ظرفیت برج خنک کننده را به وسیله تن تبرید بیان می کنند. یک تن تبرید برابر میزان گرمای لازم برای تبدیل یک تن (907 کیلوگرم) یخ صفر درجه به آب صفر درجه در مدت زمان 24 ساعت می باشد. همچنین یک تن تبرید برابر 12000 Btu/hr یا 3.5 کیلووات می باشد. در نتیجه وقتی بیان می شود که یک کولینگ تاور به طور مثال برابر 100 تن است، یعنی مقدار قدرت خنک کردن آن برابر 350 کیلو وات می باشد.
کلمه تن تبرید در زمان های گذشته توسط شرکت های سازنده یخ در آمریکای شمالی به صنعت تهویه مطبوع و سرمایش وارد شده است و تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرد. در این مطلب از در مورد ظرفیت برج خنک کننده و نحوه محاسبه آن، توضیحاتی ارائه خواهد شد.
محاسبه ظرفیت برج خنک کننده
ظرفیت کولینگ تاور وابسته به ابعاد، میزان دبی آب و جریان هوا، میزان پکینگ، ارتفاع ریزش و محل 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.
همانطور که اشاره کردیم با داشتن این چهار پارامتر با وارد کردن در نرم افزارهای مخصوص و یا حرکت بر روی چارت های طراحی شده می توان میزان ظرفیت را مشخص نمود. استفاده از کامپوزیت یا فیبر فشرده پلاستیک در تیغه فن در برج خنک کننده سبب افزایش مقاومت و طول عمر این قطعه می‌شود.
بررسی یک مورد تعیین و محاسبه ظرفیت کولینگ تاور
برای نمونه داده های یک مورد را با هم چک می کنیم.
- دمای ورود 37 درجه سانتیگراد
- دمای خروج 32 درجه سانتیگراد
- دبی آب برابر 150 متر مکعب در ساعت برای نصب در شهر تهران (حداکثر دمای مرطوب 24 درجه سانتیگراد)
وقتی این داده‌ها را وارد نرم افزار می کنیم، تناژ مورد نیاز برابر 144 تن نمایش داده می شود.
ظرفیت برج خنک کننده
اکنون اگر بخواهیم دمای خروج را 30 و یا 28 درجه سانتیگراد در نظر بگیریم، به ترتیب میزان تناژ مورد نیاز برابر 211 و 314 تن خواهد بود. بنابراین ملاحظه می کنید که هر چه اختلاف دمای ورود و خروج از بالاتر باشد، میزان تناژ افزایش می یاید.
حالا اگر با همان دمای 37 به 32 درجه سانتیگراد و دبی 150 متر مکعب در ساعت، دمای مرطوب بالا برود و در در شهری نصب شود که دمای مرطوب 26 و 28 درجه سانتیگراد باشد، به ترتیب میزان ظرفیت برج خنک کن برابر 169 و 216 خواهد شد.
با افزایش دبی هم میزان افزایش می یاید. به طور مثال اگر با همان دما های ذکر شده دبی برابر 180 و 250 متر مکعب در ساعت شود، تناژ کولینگ تاور به ترتیب برابر 172 و 239 می شود. می بینیم که این میزان به شرایط دمایی بسیار حساس استمحاسبات برج خنک کننده شامل محاسبه ظرفیت برودتی، راندمان و آب جبرانی در می‌باشد که مبنای اصلی طراحی کولینگ تاور به حساب می‌آید.پ
انجام دقیق محاسبات در 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 پکینگ برج خنک کننده 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 خنک‌کننده 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.
محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده
محاسبه آب جبرانی در برج خنک‌کننده تابع سه پارامتر اصلی می‌باشد. سه پارامتر تأثیرگذار بر محاسبه آب جبرانی عبارتند از تبخیر آب – بلودان و دریفت قطرات آب به بیرون کولینگ‌تاور. در واقع آب‌مصرفی(جبرانی) وابسته به عملکردهای متفاوت در کولینگ‌تاور در جهات مختف هزینه می‌شود.
محاسبه آب جبرانی از این جهت حائز اهمیت می‌باشد که تأمین این آب در فصول گرم عملاً باید با دورنگری و در طراحی اولیه درنظرگرفته شود.آب جبرانی در برج خنک‌کننده توسط سه روش کلی محاسبه می‌شود.
- 1-روش محاسبه آب جبرانی به صورت تخمینی (1.5 تا 2 درصد آب در گردش)
- 2-محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده با روش فرمولی
- 3-محاسبه آب جبرانی 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 اشاره شود. البته در زیر فقط به روش کلی محاسبه آب جبرانی برج خنک‌کننده یعنی روش استفاده از فرمول های مهندسی اشاره مینماییم.
1-تبخیر آب در برج خنک‌کننده
تعیین دقیق میزان تبخیر آب در کولینگ‌تاور تأثیر بسزایی در نتیجه محاسبات آب جبرانی در برج خنک‌کن خواهد داشت. در واقع مهمترین بخش محاسبات برج خنک‌کننده در تعیین دقیق میزان آب مصرفی تبخیر می‌باشد.انرژی لازم گرفته شده از آب سبب تبخیر در برج خنک‌کننده می‌گردد.
همین موضوع شاهراه اصلی محاسبات آب جبرانی می‌باشد. به عبارتی ساده‌تر با استفاده از ضریب محسوس گرمای‌ویژه تبخیر در برج خنک‌کننده میزان این پارامتر در محاسبه آب جبرانی به راحتی تعیین می‌گردد.در قسمت بعد در انتهای مقاله به بررسی عددی میزان تبخیر و محاسبه دقیق آب جبرانی در برج خنک‌کننده به طور مفصل می‌پردازیم.
2-بلودان برج خنک‌کننده
دومین فاکتور از هدررفت آب در کولینگ‌تاور زیرآب یا بلودان(bleed Off)و در اصلاح جریان تخلیه (Blow Down) می‌باشدکه یکی دیگر از فاکتورهای تأثیرگذار در محاسبات برج خنک‌کننده محسوب می‌گردد.میزان تخلیه یا زیرآب و در اصطلاح بلودان برج خنک‌کننده یک پارامتر عددی قابل تغییر می‌باشد.
محاسبات مربوط بلودان برج خنک‌کننده در واقع یکی از فاکتورهای اساسی در طراحی کولینگ‌تاور می‌باشد.منظور از بلودان برج های خنک کننده (Blow Down)، تخلیه پیوسته یا متناوب درصدی از آب در کولینگ‌تاور به منظور جلوگیری از افزایش غلظت مواد معدنی حل نشده (TDS) و سایر ناخالاصی‌های موجود می‌باشد.