انتخاب و محاسبه برج خنک کننده

برج خنک کننده دستگاهی است از خانواده های مبدل های حرارتی که با ایجاد سطح وسیعی از هوا با آب باعث خنک شدن آب می شود ، در واقع برج خنک کننده ماهیتی مبدل گونه دارد ، که سیال خنک شونده آب و سیال خنک کننده  هوا می باشد، برج خنک کننده از جمله تجیهیزات پرکاربرد د صنعت تاسیسات می باشد که حداقل در تمام کارخانهای تولید و دستگاهیی که با آب خنک می شوند از آن استفاده میشود

اصول پایه در برج های خنک کننده

مکانیزم خنک کنندگی تبخیر و تبادل گرمایی محسوس از اصول برج های خنک کننه هستند که به خوبی به آن عمل می کنند ، مخلوط آب و هوا گرمای نهان تبخیر را آزاد می سازد ، از آب گرم مصرف شده به جریان هوای سرد بخار بلند  میشود ، انرژی تبخیر آب 1000 btu  به ازای هر کیلوگرم آب می باشد این گرما گیری از آب دمای آب را پایین می آرود فرایند فوق تاواان و تلفاتی نیز دارد  که همان هدر رفتن آب است مه به صورت بخار از بالای برج خارج می شود. در شرایط عادی این مقدار بخار تقریبا 1.2 درصد به ازاای هر 5.5 درجه سانتیگراد از دامنه برج خنک کن می باشد.

گرمای محسوس که دما را تغییر می دهد ، نیز در  بخشی از فرایند برج تاثیر گزار است ، وقتی آب گرمتر از هوا باشد ، پس قطعا هوا آب را خنک میکند و در نتیجه دمای هوا آفزایش پیدا خواهد کرد ، چون گرمای محسوس آب به هوا انتقال پیدا خواهد کرد.ازاد شدن گرمای نهان تبخیر خاصیت خنک کنندگی دارد ، و این تاثیر تقریبا 75 درصد کل عمل خنک کردن برج را تشکیل می دهد ، 25 درصد دیگر به تبادل گرمای محسوس مربوط است

برج خنک کننده ماشین است که مقدار گرما را ازیک ناحیه به ناحیه دیگر انتقال می دهد چناچه بخواهیم با اصطلاح تخصصی تر عملکرد برج را بیان کنیم خواهیم گفت :

مقدار انرژی دفع شده یا جذب شده به وسیله مایعی که جذب می شود از فرمول زیر محاسبه می شود.

در فرمول بالا

1. E گرماي دفع يا جذب شده بر حسب BTU/HR  یا Kcal/hr
2. W دبي مايع خنك شونده بر حسب پوند بر ساعت
3. S گرماي ويژه مايع خنك كننده بر حسب پوند بر بی تی یو
4.  كاهش دماي مايع خنك شونده بر حسب f
5. در حاليكه عمل خنك شدن از طريق تبخير انجام مي‌گيرد گرماي نهان تبخير از دست داده شده بايد به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرماي نهان تبخير در دبي .

مکانیزم انتقال حرارت در برج های خنک کننده :

همانطور که در بالا گفته شد ؛ برج خنک کن یک مبدل حرارتی است که باید حرارت آب را به هوا منتقل کند ،منطق لزوم استفاده از همه برج های خنک کننده این است که باید گرمای نهان موجود در آب به وسیله قرار دادن خودر در بین مولوکل های هوا تخلیه کند ، پس به عبارتی عاملی یکه باعث خنک شدن آب 95 درجه در برج های خنک کننده می شود برخورد مولوکلهای هوا به مولوکولهای آب با دمای محیط 85 درجه می باشد.

شاید این ذهنیت برای شما بوجود بیاد که تبخیر باعث خنک شدن آب می شود ولی باید عرض کنم که انتقال حرارت در برج خنک کن به روش جابه جایی و هدایت انجام می شودو از دست دادن گرمای نهان تبخیر آب باعث خنک شدن آب خروجی از برج می شود.

انچه باید در مورد برج های خنک کننده بدانید 

1. برج خنک کننده یک مبدل حرارتی است که وظیفه آن خنک کردن دمای آب و رساندین آن به دمای بالای مرطوب محیط است.
2. برج های خنک کننده در مسیر بسته سیرکولاتور قرار دارد ، لذا دمای آب ورودی و خروجی آن بسیار مهم است.
3. دبی آب در گردش در این مدار بسته که ی طرف آن برج و طرف دیگر آن کندانسور چیلر می باشد روی ظرفیت برج تاثیر می گذارد.
4. چون مدار به صورت بسته و سیرکولاتور است ، پس دبی آب درگردش آن حامل انرژی است ، یعنی خوراک کندانسور های آبی را فراهم میکند.
5. بهترین بج های خنک کننده با شرایط ایده آل کار کرد تنها می تواند 10 درجه آب ورودی خنک تر از خروجی تحویل دهند.
6. در چیلر های تراکمی ، دبی آب خروجی از کندانسور در لحظه ورود به برج  95 درجه و درلحظه خروج 85  فارینهایت می باشد.
7. برای اینکه چیلر ها دارای کارایی بالایی باشند ، پایین بودن دمای برج خنک کننده بسیار مهم است
8. پایین بودن دمای برج خنک کن تاثیر مستقیمی در افزایش راندمان چیلر های تراکمی دارند ،به طوریکه می تواند ظرفیت چیلر را حدود زیادی جا به جا کند ،
9. به عنوان یک حساب سرانگشتی ، هریک درجه سانتیگراد کاهش دمای آب برج خنک کن (آب ورودی به کندانسور)حدود 2 % باعث کاهش توان مصرفی کمپرسور می شود
10. کاهش توان مصرفی کمپرسور به معنای افرزایش راندمان چیلر بوده ، صرفه جویی مصرف برق را به دنبال دارد

شرایط کارکرد ایده آل برج های خنک کننده فن دار 

1. اولین شرط لازم برای کارکرد برج های خنک کننده اختلاف دما بین دمای مرطوب محیط و دمای خشک میحط است یعنی : دلتا تی بین (wb , db)
2. اگر اختلاف دمای فوق 18 درجه باشد ، پس مطننا دمای آب خروجی از برج 5 درجه خنکتر از دمای مرطوب محیط است ، هرچه مقدار db بیشتر باشد ، پس قدرت هوا خشک تر بوده و بهتر گرمای آب برج را میگیرد.
3. دومین شرط دمای آب خروجی از کندانسور است ، این نکته را به خاطر داشته باشید که آب در چیلر های تراکمی با هر دمایی نمی تواند وارد برج گردد.
4. دمای آب خروجی از کنداسور چیلر 95 درجه و دمای خروجی 85 درجه فارینهات می باشد.

برج خنک کننده با مکش مکانیکی

مهمترین تقسیم بندی انواع در برج خنک کننده برخورد و نحوه تقابل بین آب و هواست ، به عبارتی این تقابل یا به صورت طبیعی است و یا به صورت اجباری یا مکانیکی در برج های خنک کننده با مکش مکانیکی از یک فن و الکتروموترو برای مکش هوا و رسانیدن آن به سطح آب استفاده میکنند ، به عبارت دیگر مکش های اجباری هوا را از طریق فن ، هوا راه به سطح تماس با آب می رساند ،که غالبا بیشتر برج های خنک کن که با چیلر های تراکمی کوپل میشوند از هیمن مدل هستند.

محاسبه وانتخاب برج خنک کننده با مکش مکانیکی

استفاده و به کار گیری از برج خنک کن تماما  تابع شرایط دمایی و اقلیمی منطقه می باشد به عبارت دیگر اولین قدم برای انتخاب برج خنک کننده کنترل محل نصب از نظر رطوبت می باشد ، زیرا به کارگیری آنها بر اساس روطوبت نسبی و دمای مرطوب محیط انجام میشود.

پارامتر های مهم در انتخاب برج خنک کننده

1. درجه حرارت مرطوب محیط (wb) و اختلاف دمای مرطوب محیط و دمای خشک محیط (DB)
2. دبی آب وروردی به برج
3. دمای آب وروردی به برج
4. دمای آب خروجی از برج به سمت کندانسور

هرکدام از پارامتر های فوق تاثیر مستقیمی بر بازده چیلر و کندانسور آن دارند ، لذا هم هنگام انتخاب و طراحی چیلر و برج خنک کننده و هم هنگام خرید دستگاه برج خنک کن  باید پارامتر های فوق را بررسی گردند ، برای تولید کنندگان برج خنک کن پارارمتر های فوق مقدار آنها برایشان بسیار ناموسی مهم می باشند.

قبل از شروع به تشریح پارامرت های موثر در انتخاب برج خنک کننده لازم می دانم چند نکته راه به عنوان پیش گفتار به صورت خیلی مختصر به منظور فهم  بهتر مدار سیرکوله برج خنک کن خدمت سروران گرامی متذکر شوم.

برج خنک کننده با کندانسور چیلر به صورت سیرکوله آب را در گردش در میاورند ، به عبارتی برج خنک کن در مدار بسته ای قرار گرفته است که یک طرفآن کندانسور چیلر قرار گرفته تمام بازده و طراحی برج از همین دمای های خرورجی و وروردی به برج صورت میگیرد

منظور از دما و دبی وروردی به برج خنک کن ، همان مقدار دبی و دمای خروجی از اوپراتور چیلر می باشد که یک نوع مبدل پوسته لوله ای است که باید برای گردش خنک شدن آب تا دمای معین آن را به برج بفرستد و بعد دوباره پذیرای آن باشد

برج های خنک کننده ای که با چیلر های تراکمی کار میکنند ، دمای آب وروردی خود را از کندانسور 85 درجه فارینهایت و دمای خروجی از برج به سمت کندانسور  95 درجه فارینهایت می باشد.پس مستوان گفت اختلاف دمای برج خنک کننده 10 درجه فارینهایت است.

این مطلب گواه این است که آب با هر دمایی اجازه ورود به کندانسور چیلر را ندارد

بررسی دقیق پارا متر های انتخاب برج خنکن کننده

تاثیر دمای مرطوب محیط (wb) و اختلاف دمای مرطوب و خشک محیط (DB) :

1. از مهمترین و اولین پارارمتر های انتخاب برج خنک کننده می باشد ، هرچه این اختلاف بین wb  و DB بیشتر باشد یعنی دمای مرطوب و دمای خشک اختلاف زیادی داشته باشند ، استفاده استفاده برج خنک کننده بسیار رضایت بخش تر خواهد بود ، این اختلاف دما اگر بیش از 18 درجه باشد که بسیار عالیست
2. در واقع اولین گام در انتخاب و محاسبه برج خنک کن ، همین دو پارامتر wb  ,  db هستند که سرنوشت بودن یا نبود برج خنک کننده تعیین می کنند،
3. اگر دمای آب خروجی از برج نتواند به بالاتر از دمای مرطوب برسد ، نمی توان از برج استفاده کرد ؛ این نرسیدن دمای آب خروجی از برج به بالاتر از wb  به واسطه بالا نبودن دمای خشک محیط است ، به زبان ساده تر هوا اینقد خشک که بتواند آب خروجی از برج خشک کند ،

تاثیر دمای آب وروردی و خروجی برج خنک کننده :

1. اختلاف دمای وروردی وخروجی  یا همان رنج دمای یک برج خنک کننده  در شرایطی که دمای مرطوب محیط WB معادل 78 F باشد ، میتوان اختلاف دمای وروردی خروجی برج خنک کننده را 10 درجه در نظر گرفت ، یعنی آب وروردی به برج 85 درجه فارینهایت و آب خروجی 95  درجه فارینهایت می باشد
2. اگر این دمای ورودی و خروجی بهم بریزند و تناسبی بین آنها نباشد ، قطعا بازده چیلر تراکمی و متعاقب آن کاراری برج خنک کننده پایین می آید .
3. از طرفی همانطور که در بالا گفته شد اگر اختلاف دمای مروطوب محیط و دمای خشک زیر 18 درجه باشد مدام این مقدار دما به سمت کم شده میل کند نمی توان از برج خنک کننده اختلاف دمایی 10 درجه توقع داشت زیرا بهترین برج های خنک کننده در شرایط  بسیار خوب و عملکرد بسیار بالا  آب را 5 درجه بالاتر از دمای مرطوب محیط می رساند
4. اصلا رسالت یک برج خنک کننده این است که دمای آب خروجی از خود را حداقل بالاتر از دمای مرطوب محیط برساند شده یک درجه یا دو درجه ، به عبارتی برج خوب ، برجی است که بتواند به دمای مرطوب محیط غلبه کند ، اگر این اختلاف دما توسط برج فراهم شد ، مستقل از شرایط محیط برج خنک کننده را مستقر کنید.
5. می توان برای دلتا تی برج و دمای مرطوب محیط WB یک حد تقارب بین 3 تا 10 درجه در نظر گرفت ، که معمولا 7 درجه سانتیگراد است ولی بهترین شریاط برای کارکرد برج های خنک کننده ، اختلاف دمای 18 درجه ای بین wb  یعنی دمای مرطوب محیط و db  دمای رمطوب خشک است ، اگر شریاط فوق برقرار بود حداقل 10 درجه اختلاف دما قبل و بعد برج خنک کنن خواهیم داشت

تاثیر دبی آب وروردی و خروجی برج خنک کننده :

1. چون برج خنک کننده در یک مسیر بسته واقع شده است که یطرف آن نیز کندانسور چیلر های تراکمی است ، مدام آب را برای هم به گردش در می آوردند ، پس مسیر گردش ی روند سیرکولاتوری در پیش دارد  و مانند تمام مدار های سیرکولاتور های تاسیساتی آب گردشی درون سیستم یک سیال حامل انرژی است، اگر مقدار gpm آب مورد گردش در خط بین برج و کندانسور بنا به دلایلی مانند ، کاهش سایز لوله ؛ وجود رسوب ، مناسب نبودن پمپ سیرکولاتور …. و غیره تغییر کند ، طبیعتا انرژی( کمتری منظور هم دبی کمتر) به برج رسیده و صد دردص ظرفیت برج خنک کننده را کاهش می دهد
2. برای همین است که در کاتالوگ های برج خنک کننده هنگام انتخاب برج ، هر دستگاه خنک کننده دارای یک gpm و مقدار گردشی است که از روی همین gpm ظرفیت برج خنک کننده به دست می آید ،این مقدار gpm  برج خنک کننده با تن تبرید چیلر تناسب دارد به طوریکه ای هر تن تبرید در چیلر های تراکمی gpm دبی برج خنک کننده را محسابه می کنند.
3. مثلا اگر چیلری با ظرفیت 50 تبرید موجود است ، تقریبا دبی برج خنک کن باید در حدود 150 gpm باشد که بتواند مقدار دبی مناسب را در کندانسور به گردش در آورد
4. به عبار دیگر برای محاسبه ظرفیت برج خنک کننده ، ظرفیت برج را 1.25 درصد ظرفیت چیلر در نظر گرفت مثلا یک چیلر 50 تن تراکمی یک برج 60 تن با دبی آب 150 gpm  نیاز دارد

انتخاب برج خنک کننده برای مناطق مرطوب

شاید از یک مهمترین ایرادتی که به برج خنک کن وارد است، اینکه نمی تواند در مناطق مرطوب نصب و کارایی داشته باشد.در اقلیم های شمالی مانند بندر انزلی ، که اختلاف دمای wb و db  آن به شدت بالاست (دمای مرطوب و دمای خشک محیط ) گاها دیده شده از برج خنک کننده استفاده میشود ، برای شهری مانند انزلی دمای خشک  و دمای مرطوب به ترتیب 85  درجه و 78 فارینهایت می باشد.پس اختلاف آنها 7 درجه فارینهات می باشد ، از طرفی میدانیم ، بهترین برج خنک کننده ، در شرایط خوب ، آب خروجی را 5 درجه F از دمای مرطوب محیط (wb) خنک تر می کند ، یعنی ما در بندر انزلی دمای آب خروجی برج 83 درجه داریم که تازه با این شرایط 7 درجه از دمای مرطوب محیط بیشتر است ،

پس در مناطق مرطوب هم می توان از برج خنک کننده استفاده کرد ، اگر دمای آب خروجی از کندانسور چیلر بیشتر از دمای db  خشک محیط باشد ، می توان باز هم از چیلر کندانسور آبی استفاده کرد ، به شرطی که برج خنک کننده آن بزرگتر از حد معمول و عادی انتخاب شود.که بتواند حرارت را از آب به هوا منتقل کند.