محاسبات برج خنک کننده

محاسبات برج خنک کننده یکی از مهم‌ ترین و تخصصی‌ ترین خدمات فنی ارایه شده در طراحی سیستم‌ های خنک‌ کاری صنعتی، نیروگاهی و تهویه مطبوع است. این محاسبات مشخص می‌ کند که آیا برج انتخاب‌ شده می‌ تواند بار حرارتی موردنظر را در شرایط واقعی محیطی دفع کند یا خیر. کوچک‌ ترین خطا در این بخش می‌ تواند منجر به کاهش راندمان، افزایش مصرف انرژی، افزایش مصرف آب و حتی از کار افتادن کل سیستم شود.

برای درک بهتر ساختار و نحوه عملکرد سیستم های خنک کاری، پیشنهاد می‌ شود قبل از شروع صفحه انواع برج خنک کننده صنعتی را بررسی کرده و سپس وارد بخش محاسبات و طراحی شوید تا اصول کار و فرمول های شرح داده شده برای شما روشن تر شود.

محاسبات برج خنک کننده درباره چه مواردی هست؟

محاسبات برج خنک کننده به مجموعه خدمات محاسبات توان سرمایشی برج خنک کننده، نحوه عملکرد دمایی آن در بدترین شرایط کارکرد، محاسبات مربوط به سازه برج خنک کننده و طراحی سیستم توزیع آب گفته می شود. خروجی فرایند محاسبات برج خنک کننده به تعیین توان خنک کاری واقعی کولینگ تاور، نقشه های ساخت سازه و تعیین نوع و مقدار پکینگ منتهی میگردد. انجام امور محاسبات نیازمند دانش فنی، تخصص و تجربه کاری بالا دارد.

تعریف تن تبرید

تعریف فیزیکی

در مقیاس فیزیکی و به عنوان واحد توان انتقال حرارت، یک تن تبرید برابر است با میزان حرارتی که برای تبدیل یک تن یخ به آب در مدت 24 ساعت در دمای صفر درجه سانتی‌ گراد نیاز است.

تعریف مهندسی

طبق تعریف استاندارد یک تن تبرید در فرایند محاسبات برج خنک کننده برابر با توانایی خنک کاری 3 گالن بر دقیقه (gpm) یا 0.68 متر مکعب بر ساعت آب در گردش از دمای 95 درجه فارنهایت (35 درجه سانتیگراد) به 85 درجه فارنهایت (29.4 درجه سانتیگراد) در دمای مرطوب 75 درجه فارنهایت (25.6 درجه سانتیگراد) می باشد. لازم به ذکر است که اگر برج خنک کننده در شرایط دمایی غیر از شرایط فوق در حال کار باشد محاسبات را دیگر نمی توان با این روش انجام داد.

تبدیل واحد

از آنجا که تن تبرید از جنس واحد های توان انتقال حرارت مانند کیلووات و کیلوکالری بر ساعت است، ضرایب تبدیل واحد آن به شرح زیر است:

 1TR ≈ 3.517 kW

 1TR ≈ 3024 kcal/h

پارامترهای کلیدی در محاسبات برج خنک کننده

دبی جرمی و حجمی آب

دبی آب و هوای عبوری از برج خنک کننده به‌ صورت حجمی m³/h و یا جرمی kg/s بیان می‌ شود و یکی از اصلی‌ ترین ورودی‌ های مربوط به محاسبات است. با توجه به تاثیر چگالی هوا در دبی جرمی، شرایط محیطی مانند ارتفاع از سطح دریا و دمای محیط باید در محاسبه آن لحاظ گردد.

دمای ورودی و خروجی

اختلاف این دو دما که به آن Range گفته می‌ شود، میزان بار حرارتی دفع‌ شده را مشخص می‌ کند. لازم به ذکر است هنگام محاسبات باید دقت شود که در فرمول مورد نظر، واحد اندازه گیری سانتیگراد است یا فارنهایت.

دمای مرطوب محیط

مهم‌ ترین پارامتر ترمودینامیکی که حداقل دمای قابل دستیابی آب را مشخص می‌ کند. هیچ برج خنک کننده‌ ای نمی‌ تواند آب را به دمایی کمتر از دمای مرطوب برساند. نکته مهم این است که این موضوع به صورت تئوریک بوده و در عمل هیچ برج خنک کننده نمی تواند آب را به دمایی کمتر از 3 تا 5 درجه بالاتر از دمای مرطوب محیط برساند.

Approach

Approach = T_cold - T_wetbulb

هرچه Approach کمتر باشد، برج باید بزرگ‌ تر و با راندمان بالاتری طراحی شود. به این معنا که هر چقدر دمای آب سرد خروجی نزدیک تر به دمای مرطوب محیط باشد، خنک کاری آن به صورت تصاعدی سخت تر شده و به همان اندازه سایز برج خنک کننده مورد نیاز نیز به صورت تصاعدی بزرگ تر می گردد.

نسبت L/G (Liquid to Gas Ratio)

این نسبت بین دبی جرمی آب و دبی جرمی هوا است و یکی از پارامتر های کلیدی در تحلیل دقیق برج محسوب می‌ شود.

فرمول پایه انتقال حرارت

اگر از فرمول Q=MCΔT برای محاسبات برج خنک کننده در حال کار استفاده می کنید باید به این موضوع توجه داشته باشید که این رابطه تنها بیانگر انتقال حرارت کلی است و برای طراحی واقعی کافی نیست، زیرا فرآیند در برج خنک کننده ترکیبی از انتقال حرارت و جرم (تبخیر) است.

در نتیجه این عدد فقط در همان شرایط محیطی (همان دمای مرطوب) صادق است و در یک شرایط محیطی دیگر حتما متفاوت خواهد بود. هر چه دمای مرطوب محیط بالاتر رود ظرفیت برج خنک کننده با مشخصات فنی معین کاهش می یابد.

تحلیل دقیق با رابطه مرکل

رابطه مرکل یکی از بنیادی‌ ترین روابط در طراحی برج خنک کننده است که فرآیند همزمان انتقال حرارت و جرم را مدل‌ سازی می‌ کند.

فرم انتگرالی رابطه مرکل

این رابطه به‌ صورت زیر بیان می‌ شود:

که در آن:

K: ضریب انتقال جرم

a: سطح ویژه پکینگ

V: حجم پکینگ

L: دبی جرمی آب

تفسیر فیزیکی رابطه مرکل

این رابطه نشان می‌ دهد که:

• هرچه سطح تماس (پکینگ) بیشتر باشد ← راندمان افزایش می‌ یابد
• هرچه اختلاف دمای موثر بیشتر باشد ← انتقال حرارت بهتر انجام می‌ شود
• هرچه دبی آب بیشتر باشد ← نیاز به سطح انتقال بیشتری داریم

محدودیت‌ های رابطه مرکل

• فرض اشباع بودن هوا
• نادیده گرفتن انتقال حرارت محسوس هوا
• مناسب برای طراحی‌ های مهندسی اولیه

نقش پکینگ در پارامتر KaV/L

یکی از مهم‌ ترین نتایج رابطه مرکل، پارامتر KaV/L است که مستقیماً به مشخصات فنی پکینگ برج خنک کننده وابسته است.

• پکینگ فیلمی ← راندمان بالا، حساس به رسوب
• پکینگ اسپلش ← مقاومت بالا، راندمان کمتر

محاسبه دقیق مصرف آب

مصرف آب در برج خنک کننده بسیار مهم است و شامل موارد زیر است:

Make up = E + D + B

E : تلفات تبخیری (Evaporation Loss)

تلفات ناشی از تبخیر آب، برای انجام فرایند خنک کاری است و بیشترین سهم را در مقدار آب جبرانی بر عهده دارد.

E (Evaporation) = 0.00153 x Q (m3/h) x ΔT

D : تلفات دریفت (Drift Loss)

مربوط به تلفات آب خروجی فن برج خنک کن است و با استفاده از قطره گیر برج خنک کننده مقدار آن کاهش می یابد.

D (Drift) = 0.00001 x Q (m3/h)

B : تلفات بلودان (Blowdown)

بلودان یا آب زیرکش به منظور کاهش سهم آب دارای املاح بالا در برج صورت گرفته تا از رسوب املاح در سیستم جلوگیری شود.

B (Blow down) = E (m3/h) / (C - 1)

که COC همان Cycles of Concentration و یا همان ضریب تغلیظ است. ضریب تغلیظ برابر نسبت وزنی یک آیتم خاص در آنالیز آب (معمولا TDS) به میزان همان آیتم در آب جبرانی است که معمولا بین 3 تا 4 فرض گرفته می شود. هر چقدر COC بالاتر باشد، به همان نسبت رسوب گذاری بیشتر بوده و نوع پکینگ نیز به سمت اسپلش میل می کند.

تحلیل جریان هوا و فن

میزان جریان هوا که با پارامتر سرعت عبور هوا از سطح مقطع پکینگ مرتبط است، یکی از عوامل تعیین‌ کننده در عملکرد برج است و باید بین 2.5 تا 3.5 متر بر ثانیه باشد.

محاسبه دبی هوا

بر اساس نسبت L/G تعیین می‌ شود. بدین صورت که با مشخص بودن ضریب L/G در یک برج خنک کننده و داشتن دبی می توان مقدار دبی جرمی هوا را محاسبه کرد.

افت فشار در برج

افت فشار در مسیر جریان هوای عبوری از برج خنک کننده شامل موارد زیر می شود:

• افت فشار پکینگ
• افت فشار قطره‌ گیر
• افت فشار در ورودی و خروجی

انتخاب فن

انتخاب صحیح فن برج خنک کننده بر اساس مقادیر پارامتر های زیر می توان انجام داد:

• دبی هوا
• فشار استاتیکی
• راندمان فن

محاسبات گیربکس و توان مصرفی

در برج‌ های خنک کننده سایز بزرگ، فن توسط گیربکس به حرکت در می‌ آید و نمی توان از دیگر سیستم کاهش دور برج خنک کننده استفاده کرد.

توان مورد نیاز

Power = Air Flow × Pressure / Efficiency

انتخاب گیربکس

• نسبت تبدیل
• تحمل گشتاور
• شرایط کاری

نرم‌ افزار های طراحی برج خنک کننده

در طراحی حرفه‌ ای از نرم‌ افزار های تخصصی استفاده می‌ شود. این نرم افزار ها علاوه بر تحلیل کلی برج خنک کننده، می توانند تک به تک قطعات برج خنک کننده را به طور جداگانه مورد بررسی قرار داده و میتوان با استفاده از آنها قطعه مورد نظر را به درستی انتخاب نمود. به طور کلی نرم افزار های مورد استفاده قابلیت‌ های زیر را دارند:

تحلیل حرارتی دقیق (Merkel / NTU Methods)

برای این مورد نرم افزار خود CTI به نام TOOLKIT بهترین مورد است. شرکت هایی مانند BRENTWOOD نیز نرم افزار هایی در این مورد دارند که به دلیل تحریم ها در دسترس نیست.

تحلیل CFD جریان هوا

نرم افزار فلوئنت بهترین گزینه در این مورد است. نرم افزار هایی مانند ANSYS نیز می توان به درک بهتر جریان هوا کمک کند.

طراحی سازه‌ ای

نرم افزار TEKLA بیشتر برای طراحی سازه های فلزی بزرگ ساختمان ها استفاده می شود. اما با تغییر متریال آن به فایبرگلاس می توان از آن برای طراحی برج خنک کننده فایبرگلاس سایز بزرگ که با استفاده از پروفیل های پالتروژن ساخته می شود، استفاده کرد.

انتخاب فن و گیربکس

برای انتخاب فن باید از نرم افزار های شرکت های سازنده فن مانند HOWDEN استفاده کرد. در زمینه گیربکس نیز شرکت هایی مانند FLENDER و یا AMARILLO محاسبه گرهای آنلاینی را در اختیار مشتریان خود قرار می دهند.

محاسبات برج برای سیستم‌ های چیلر

محاسبه برج خنک کننده چیلر بر مبنای چیلر تراکمی متناظر با آن صورت می گیرد. به این معنی که به یک برج خنک کننده با مشخصات فنی معین، برج خنک کننده 500 تن تبرید گفته می شود اگر بتواند عملیات خنک کاری یک چیلر تراکمی به ظرفیت 500 تن تبرید را در دمای مرطوب 24 درجه سانتیگراد انجام دهد. این بدان معنا است که با تغییر شرایط محیطی (تغییر دمای مرطوب) حتما توان برج خنک کننده با مشخصات فنی معین تغییر خواهد کرد.

در نتیجه ممکن است که یک ظرفیت خاص از دسته بندی برج خنک کننده فایبرگلاس با مشخصات فنی معین، در تهران بتواند خنک کاری یک چیلر تراکمی 500 تن را انجام دهد ولی همان دستگاه با همان مشخصات فنی در شمال کشور را نتوان به عنوان برج خنک کننده چیلر تراکمی 500 تن استفاده کرد و توان واقعی برج خنک کننده کاهش یابد.

خطاهای رایج در محاسبات

• نادیده گرفتن Wet Bulb
• انتخاب اشتباه L/G
• بی‌ توجهی به افت فشار
• عدم محاسبه دقیق مصرف آب

ارتباط محاسبات با قیمت

برای خرید کولینگ تاور باید محاسبات دقیق مهندسی انجام داد تا از اقتصادی و به صرفه بودن قیمت برج خنک کننده مطمئن شد و از هزینه‌ های اضافی جلوگیری کرد. زیرا اشتباه در تعیین سایز ممکن است به بروز هزینه های سنگین در واحد بالا دستی منجر شود.

جمع‌ بندی نهایی

محاسبات برج خنک کننده به طور کلی شامل موارد زیر می شود:

• تحلیل حرارتی (Merkel)
• محاسبه مصرف آب
• تحلیل جریان هوا
• انتخاب فن و گیربکس
• انتخاب نوع برج

با رعایت این اصول، می‌ توان به یک طراحی بهینه، کم‌ هزینه و با راندمان بالا دست یافت.

سوالات متداول (FAQ)

آیا رابطه مرکل کافی است؟

برای طراحی اولیه بله، اما برای طراحی دقیق بهتر است از نرم‌ افزار استفاده شود.

مهم‌ ترین پارامتر در طراحی برج چیست؟

دمای مرطوب محیط

آیا می‌ توان مصرف آب را کاهش داد؟

بله، با طراحی صحیح و استفاده از قطره‌ گیر