت به سایر فصول پایین‌تر خواهد بود و این موضوع نشانگر این است که پارامتر راندمان در دسته محاسبات عددی ثابت نمی‌باشد و مطابق شرایط فصلی و اقلیمی نیز متغیر می‌باشد.

فاکتورهای فراوانی بر افزایش راندمان در برج های خنک کننده تأثیرگذار خواهد بود. بسیاران از طراحان و مشاورین مهندسی سیالات از بهترین نمونه‌های پکینگ‌مدیا و افشانک جهت پاشش صحیح آب و افزایش سطح تبادل حرارت بین آب و هوا استفاده می‌کنند. امروزه با پیشرفت علم سیالات و بهره‌گیری از نرم‌افزارهای مخصوص کمک بسیار زیادی در استفاده از نازلهایی با راندمان بالا و پاشش خوب و در نتیجه افزایش راندمان شده است.

محاسبات چرخه غلظت در برج خنک‌کننده

میزان COC یا چرخه غلظت کمیتی بدون بعد می‌باشد. مقدار COC در برج خنک‌کاری وابسته به شرایط آب ورودی و آب جبرانی بین عدد 3 تا 7 متغیر می‌باشد. در طراحی برج خنک‌کننده 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 می‌شود. چرخه غلظت یا COC یکی از مهمترین پارامترهای کلیدی در محاسبات برج خنک‌کننده مخصوصاً در بخش محاسبه بلودان محسوب می‌شود. بهترین و بهینه‌ترین عدد برای فاکتور COC در محاسبات معادل 5 در نظرگرفته می‌شود.

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