میزان ظرفیت برجهای خنک کننده چگونه محاسبه می شوند؟

محاسبات و طراحی کولینگ تاور شامل محاسبات تعیین ظرفیت برودتی،عملکرد یا راندامان و آب جبرانی در کولینگ تاور است که اساس محاسبه و طراحی کولینگ تاور بشمار می آید.

محاسبات و طراحی کولینگ تاور شامل محاسبات تعیین ظرفیت برودتی،عملکرد یا راندامان و آب جبرانی در کولینگ تاور است که اساس محاسبه و طراحی کولینگ تاور بشمار می آید. نرم افزار محاسبات دقیق کولینگ تاور ها درراستای انتخاب برجی مناسب میباشد و تعیین ظرفیت برودتی (تبرید) شامل براورد میزان مصرف آب برج خنک کن است.

محاسبات دقیق باعث عملکرد صحیح کولینگ تاور شده و درنتیجه فعالیت درست دستگاه سبب افزایش راندمان سیستم کارخانه و دیگر دستگاه‌های خنک کننده می‌شود. با ارائه فاکتورهای مهم برای طراحی و محاسبه انواع برج خنک کننده در این مقاله سعی دارد تا کلیه اطلاعات مربوط  برای این عملیات را دراختیار شما قرار دهد.

به عنوان مثال: یک دستگاه تزریق پلاستیک را تصور کنید که اگر طراحی و محاسبه دقیقی انجام نگیرد میتواند باعث رسوب گرفتگی در مدار برج خنک کننده و خسارت جدی به کل سیستم شود. درواقع طراحی اولیه و محاسبات اصولی میتواند تا حد بسیار زیادی در فرایند خنک کاری صنعت مفید باشد و راندمان کولینگ تاور را بهبود ببخشد.

این بخش از چند آیتم برخوردار است که میتوان به مهمترین آن میزان دبی آب درگردش یا میزان مصرف مایع اشاره نمود.در ادامه به دلتاتی خواهیم رسید که دمای ورودی و خروجی آب باید مورد محاسبه قرار بدهیم تا عدد تبرید یا برودت دقیق کولینگ تاور مشخص گردد. کاهش مصرف مایعات اولویت‌های طراحی  و محاسبه محسوب میشود. باید پارمترهایی را در برج خنک کننده درراستای کاهش آب اضافه نمود. بطور کلی میزان دبی سیال از جمله مهمترین آیتم‌های محاسبات کولینگ تاور بشمار می آید.

دمای تقرب یا آپروچ کولینگ تاور چیست؟

اختلاف دمای آبسرد خروجی ازو دمای مرطوب محیط آپروچ نام دارد.توضیح ساده تر باید گفت میزان نزدیکی دمای سیال سرد به حباب تر آپروچ میگویند. برای دستیابی به محاسباتی قوی اینطور میتوان گفت هر چه میزان دمای آب در حال خروج از کولینگ تاور به رطوبت محیط نزدیکتر باشد برج خنک کننده عملکردی بمراتب بهتر خواهد داشت.

در طراحی تمامی برج‌های خنک کننده سراسر جهان، کاهش دمای آب در هر بار سیرکوله سیال 5 درجه است. برای دستیابی به دمایی کمتر از 5 درجه باید میزان محاسبات و طراحی کولینگ تاور را دقیق تر بررسی نمایید. در همین باب فرمولی تحت عنوان طراحی محاسبه آپروچ برج خنک کننده ارائه کرده‌ایم که شرح ذیل می باشد:

Approach=Cold Water Temperature–Wet Bulb Temperature

آپروچ=دمای خروج آبسرد کولینگ تاور – حرارت مرطوب محیط

اختلاف دما در طراحی و محاسبات  کولینگ تاور چیست؟

اختلاف دما را دراصطلاح فنی و مهندسی (دلتا تی) می گویند منظور اختلاف دمای ورودی آب و خروج سیال از برج خنک کننده است.برای طراحی و محاسبه نهایی دلتا تی در کنار آیتم قبلی دبی آب مکمل تعیین ظرفیت کولینگ تاور می‌باشد.برای طراحی یکدستگاه برج خنک کننده مناسب با محیط و شرایط خنک کاری ویژه کارخانه مربوطه این نکته را برای محاسبه حتما در نظر بگیرید.

به چه عواملی بستگی دارد؟

البته با توجه به توضیحات قبلی متوجه شده‌اید مقدار اختلاف دمای آبگرم و سرد دارای محدودیت است.بطور کلی هر سلول از کولینگ تاور نمی تواند دمای آب را بیشتر از 5 درجه کاهش دهد. لازم به ذکر بدانید، موقعیت مکانی نصب دستگاه و اقلیم استان مربوطه تاثیر گذار بوده و میتواند عدد تبرید دربرخی استان‌ها تا 10 درجه افزایش یابد. برای دستیابی به محاسابت و طراحی برج خنک کننده مناسب در این مورد از فرمول ذیل استفاده نمایید.

Range = Hot Water Temperature – Cold Water Temperature

محاسبات راندمان کولینگ تاور را چگونه انجام دهیم؟

از موارد تاثیر گذار در فرایند تبرید و ایجاد برودت مناسب بروی آب  طراحی محاسبه عملکرد کولینگ تاور می‌باشد. افزایش یا کاهش راندمان برج خنک کننده ارتباط مستقیم با آپروچ و دلتاتی دارد. به بیانی دیگر جهت بالا بردن کیفیت خنک کاری سیال باید دمای محیط و دبی آب را در نظر بگیرید تا فرایند کاهش دمای آب بدرستی انجام شود.این در حالی است که بازهم علارقم تمام انجام این مراحل برخی مناطق که دارای رطوبت نسبی بالایی هستند. در بهترین شرایط طراحی مقدار کمی کمتر از حد نرمال و عادی خود است.اما درشهرهای خشک یا کویری با افزایش کارایی برج خنک کننده روبرو می‌شویم بطوری که اگر طراحی و محاسبات به درستی انجام شود تا 90 درصد بازدهی از کولینگ تاور را دریافت خواهیم کرد.

شاید برای شما سوال پیش بیایید آیا برج‌های فایبرگلاس توانایی خنک کاری با 100 درصد راندمان را ندارد؟درپاسخ باید گفت خیر بصورت عملی امکان انجام این عملیات درواقع غیر ممکن است چون تنها اولویت طراحان عملکرد صحیح برج خنک کننده در فصول گرم مانند تابستان می‌باشد.با توجه به استاندارهای جهانی و بین المللی که توسط کمپانی‌های معتبر ارائه گردیده امکان دستیابی وجود ندارد . میتوانید محاسبات کولینگ تاور مد نظرتان را با استفاده از فرمول زیر انجام دهید.

Cooling Tower Efficiency = Range/ (Range + Approach) x 100

برای افزایش راندمان بیشتر از حد استاندارد با استفاده از نرم افزارهای مهندسی میتوانید با تغییر نوع پکینگ مدیا،بهره گیری از فن آلومینیوم ایر فویل و تقویت سیستم آبرسانی تا حد بسیار زیادی راندمان عملکردی کولینگ تاور را تقویت نمایید.اما توجه داشته باشید قبل از اقدامات آورهال طراحی کولینگ تاور با دلتا کولینگ تماس بگیرید.

طراحی و محاسبات آب جبرانی کولینگ تاور چیست؟

شرکت کولینگ تاور دی ایکس به عنوان طراح مادر صنعت برج خنک کننده ایران درادامه به شما توضیح میدهد نحوه کار نرم افزارهای محاسبات را بسادگی انجام دهید با ما همراه باشید. سیستم کولینگ‌های طراحی شده تماما براساس خنک کاری سیال برمبنای تبخیر بخشی از مایع محاسبه شده است. برای همین منظور باید انشعابی داخل برج طراحی شود تا پرت آب را جبران کند.سامانه (Make Up) نام دارد و وظیفه پشتیبانی آب دستگاه وظیفه این بخش میباشد.

کولینگ تاورهای مدار باز پرت آب بیشتری دارند نسبت به نمونه هیبریدی درنتیجه باید بصورت دقیق محاسباتی منظم انجام گیرد. درهمین راستا از ابتدای طراحی برج خنک کننده تمامی سازندگان سیستم آب جبرانی لحاظ میکنند. اما میزان هدر رفت سیال در یک برج خنک کننده مرطوب درساعات شبانه روز چه مقدار است و چگونه میتوان عدد دقیق پرت آب رسید. برای این بخش دو راه حل وجود دارد.

محاسبه تخمینی : با توجه به تولیدات پیشین و تهیه گزارش از کولینگ تاورهای نصب شده در صنایع مختلف مهندسی شرکت به عددی میانگین 1الی 2درصد دبی کل درگردش رسیده‌اند که باید به مدار تزریق گردد.

محاسبه با فرمول: در بخش مکانیک سیالات تمامی محاسبات براساس یکسری فرمول انجام میشود و برای آب جبرانی نیز فرمولی مناسب وجود دارد که در ادامه میتوانید مشاهده نمایید.

میزان مصرف آب کولینگ تاور(برج خنک کننده) به دلیل تبخیر

Cooling tower evaporation loss

همانگونه که می دانید اصول کارکرد برج خنک کننده بر مبنای ) آب است. به همین دلیل کاهش دمای آب و خنک شدن بر اساس تبخیر اتفاق می افتد. میزان تبخیر آب برج خنک کننده را می توان به صورت تقریبی از روی فرمول های زیر محاسبه نمود.

فرمول اول محاسبه آب تبخیر شده در کولینگ تاور (Cooling tower)

 E= 0.0015*R*C

در این فرمول

E : مقدار تبخیر آب برج خنک کننده بر حسب متر مکعب بر ساعت

R : اختلاف دمای رنج (ورودی و خروجی کولینگ تاور) بر حسب درجه سانتیگراد

C : دبی آب در گردش بر حسب متر مکعب بر ساعت است.

فرمول دوم محاسبه آب تبخیر شده در کولینگ تاور

E = 0.0018*R*C

که در این فرمول هم ضرایب مثل فرمول فوق می باشد.

با این توضیحات نسبت تبخیر به دبی آب در گردش به صورت تقریبی برابر 0.0015 تا 0.0018 ضرب در دبی آب در گردش خواهد بود.

E/C = 0.0015 ~ 0.0018 *R

به عنوان مثال اگر در برج خنک کننده ای دمای ورودی آب 40 درجه سانتیگراد و دمای خروجی معادل 30 درجه سانتیگرد باشد، اختلاف دمای رنج برابر 10 درجه سانتیگراد است. همچنین اگر دبی آب در گردش را معادل 50 متر مکعب در ساعت در نظر بگیریم، میزان تبخیر آب در برج خنک کن برابر 750 لیتر در ساعت یا 0.75 متر مکعب می باشد(با استفاده از ضریب 0.0015). با ضرب عدد 10 در 0.0015 به این نتیجه میرسیم که نسبت تبخیر به آب در گردش برابر 0.015 خواهد بود. نکته بسیار مهم در این فرمول عدم وابستگی آن به دمای حباب تر یا وت بالب(Wet Bulb) است.

در حقیقت اختلاف دمای حباب تر با دمای آب خروجی از برج خنک کننده، بر روی میزان تبخیر آب تاثیری نداشته و صرفا با توجه به فاکتور اندازه(Size Factor) بروی ابعاد و قیمت برج خنک کننده تاثیر می گذارد. 

عدد بدست آمده در مورد مقدار تبخیر و مصرف آب کولینگ تاور، در بدترین شرایط آب و هوایی یعنی مرداد ماه و بین ساعات 12 الی 16 معتبر است. به این صورت برای محاسبه عدد واقعی مقدار مصرف آب برج خنک کن به خاطر تبخیر، نمی توان عدد حاصله از فرمول فوق را در 24(ساعات شبانه روز) ضرب کنیم. به عبارت دیگر میزان مصرف آب متوسط روزانه، ماهیانه و سالیانه برج خنک کننده، بسیار کمتر از حاصلضرب حداکثر مصرف ضرب در ساعات روز، ماه و یا سال خواهد بود. توجیه این مساله با در نظر گرفتن نمودار متوسط دما در طول سال و همچنین در طول روز امکان دارد.

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.

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.