محاسبات برج خنک کننده

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.

محاسبات برج خنک کننده

محاسبات برج خنک کننده چیلر

محاسبه توان برج خنک کننده بر مبنای چیلر تراکمی متناظر با آن صورت می گیرد. به این معنی که به یک برج خنک کننده فایبرگلاس 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 سایز کولینگ تاور 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. پیشنهاد ما این است که محاسبات برج خنک کننده مورد نظر خود را به سپرده و از راهنمایی فنی کارشناسان ما بهره بگیرید.

تعریف تن تبرید

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 برج خنک کننده را دیگر نمی توان با این روش انجام داد.

محاسبه توان برج خنک کننده

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 عدد فقط در همان شرایط محیطی 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.

پارامترهای مورد نیاز

در صورتی که قصد برآورد قیمت برج خنک کننده مورد نظرتان را دارید برای انجام محاسبات برج خنک کننده و تعیین توان خنک کاری آن پارامترهای زیر مورد نیاز است:

  • دبی آب در گردش
  • دمای ورودی به برج خنک کننده
  • دمای خروجی از برج خنک کننده
  • دمای مرطوب محیط

نرم افزار محاسبات برج خنک کننده

نرم افزار محاسبات برج خنک کننده به منظور ساده سازی فرایند محاسبات و پرهیز از به کار بردن معادلات پیچیده در انتخاب قطعات برج خنک کننده به کار می رود. نرم افزار محاسبات عملکرد دمایی برج خنک کننده، نرم افزار انتخاب و طراحی فن مناسب، نرم افزار سایزینگ گیربکس مربوطه و نرم افزار طراحی سیستم توزیع آب و محاسبه گر میزان آب مصرفی در برج خنک کننده از همین موارد هستند.

نرم افزار محاسبات حرارتی

محاسبات برج خنک کننده از نظر عملکرد حرارتی (Thermal Design) مهمترین قسمت در طراحی برج خنک کننده است. نرم افزار های مختلفی در این زمینه وجود دارد که مهمترین آنها نرم افزار خود CTI یعنی Toolkit است. در این نرم افزار شما مشخصات دمایی مورد نظر خود را وارد کرده و سپس با دادن مشخصات فن و پکینگ میتوانید محاسبات برج خنک کننده را انجام داده و کولینگ تاور مورد نظرتان را سایز کنید.

نرم افزار دیگر در این زمینه نرم افزار STAR متعلق به شرکت BRENTWOOD است. استفاده از این نرم افزار بسیار آسان بوده و تنها با دادن مشخصات دمایی مورد نظر خود میتوانید محاسبات برج خنک کننده را انجام دهید. ولی تنها مشکل کار این است که این نرم افزار تنها بر مبنای پکینگ های خود شرکت برنت وود عمل کرده و نمی توان مشخصات پکینگ های دیگر را در آن وارد کرد.

نرم افزار محاسبات سازه ای

محاسبات برج خنک کننده از نظر سازه ای (Structural Design) در ساخت برج خنک کننده سایز بزرگ مانند کولینگ تاور بتنی یا کولینگ تاور FRP (پالتروژن) اهمیت می یابد. در کولینگ تاور بتنی محاسبات برج خنک کننده مربوط به سازه توسط واحد عمرانی انجام شده و نقشه های اجرایی تحویل پیمانکار میگردد.

اما در ساخت برج خنک کننده FRP (پالتروژن) به دلیل پیچیدگی پروفیل پالترود از نظر خواص مکانیکی و هموژن نبودن آنها باید از تجربه و دقت بیشتری بهره برد. با توجه به تکرار پذیری الگوی سازه و اندازه پروفیل ها در تمام قسمت های برج میتوان از آنها استفاده کرد و با در نظر گرفتن یک ضریب اطمینان بالا در محاسبات برج خنک کننده، سازه را طراحی و اجرا نمود.

نرم افزار محاسبات فن

فن برج خنک کننده برای اینکه بتواند میزان هوای مورد نیاز را از درون برج خنک کننده عبور دهد باید درست سایز شود. این سایزینگ مستلزم تعیین قطر و تعداد پره ها، دور مورد نیاز، زاویه قرار گیری پره ها و توان الکتروموتور مورد نیاز برای تامین این میزان جریان هوا است. شرکت هایی مانند HOWDEN و HUDSON متخصص در ساخت برج خنک کننده هستند.

متاسفانه به دلیل تحریم ها این شرکت ها از ارایه نرم افزار محاسبات برج خنک کننده و فن های مربوطه به ایران منع شده اند. اما با استفاده از بعضی محاسبه گرهای آنلاین در سایت های دیگر می توان تا حدودی به سایز فن مورد نظر دست یافت. این موضوع مستلزم مقداری تجربه در ساخت برج خنک کننده و فن مربوطه و مقایسه فنی آن با فن های ساخت شرکت هایی مانند کوفیمکو (Cofimco) است.

نرم افزار انتخاب گیربکس

برای محاسبات برج خنک کننده مربوط به گیربکس باید تامین کننده گیربکس را از میان سازندگان معتبر انتخاب کرد. زیرا معمولا گیربکس ها برای کارکرد در دور پایین و انتقال نیروی بالا طراحی و ساخته می شوند اما در برج خنک کننده دور فن بالا بوده و این موضوع مستلزم سخت کاری ویژه بر روی چرخ دنده های گیربکس میگردد. شرکت هایی مانند فلندر محاسبه گر های آنلاینی را برای مشتریان خود تدارک دیده اند ولی استفاده از آنها نیاز به تجربه بالایی دارد.

در نتیجه بهتر است محاسبه و انتخاب گیربکس مناسب برای برج خنک کننده را به تامین کننده آن سپرده و در عوض گارانتی عملکرد را از آنها طلب نمایید. در توان های بالا علاوه بر کارکرد مکانیکی باید مراقب دمای روغن گیربکس هم بود که این موضوع با اضافه کردن یک فن و رادیاتور روغن حل می شود.

محاسبات برج خنک کننده و میزان آب مصرفی

میزان آب مصرفی برج خنک کننده (آب جبرانی) یکی از مواردی است که در محاسبات برج خنک کننده از سوی کار فرما مورد توجه قرار میگیرد. در این مورد حسابگر های آنلاینی وجود دارند که تقریبا همه آنها از یک فرمول برای محاسبه این موضوع استفاده می کنند.

Make up = E + D + B

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

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

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

که پارامتر C در فرمول آخر ضریب تغلیظ (Concentratio Factor) می باشد. برای کار با حسابگر آنلاین مانند حسابگر SPX نیاز است که موارد زیر مشخص باشند:

  • دمای ورودی
  • دمای خروجی
  • دمای مرطوب
  • دبی آب در گردش
  • ضریب عبور قطره گیر
  • ضریب تغلیظ

نکته مهم در این زمینه این است که محاسبه گر فوق مقدار مصرف آب برج خنک کننده را فقط در همان شرایط دمایی به دست میدهد و ممکن است مصرف آب کولینگ تاور در بقیه زمان ها با توجه به تغییر دماهای کارکرد کولینگ تاور تغییر کند. هم چنین ضریب عبور قطره گیر برج خنک کننده را نیز باید از دیتا شیت ارایه شده از سوی فروشنده استخراج کرد.

ضریب تغلیظ

ضریب تغلیظ (Concentration Factor) به نسبت سختی مجاز در آب در گردش به سختی موجود در آب جبرانی گفته می شود. یعنی اگر سختی مجاز در آب در گردش 500 ppm باشد و سختی آب جبرانی نیز 100 ppm باشد، ضریب تغلیظ برابر 5 خواهد بود. ضریب تغلیظ عموما عددی بین 3 تا 5 میباشد.

محاسبات برج خنک کننده و معادلات آن

به طور کلی معادلات دمای برج خنک کننده بر اساس پدیده انتقال حرارت تعریف نمی شود. زیرا اساسا پدیده غالب در برج خنک کننده انتقال جرم و تبخیر است. جریان آب در گردش با توزیع شدن در سطوح تبخیر پکینگ برج خنک کننده و در اثر بخار شدن درصدی از آب در گردش و اشباع هوای عبوری خنک می گردد. در این فرایند خنک سازی علاوه بر پکینگ فن برج خنک کننده نیز نقشی اساسی ایفا می کند. زیرا هر چقدر سرعت عبور هوا بالاتر باشد، سرعت تبخیر نیز افزایش یافته و آب خنک تر خواهد شد.

رابطه مرکل

عملکرد برج خنک کننده و دمای آب خروجی از آن تابعی از دمای مرطوب محیط بوده و معادله حاکم بر محاسبات برج خنک کننده از نظر ظرفیتی رابطه مرکل است که به صورت زیر بیان می شود:

رابطه مرکل منطبق بر منحنی زیر می باشد. با توجه به مشکل بودن محاسبه مربوط به انتگرال فوق بهتر است از نرم افزار های مربوطه یا گراف عملکرد پکینگ برج خنک کننده برای محاسبات برج خنک کننده استفاده شود.

طراحی برج خنک کننده

طراحی برج خنک کننده از نظر سازه ای بیشتر در کولینگ تاور های سایز بزرگ (FEC) بتنی یا فایبرگلاس که در صنایع پتروشیمی، پالایشگاه یا فولاد استفاده می شوند اهمیت پیدا می کند. ساخت برج خنک کننده FEC (Field Erected Cooling Tower) در محل سایت صورت میگیرد. در نتیجه برای ساخت چنین سازه ای باید الزامات طراحی سازه را در نظر گرفت.

طراحی سازه برج خنک کننده

در ساخت برج خنک کننده بتنی محاسبات برج خنک کننده از نظر سازه ای بر عهده واحد سیویل است. آنها طراحی سازه بتنی را انجام داده و خروجی آن را که نقشه های ساخت و اجرا است را پیمانکار تحویل دهند. تفاوت هایی مانند ضد آب بودن بتن و مقاومت آن در برابر خوردگی مواد شیمیایی محلول در آب در گردش نیز در این طراحی لحاظ میگردد.

در ساخت برج خنک کننده فایبرگلاس سایز بزرگ که با پروفیل پالتروژن ساخته می شود داستان کمی تفاوت میکند. زیرا ساختار پروفیل پالتروژن هوموژن نبوده و خواص مکانیکی آن در جهات مختلف با هم متفاوت است. در محاسبات برج خنک کننده و در نرم افزار های طراحی سازه در بخش وارد کردن مشخصات فنی متریال مصرفی این موضوع پیش بینی شده است.

منابع خارجی