محاسبات برج خنک کننده

تعداد بازدید:۶۶۴

 

 

محاسبات برج خنک کننده شامل سه بخش کلی محاسبه ظرفیت برودتی کولینگ تاور و محاسبه راندمان برج خنک کننده و همچنین نحوه محاسبه آب جبرانی در برج خنک کن می باشد که در واقع این گونه محاسبات در برج خنک کننده مبنای اصلی طراح و انتخاب یک کولینگ تاور می باشد . در واقع انجام محاسبات برج خنک کننده فرصتی جهت انتخاب صحیح و درست نوع برج خنک کننده ، ظرفیت برودتی مناسب کولینگ تاور ، میزان مصرف آب برج خنک کننده و همچنین عملکرد بهتر یک دستگاه خنک کننده آب می باشد . محاسبات مربوط به برج خنک کننده در واقع در دسته بندی های متفاوتی تقسیم می گردد . اولین بخش در محاسبات برج خنک کن در واقع نحوه تعیین دمای برج خنک کننده (دمای خروجی آب) می باشد . پس از تعیین دمای برج خنک کننده در واقع فاکتورهایی نظیر محاسبه ظرفیت برج خنک کننده کمک به سزایی در انتخاب بهتر یک کولینگ تاور خواهد داشت . محاسبه آب مصرفی برج خنک کننده نیز به لحاظ برآورد تجهیزات جانبی در راه اندازی سیستم گردش آب از اهمیت بالایی برخوردار است . به طوری که امروز کاهش میزان مصرف آب و انتخاب صحیح نوع برج خنک کننده یکی از مهمترین بخش های محاسبات در کولینگ تاور محسوب می شود . افزایش میزان راندمان ، کاهش میزان مصرف آب و تعیین دقیق ظرفیت برودتی کولینگ تاور مهمترین بخش های مرتبط با محاسبات برج خنک کننده قلمداد می شود .محاسبات برج خنک کننده با دوروش کلی صورت می پذیرید . روش اول محاسبات برج خنک کننده استفاده از فرمول ها و جداول از پیش تهیه شده در بخش های مختلف می باشد . روش دوم محاسبات برج خنک کننده در واقع بهره گیری از نرم افزارهای مخصوص محاسبات برج خنک کن می باشد . در این مقاله به توضیح مفصل روش های مختلف انجام محاسبات برج خنک کننده از جمله محاسبه نرخ حرارتی کولینگ تاور ، محاسبه آب تبخیری ، بلودان برج خنک کننده و همچنین محاسبه راندمان برج خنک کننده خواهیم پرداخت .

آپروچ برج خنک کننده

اختلاف بین دمای آب سرد خروجی برج خنک کننده ( Cooling Tower Outlet Temperature) با دمای مرطوب محیط ( Ambient Wet Bulb Temperature ) ، آپروچ (Approach) نام دارد . در واقع آپروچ برج خنک کننده میزان نزدیکی دمای آب سرد کولینگ تاور به دمای حباب تر محیط می باشد . به هر میزان آپروچ (نزدیکی دمای خروجی آب در برج خنک کننده به دمای مرطوب) کمتر باشد برج خنک کن دارای راندمان بیشتری خواهد بود . بنابراین در انجام محاسبات برج خنک کننده رسیدن به دمای آپروچ پایین تر همواره یکی از مهمترین بخش های طراحی کولینگ تاور می باشد . در واقع رسیدن به آپروچ کمتر از  5 درجه سانتی گراد در برج خنک کننده همواره در انجام محاسبات برج خنک کننده نیازمند ضریب اطمینان بالایی بوده است . به هر میزان آپروچ پایین تر باشد راندمان برج خنک کننده بالاتر خواهد بود . بنابراین در محاسبات برج خنک کننده حداقل میزان آپروچ معادل 5 درجه فارنهایت (2.8 درجه سانتی گراد) در نظر گرفته می شود. از طرفی هر چه از نظر تئوری در محاسبات مربوط به برج خنک کننده 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 در زیرمجموعه محاسبات برج خنک کننده از فرمول زیر استفاده می شود .

Approach = Cold Water Temperature – Wet Bulb Temperature

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


اختلاف دمای برج خنک کننده

یکی دیگر از فاکتورهای اساسی در محاسبات برج خنک کننده در واقع اختلاف دمای ورودی و خروجی آب در کولینگ تاور می باشد . اختلاف میان دمای آب گرم (ورودی) برج خنک کننده  و دمای آب سرد (خروجی) برج خنک کننده در واقع تحت عنوان اختلاف دمای برج خنک کننده (Range) نامیده می شود .در کلیه زیرمجموعه محاسبات برج خنک کننده از جمله محاسبه راندمان و محاسبه ظرفیت برج خنک کننده میزان اختلاف دمای ورودی و خروجی از اهمیت بالایی برخوردار است . در واقع اختلاف بین دمای آب گرم ورودی و آب سرد خروجی در برج خنک کننده محدودیت هایی دارد . در محاسبات برج خنک کننده رسیدن به اختلاف دمای (Range) بالاتر از 10 درجه سانتی گراد در یک سلول برج خنک کن شدنی نیست . ایده آل ترین اختلاف دمای ورودی و خروجی در کولینگ تاور در بیشتر محاسبات استاندارد برج خنک کننده معادل 5 تا 7 درجه سانتی گراد طراحی می شود . اختلاف دمای ورودی و خروجی آب در کولینگ تاور همچنین تابعی از شرایط محیطی و دمای ورودی به برج خنک کننده می باشد . ممکن است در یک محاسبات 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 در محاسبات برج خنک کننده جهت محاسبه اختلاف دمای برج خنک کننده  به کار می رود .

Range = Hot Water Temperature – Cold Water Temperature

 


محاسبه راندمان برج خنک کننده

یکی از پراهمیت ترین بخش های طراحی و محاسبات برج خنک کننده تعیین راندمان کولینگ تاور می باشد . در واقع در محاسبات برج خنک کننده راندمان برج خنک کننده (Cooling Tower Efficiently)  به دو پارامتر آپروچ (Approach) و اختلاف دما (Range) وابسته می باشد. به عبارتی ساده تر محاسبه راندمان برج خنک کننده نیز مانند بسیاری از پارامترهای طراحی کولینگ تاور وابسته به دمای مرطوب محیط می باشد .در واقع در محیط هایی با رطوبت نسبی بالا (شرجی) خروجی محاسبه راندمان برج خنک کننده کمی کمتر از حالت های ایده آل می باشد . در محیط هایی با رطوبت نسبی پایین (هوای خشک) همانند شهر یزد ، شیراز و غیره محاسبه راندمان برج خنک کننده نشانگر عددهایی همانند 85 درصد به بالا می باشد . 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 . (چنین موضوعی امکان ندارد) . بنابراین محاسبه راندمان برج خنک کننده و 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 . درواقع رسیدن به راندمان بالاتر از 75 درصد در برج خنک کننده در محاسبات برج خنک کننده نیازمند هزینه بسیار زیاد و غیراقتصادی می باشد .

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

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

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 محاسبه راندمان برج خنک کننده سبب افزایش راندمان کولینگ تاور 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 .


محاسبه چرخه غلظت در برج خنک کننده

یکی دیگر از پارامتر های تاثیرگذار در محاسبات برج خنک کننده COC می باشد . چرخه غلظت (Cycle of Concentration) یا به صورت مختصر COC در واقع یکی از مهمترین فاکتور های تعیین کننده در محاسبات برج خنک کننده محسوب می شود . COC یا چرخه غلظت در واقع رسانایی ( Conductivity ) در چرخه اصلی برج خنک کننده به رسانایی در چرخه آب جبرانی می باشد . به مظنور محاسبه میزان COC در برج خنک کننده در واقع مطابق فرمول زیر می توان عمل نمود .

COC = Conductivity of Cooling Water / Conductivity of Makeup water

میزان COC یا چرخه غلظت در برج خنک کننده در واقع کمیتی بدون بعد می باشد . مقدار COC در برج خنک کننده وابسته به شرایط آب ورودی و آب جبرانی بین 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 برج خنک کننده و دریفت قطرات آب می شود . در واقع چرخه غلظت یا COC یکی از مهمترین پارامترهای کلیدی در محاسبات برج خنک کننده مخصوصا در بخش محاسبه بلودان برج خنک کننده محسوب می شود . بهترین و بهینه ترین عدد برای فاکتور COC در محاسبات برج خنک کننده معادل 5 در نظرگرفته می شود .


محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده

یکی از مهمترین بخش های طراحی و محاسبات برج خنک کننده برآورد میزان آب مصرفی کولینگ تاور در شرایط مختلف اقلیمی و فصلی می باشد . آب جبرانی در برج خنک کننده (Make Up) در واقع میزان مصرف آب کولینگ تاور در واحد زمان معین می باشد . در یک چرخه آب در برج خنک کننده آب از سه روش متفاوت و مختلف از دست می رود . محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده در واقع دربرگیرنده پارامترهای زیادی می باشد . آب جبرانی در برج خنک کننده مرطوب یا مدارباز در واقع میزان آبی است که جهت ایجاد چرخه دائم و موازنه جرمی باید دائما وارد کولینگ تاور گردد . 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 برج خنک کننده و دریفت قطرات آب به بیرون کولینگ تاور . در واقع آب مصرفی (جبرانی) برج خنک کننده وابسته به عملکردهای متفاوت در کولینگ تاور در جهات مختف هزینه می شود . محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده از این جهت حائز اهمیت می باشد که تامین این آب در فصول گرم عملا باید با دورنگری و در طراحی اولیه در نظر گرفته شود . محاسبه 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 برج خنک کننده 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 برج خنک کننده اشاره شود . البته در زیر فقط به روش کلی محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده یعنی روش استفاده از فرمول های مهندسی اشاره می نماییم .

نمودار شماتیک از نحوه محاسبه آب جبرانی و تاثیر هر یک از سه پارامتر بر میزان Make Up

1-تبخیر آب در برج خنک کننده

اولین فاکتور هدررفت آب در برج خنک کننده در واقع تبخیر (Evaporate) می باشد . آب در اثر تماس با هوا دچار درصد کمی تبخیر شده و حرارت جذب شده برای تبخیر آب ، سبب کاهش دمای آب در برج خنک کننده می گردد. در واقع تبخیر بیشترین میزان از درصد آب جبرانی برج خنک کننده را تشکیل می دهد . تبخیر آب در برج خنک کننده در واقع مهمترین و بیشترین میزان تاثیر در محاسبه آب جبرانی در برج خنک کننده را برعهده دارد . میزان تبخیر آب در برج خنک کننده وابسته به اختلاف دمای ورودی و خروجی و همچنین وابسته به شرایط اقلیمی محیط نصب کولینگ تاور متفاوت می باشد. تعیین دقیق میزان تبخیر آب در کولینگ تاور تاثیر بسزایی در نتیجه محاسبه آب جبرانی در برج خنک کن خواهد داشت . در واقع مهمترین بخش محاسبات برج خنک کننده در تعیین دقیق میزان آب مصرفی برج خنک کن تبخیر می باشد . در واقع انرژی لازم گرفته شده از آب سبب تبخیر در برج خنک کننده می گردد . همین موضوع شاه راه اصلی محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده (تبخیر) 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 .


2-بلودان برج خنک کننده

دومین فاکتور از هدررفت آب در کولینگ تاور زیرآب یا بلودان برج خنک کننده (bleed Off) و در اصلاح تخلیه (Blow Down) می باشدکه در واقع دیگر از فاکتورهای تاثیرگذار در محاسبات برج خنک کننده (بخش محاسبه آب جبرانی) محسوب می گردد . میزان تخلیه یا زیرآب و در اصطلاح بلودان برج خنک کننده یک پارامتر عددی قابل تغییر می باشد . بلودان برج خنک کننده در واقع یکی از فاکتورهای اساسی در طراحی میزان آب جبرانی در برج خنک کننده می باشد .  منظور از بلودان برج خنک کننده (Blow Down) در واقع ، تخلیه پیوسته یا متناوب درصدی از آب جریانی در کولینگ تاور به منظور جلوگیری از افزایش غلظت مواد معدنی حل نشده (TDS) و سایر ناخالاصی های موجود در آب برج خنک کننده 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 برج خنک کننده از عدد استاندارد کمتر باشد غلظت مواد محلول در برج خنک کننده افزایش می یابد و سبب افزایش رسوب و گرفتگی و در نتیجه کاهش راندمان خواهد شد . اگر بلودان برج خنک کننده 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 محاسبه آب جبرانی برج خنک کن محسوب می شود . تنظیم و تعیین دقیق میزان بلودان برج خنک کننده کار ساده ای نیست بنابراین لطفا به منظور تنظیم جریان زیرآب یا تخلیه در برج خنک کننده با کارشناسان مجرب شرکت مشورت نمایید . تظیم میزان جریان تخلیه یا بلودان در کولینگ تاور بر اساس دو روش کلی دسته بندی می شود . روش اول تنظیم جریان تخلیه (بلودان برج خنک کننده) روش Manual یا دستی می باشد . در این روش با استفاده از یک شیر دستی و توسط یک اپراتور در هر چند ساعت جریان تخلیه تنظیم می گردد . روش دوم نیز در بلودان برج خنک کننده روش Automatic می باشد که بهترین روش در تنظیم میزان بلودان برج خنک کننده می باشد .

نحوه تنظیم جریان بلودان برج خنک کننده :

1-بلودان دستی (Manual Blow Down) : در این گونه موارد از یک فلنچ تخلیه کوچک و یک شیر دستی جهت تنظیم میزان بلودان برج خنک کننده استفاده می شود . میزان تنظیم بلودان برج خنک کننده در واقع به غلظت مواد محلول در آب ورودی و اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (Range) بستگی دارد .

2-بلودان اتوماتیک(Automatic Blow Down) : عموما به منظور کاهش میزان تخلیه و بلودان در برج خنک کننده از یک TDS متر هوشمند و یک شیربرقی استفاده می شود . TDS متر با افزایش میزان غلظت مواد محلول در آب از حدمجاز استاندارد ، فرمان روشن (On) را به شیر برقی جهت تخلیه آب صادر می نماید . با تخلیه و بلودان آب غلیظ از قسمت تشتک برج خنک کننده غلظت مواد محلول در آب کاهش پیدا می کند و TDS متر پس از زمان معین فرمان خاموش (Off) را صادر نماید .


3-دریفت یا پرتاب قطرات آب

دریفت (Drift) در برج خنک کننده در واقع کشیده شدن قطرات ریز آب به وسیله جریان مکش هوای عبوری می باشد . میزان دریفت یا پرتاب قطرات آب به سمت پروانه تابعی از طراحی برج و سرعت هوای عبوری از کولینگ تاور می باشد .

دریفت درواقع درصد بسیار کمی (2 درصد) از مصرف آب جبرانی برج خنک کننده را تشکیل می دهد . به منظور کاهش دریفت در برج خنک کننده از قطره گیر (Drift Elminator) جهت کاهش مصرف دریفت استفاده می شود . با استفاده از قطره گیر در برج خنک کننده میزان پرتاب قطرات آب به خارج کولینگ تاور تقریبا به 0.005 قطرات کاهش می یابد .



محاسبه عددی آب جبرانی برج خنک کننده

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

M=E+B+D

M = آب جبرانی برج خنک کننده

E = تبخیر آب در برج خنک کننده

B = بلودان برج خنک کننده

D = دریفت قطرات ریز آب در برج خنک کننده

 


محاسبات آب جبرانی برج خنک کننده

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 محسابه 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

E = Evaporation Loss (m3/hr)

R= Range

C = Circulating Cooling Water (m3/hr)

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

در این روش عموما 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

E = Evaporation Loss in m3/hr

C= Cycle of Concentration

R= Range in °C

Cp = Specific Heat = 4.184 kJ / kg / °C

HV = Latent heat of vaporization = 2260 kJ / kg

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 .

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 می باشد . به منظور محاسبه دقیق میزان مصرف آب می توانید از نرم افزار محاسبه آب جبرانی شرکت دماگستر در این زمینه بهره مند شوید .

تصویری از خروجی نرم افزار محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده


ب) محاسبه بلودان برج خنک کننده :

همانند تبخیر ، بلودان برج خنک کننده  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)

B = Blow Down (m3/hr)

E = Evaporation Loss (m3/hr)

 COC = Cycle of Concentration. (پارامتری بدون بعد بین 3 تا 7 که توسط تولیدکننده برج خنک کننده تعیین می گردد )

روش دوم ) محاسبه تقریبی میزان بلودان برج خنک کننده مطابق با جدول درصد بلودان :

میزان تخلیه و بلودان در برج خنک کننده برای حفظ غلظت مواد معدنی حل نشده در محدوده قابل قبول ، به محدوده خنک کاری کولینگ تاور(range) ، دبی . شرایط اولیه آب (TDS) بستگی دارد . برای تعیین مقدار آب تلف شده در اثر تخلیه ، دبی برج را در ضریب حاصل از جدول زیر ضرب نمایید .

درصد بلودان برج خنک کننده
درصد بلودان برج خنک کننده اختلاف دمای ورودی و خروجی برج خنک کننده (درجه سانتی گراد)
0.0015 3.5
0.0022 4.2
0.0033 5.5
0.0054 8.2
0.0075 11

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

E=350*2 =700 L/h

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

M=B+E = 865 L/h

 

 

کلید واژه ها: دمای برج خنک کننده بلودان برج خنک کننده محاسبات برج خنک کننده محاسبه ظرفیت برج خنک کننده محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده نحوه محاسبه مصرف آب برج خنک کن محاسبه دریفت برج خنک کننده محاسبه راندمان برج خنک کننده راندمان برج خنک کننده آپروچ برج خنک کننده اختلاف دمای برج خنک کننده محاسبه بلودان برج خنک کننده محاسبه تبخیر آب برج خنک کننده نرم افزار محاسبه برج خنک کننده نرم افزار محاسبه آب جبرانی برج خنک کننده نرم افزار محاسبات کولینگ تاور

آخرین ویرایش۲۴ دی ۱۳۹۸