محاسبه ظرفیت واقعی برج خنک کن با استفاده از شرایط ترمودینامیکی هوای ورودی و خروجی(آنتالپی)

در زمان انتخاب کولینگ تاور معمولاً ظرفیت دستگاه بر اساس دبی آب، دمای ورودی، دمای خروجی و دمای مرطوب محیط (Wet Bulb) تعیین می‌شود، اما پس از نصب و راه‌اندازی، مهم‌ترین سؤال این است:

آیا کولینگ تاور واقعاً با ظرفیت نامی خود کار می‌کند؟

بسیاری از بهره‌برداران تنها با اندازه‌گیری اختلاف دمای آب تصور می‌کنند عملکرد برج مناسب است، در حالی که این روش همیشه بیانگر ظرفیت واقعی دستگاه نیست. تغییرات دبی آب، خطای فلومتر، اختلاط آب در حوضچه و حتی محل نصب سنسورهای دما می‌توانند باعث ایجاد خطا در محاسبات شوند.

روش دقیق‌تر و علمی‌تر، بررسی انرژی جذب‌شده توسط هوای عبوری از کولینگ تاور است. در این روش با اندازه‌گیری شرایط ترمودینامیکی هوای ورودی و خروجی و محاسبه اختلاف آنتالپی هوای مرطوب، می‌توان ظرفیت واقعی برج خنک کننده را در حین بهره‌برداری تعیین کرد.

این روش سال‌هاست در آزمون‌های عملکردی (Performance Test)، راه‌اندازی (Commissioning) و ارزیابی راندمان برج‌های خنک کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصل ترمودینامیکی محاسبه ظرفیت کولینگ تاور

کولینگ تاور گرما را از آب به هوا منتقل می‌کند.

بنابراین از دیدگاه قانون بقای انرژی:

Qwater=Qair+Qloss​

که در آن:

• Qwater​ = گرمای دفع شده توسط آب (kW)
• Qair​ = گرمای جذب شده توسط هوا (kW)
• Qloss​ = اتلافات حرارتی (kW)

در یک برج خنک کننده استاندارد، بیش از ۹۵ درصد انرژی دفع شده توسط آب، توسط جریان هوای عبوری جذب می‌شود و تنها بخش کوچکی از انرژی به صورت اتلاف از بدنه، موتور الکتریکی و سایر عوامل از دست می‌رود. البته این شرایط برای کولینگ تاور های گرد و برج های ارزان و بی کیفیت صادق نیست.

به همین دلیل، اگر بتوان انرژی جذب شده توسط هوا را اندازه‌گیری کرد، می‌توان ظرفیت واقعی برج را نیز با دقت بالایی محاسبه نمود.

چرا محاسبه تناژ عملکردی برج خنک کن دقیق‌تر است؟

در روش متداول، ظرفیت برج از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

Q=m˙w×Cp×ΔT

که در آن:

• m˙​= دبی جرمی آب (kg/s)
• Cp​ = گرمای ویژه آب (4.186 = kJ/kg.K)
• ΔT = اختلاف دمای آب (°C)

اگرچه این رابطه از نظر ترمودینامیکی صحیح است، اما دقت آن کاملاً وابسته به اندازه‌گیری صحیح دبی آب و دمای آب است.

در پروژه‌های صنعتی معمولاً عوامل زیر باعث ایجاد خطا می‌شوند:

• خطای فلومتر
• توزیع غیریکنواخت دمای آب در حوضچه
• محل نامناسب نصب سنسور
• تغییرات لحظه‌ای دبی آب
• رسوب گرفتن سنسورها

در مقابل، در روش ترمودینامیکی هوا، انرژی مستقیماً از سیالی اندازه‌گیری می‌شود که گرما را از برج دریافت کرده است؛ بنابراین نتیجه معمولاً به عملکرد واقعی برج نزدیک‌تر خواهد بود.

مبنای محاسبه ظرفیت کاری کولینگ تاور به کمک هوا

هنگامی که هوا از داخل کولینگ تاور عبور می‌کند، دو اتفاق هم‌زمان رخ می‌دهد:

1. دمای هوای عبوری افزایش پیدا می‌کند.
2. بخار آب ناشی از تبخیر وارد هوا می‌شود و رطوبت آن افزایش می‌یابد.

بنابراین تنها افزایش دما ملاک نیست؛ بلکه افزایش آنتالپی هوای مرطوب نشان‌دهنده انرژی واقعی جذب شده توسط هوا است.

به همین دلیل در این روش، اختلاف آنتالپی جایگزین اختلاف دمای هوا می‌شود.

نکته مهم

ممکن است دمای هوای خروجی تنها 3 تا 5 درجه سانتی‌گراد بیشتر از هوای ورودی باشد، اما به دلیل افزایش زیاد رطوبت، آنتالپی هوا ده‌ها کیلوژول بر کیلوگرم افزایش یابد. بنابراین ظرفیت واقعی کولینگ تاور بر اساس اختلاف آنتالپی محاسبه می‌شود، نه صرفاً اختلاف دمای هوا.

پارامترهای مورد نیاز برای اندازه‌گیری

برای انجام این محاسبات تنها به چند پارامتر نیاز است.

در این روش نیازی به محاسبه دستی نسبت رطوبت (Humidity Ratio) نیست. پس از اندازه‌گیری دمای خشک و رطوبت نسبی، مقدار Humidity Ratio و Enthalpy به کمک چارت سایکرومتریک استخراج می‌شود.

محل و روش صحیح اندازه‌گیری دمای هوا و رطوبت نسبی

برای دستیابی به نتایج دقیق، محل اندازه‌گیری اهمیت زیادی دارد.

۱- اندازه‌گیری هوای ورودی

در ورودی کولینگ تاور، سنسور دما و رطوبت باید در فاصله مناسب از لوورهای ورودی نصب شود تا شرایط واقعی هوای محیط اندازه‌گیری گردد.

۲- اندازه‌گیری هوای خروجی

پس از عبور هوا از پکینگ، هوا از دهانه فن خارج می‌شود.

در این نقطه باید به صورت هم‌زمان موارد زیر اندازه‌گیری شوند:

• دمای خشک
• رطوبت نسبی
• سرعت متوسط هوا

به دلیل غیریکنواخت بودن میدان سرعت، توصیه می‌شود سرعت هوا در چند نقطه مختلف سطح خروجی اندازه‌گیری و میانگین‌گیری شود.

اندازه‌گیری تنها در مرکز فن می‌تواند موجب ایجاد خطای قابل توجه در محاسبه ظرفیت گردد.

استخراج آنتالپی از چارت سایکرومتریک

پس از اندازه‌گیری چهار پارامتر اصلی:

• Tin​
• RHin​
• Tout​
• RHout​

این مقادیر روی چارت سایکرومتریک مشخص می‌شوند.

از روی محل تقاطع دمای خشک و رطوبت نسبی، مقدار آنتالپی هوای مرطوب استخراج می‌شود.

در این مرحله خواهیم داشت:

• آنتالپی هوای ورودی hin​
• آنتالپی هوای خروجی hout​

سپس اختلاف آنتالپی برابر خواهد بود با:

Δh=hout−hin​

که واحد آن kJ/kg هوای خشک است.

این اختلاف، مقدار انرژی جذب‌شده توسط هر کیلوگرم هوای خشک هنگام عبور از کولینگ تاور را نشان می‌دهد و مبنای اصلی محاسبه ظرفیت واقعی برج است.

محاسبه دبی هوای عبوری از کولینگ تاور

پس از تعیین آنتالپی هوای ورودی و خروجی، باید مقدار هوایی که از برج عبور می‌کند مشخص شود. هرچه جرم هوای عبوری بیشتر باشد، انرژی بیشتری نیز از آب دریافت خواهد کرد.

ابتدا دبی حجمی هوا از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

V˙=A×V

که در آن:

• V˙= دبی حجمی هوا (m³/s)
• A= سطح مقطع خروجی فن (m²)
• V= سرعت متوسط هوای خروجی (m/s)

مثال واقعی : محاسبه سطح مقطع فن

برای مشخص شدن بهتر موضوع می خواهیم با یک مثال عملی این محاسبات رو یکبار مرور کنیم. فرض کنید در یک برج خنک کن قطر فن برابر 2.85 متر باشد:

َA=3.14*((2.85/2)^2)

A=6.38m2

محاسبه دبی حجمی هوا

در همین مثال فرض کنید سرعت متوسط اندازه‌گیری شده خروجی فن برابر است با:

V=6.5  m/s

در نتیجه:

V˙=6.38×6.5 = 41.47m3/s

محاسبه دبی جرمی هوا

چون رابطه ظرفیت بر اساس جرم هوا نوشته می‌شود، باید دبی حجمی به دبی جرمی تبدیل گردد.

چگالی هوای مرطوب در این شرایط تقریباً برابر است با:

ρ=1.15  kg/m3

بنابراین:

m˙a=ρ×V˙=47.69kg/s

مثال عملی محاسبه ظرفیت واقعی کولینگ تاور

فرض کنید یک کولینگ تاور RMS در حال بهره‌برداری است و شرایط زیر اندازه‌گیری شده است.

مرحله اول محاسبات آنتالپی هوای کولینگ تاور

پس از مشخص کردن نقاط روی چارت سایکرومتریک، مقادیر زیر استخراج می‌شود.

بنابراین:

Δh=118.7−68.5=50.2kJ/kg

این بدان معناست که هر کیلوگرم هوای خشک هنگام عبور از برج حدود 50.2 کیلوژول انرژی دریافت کرده است.

مرحله دوم محاسبه ظرفیت برج خنک کننده در حال کار

ظرفیت جذب شده توسط هوا برابر خواهد بود با:

Qair=m˙a×Δh=47.69×50.2=2394kW

مرحله سوم، محاسبه تناژ تبرید کاری کولینگ

تبدیل ظرفیت به تن تبرید:

TR=2394/3.517=680.7TR

بنابراین ظرفیت و تن تبرید در حال کار برج خنک کن(اندازه‌گیری شده با شرایط ترمودینامیک هوا) برابر است با:

680 تن تبرید

یا

2394 کیلووات دفع حرارت

اصلاح ظرفیت بر اساس اتلافات واقعی

ظرفیت محاسبه شده از اختلاف آنتالپی تقریباً برابر با ظرفیت واقعی و کاری برج است، اما برای افزایش دقت باید اتلافات نیز در نظر گرفته شوند.

۱- اتلاف حرارتی بدنه

در تمام پروژه های صنعتی و تهویه مطبوع، گرما از طریق بدنه جذب cooling tower می شود. این مقدار به جنس بدنه دستگاه بستگی دارد.

به دلیل ضریب هدایت حرارتی بسیار پایین فایبرگلاس، اتلاف انرژی در برج‌های FRP با فرض استاندارد بودن و تولید با ژل کوت با کیفیت، به مراتب کمتر از برج‌های فلزی است. اگر اتلاف بدنه یک برج فایبرگلاس را ۱ درصد در نظر بگیریم:

Qcasing=0.01×2394=24  kW

۲- تلفات موتور الکتریکی

الکتروموتور فن نیز بخشی از انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می‌کند.

راندمان موتورهای صنعتی معمولاً بین ۹۵ تا ۹۷ درصد است؛ بنابراین تنها ۳ تا ۵ درصد توان موتور به صورت تلفات باقی می‌ماند.

برای مثال اگر موتور فن 22 kW باشد:

Qmotor=22×0.05=1.1kW

در مقایسه با ظرفیت چند هزار کیلوواتی برج، این مقدار بسیار ناچیز است، اما در آزمون‌های دقیق عملکرد بهتر است لحاظ شود.

ظرفیت اصلاح شده واقعی Cooling tower

Qactual=Qair−Qcasing−Qmotor= 2394-24-1.1 = 2368.9kW

که معادل است با:

TR=2368.9/3.517=673.5TR

بنابراین ظرفیت واقعی برج پس از اعمال اصلاحات حدود 674 تن تبرید خواهد بود.

عوامل مؤثر بر دقت اندازه‌گیری توان کاری کولینگ تاور

برای دستیابی به نتایج دقیق، رعایت نکات زیر ضروری است:

• اندازه‌گیری هم‌زمان دمای خشک و رطوبت نسبی هوای ورودی و خروجی
• استفاده از چارت سایکرومتریک یا جداول معتبر ASHRAE
• اندازه‌گیری سرعت هوا در چند نقطه از سطح خروجی فن و محاسبه میانگین
• انجام اندازه‌گیری در شرایط پایدار کاری برج
• استفاده از تجهیزات کالیبره شده برای اندازه‌گیری دما، رطوبت و سرعت هوا

مقایسه روش محاسبه ظرفیت کاری برج خنک کن بر اساس شرایط آب و شرایط هوا

جمع‌بندی

در کولینگ تاور، گرمای آب در نهایت به هوای محیط منتقل می‌شود؛ بنابراین اندازه‌گیری انرژی جذب‌شده توسط هوا یکی از دقیق‌ترین روش‌های تعیین ظرفیت واقعی برج در حال بهره‌برداری است. با اندازه‌گیری دمای خشک و رطوبت نسبی هوای ورودی و خروجی، استخراج آنتالپی از چارت سایکرومتریک و محاسبه دبی جرمی هوا، می‌توان ظرفیت واقعی برج را بدون نیاز به اندازه‌گیری دبی آب محاسبه کرد.

در برج‌های فایبرگلاس RMS به دلیل ضریب هدایت حرارتی پایین بدنه، اتلاف انرژی از پوسته بسیار کمتر از برج‌های فلزی است و همین موضوع موجب می‌شود مقدار بیشتری از انرژی دفع‌شده از آب، توسط جریان هوا جذب شود. در کنار آن، تلفات موتور الکتریکی نیز معمولاً تنها ۳ تا ۵ درصد توان موتور است و تأثیر اندکی بر ظرفیت نهایی دارد.

به همین دلیل، روش اختلاف آنتالپی هوای ورودی و خروجی یکی از معتبرترین روش‌های ارزیابی عملکرد کولینگ تاور در آزمون‌های میدانی، راه‌اندازی تجهیزات و بررسی راندمان واقعی برج‌های خنک‌کننده محسوب می‌شود.

خدمات اندازه‌گیری ظرفیت واقعی و ممیزی انرژی کولینگ تاور

مجموعه RMS با بهره‌گیری از تجهیزات اندازه‌گیری دقیق و روش‌های مهندسی، خدمات اندازه‌گیری ظرفیت واقعی کولینگ تاورهای صنعتی و تهویه مطبوع در حین بهره‌برداری را ارائه می‌دهد. این خدمات شامل اندازه‌گیری شرایط ترمودینامیکی هوای ورودی و خروجی، ارزیابی عملکرد واقعی برج خنک‌کننده، محاسبه ظرفیت و راندمان، بررسی مصرف انرژی و شناسایی عوامل مؤثر بر کاهش بازده سیستم است.

اگر قصد دارید از عملکرد واقعی کولینگ تاور خود اطمینان حاصل کنید یا برای ممیزی انرژی، افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری به مشاوره تخصصی نیاز دارید، کارشناسان RMS آماده ارائه خدمات فنی و انجام تست‌های میدانی در محل پروژه هستند.

برای دریافت اطلاعات بیشتر و هماهنگی انجام تست عملکرد کولینگ تاور، با کارشناسان RMS تماس بگیرید.