مقدمه

عملکرد یک کولینگ تاور که وظیفه خنک کاری آب را دارد بر اساس یک پدیده ساده اما بسیار مهم است: تبخیر سطحی.

در برج خنک‌کن، آب گرم با حجم زیادی از هوای محیط در تماس قرار می‌گیرد. بخشی از مولکول‌های آب در اثر دریافت انرژی از آب و تغییر فاز به بخار، از محیط خارج می‌شوند. انرژی موردنیاز برای این تغییر فاز از آب باقی‌مانده تأمین شده و در نتیجه دمای متوسط آب یا سیال فرآیند کاهش پیدا می‌کند.

اما اگر بخواهیم موضوع را از دید مهندسی بررسی کنیم، عبارت «بخشی از آب تبخیر می‌شود و به خنک شدن می انجامد» کافی نیست.

برج خنک‌کننده یک تجهیز انتقال هم‌زمان حرارت و جرم است. در این فرآیند تبخیر سطحی، علاوه بر انتقال حرارت محسوس بین آب و هوا، انتقال جرم به‌صورت جابه‌جایی بخار آب از سطح مشترک آب و هوا نیز اتفاق می‌افتد. گرمای نهان تبخیر بخش مهمی از انرژی دفع‌شده از آب یا سیال را تشکیل می‌دهد. ASHRAE نیز مکانیزم عملکرد Cooling tower را بر پایه همین ترکیب انتقال حرارت و جرم تعریف کرده.

بنابراین، برای درک صحیح عملکرد برج خنک‌کن باید تبخیر سطحی، رطوبت هوا، فشار بخار، آنتالپی هوا، دمای حباب تر، سطح تماس آب و هوا و بار حرارتی را در کنار یکدیگر بررسی کرد.

تبخیر سطحی یعنی چه؟

تبخیر سطحی(Evaporation)، فرآیندی است که در آن تعدادی از مولکول‌های یک مایع از سطح آزاد آن انرژی کافی برای غلبه بر نیروهای بین‌مولکولی دریافت کرده و فاز آنها به گاز تغییر پیدا می کند.

نکته مهم این است که تبخیر سطحی با جوشیدن(Vaporization)، یکسان نیست.

جوشیدن زمانی اتفاق می‌افتد که فشار بخار مایع به فشار محیط برسد و تشکیل حباب‌های بخار در سراسر حجم مایع امکان‌پذیر گردد. اما تبخیر یک پدیده سطحی است و می‌تواند در دماهای بسیار پایین‌تر از نقطه جوش نیز رخ دهد.

به همین دلیل، آب موجود در یک کولینگ تاور در دمای مثلاً 30 تا 40 درجه سانتی‌گراد نیز می‌تواند به‌صورت پیوسته تبخیر شود.

چگونه تبخیر سطحی، دمای آب را کم می کند؟

برای تبدیل آب مایع به بخار، انرژی لازم است. این مقدار انرژی را گرمای نهان تبخیر یا Latent Heat of Vaporization می‌نامیم.

اگر بخشی از آب موجود در سیستم تبخیر شود، انرژی لازم برای تغییر فاز باید از محیط اطراف تأمین گردد. در برج خنک‌کننده، بخش قابل‌توجهی از این انرژی از آب در حال گردش فرایند گرفته می‌شود.

به‌صورت ساده:

آب گرم ← انتقال انرژی به مولکول‌های آب ← تبخیر بخشی از آب ← خروج بخار آب همراه هوا ← کاهش انرژی آب باقی‌مانده ← کاهش دمای آب

به همین دلیل، تبخیر سطحی صرفاً یک «اتلاف آب» نیست؛ بلکه مکانیزم اصلی خنک‌کاری تبخیری در برج‌های مدار باز است.

ASHRAE نیز توضیح می‌دهد که بخشی از آب در فشار تقریباً ثابت از مایع به بخار تبدیل شده و گرمای تبخیر موردنیاز از آب باقی‌مانده گرفته می‌شود.

تبخیر سطحی در cooling tower چگونه اتفاق می‌افتد؟

در یک برج خنک‌کننده مدار باز، آب گرم از طریق سیستم توزیع روی پکینگ پخش می‌شود.

پکینگ باعث می‌شود آب:

• سطح تماس بسیار بیشتری با هوا پیدا کند؛

• به شکل فیلم یا قطرات ریز درآید؛

• زمان تماس بیشتری با جریان هوا داشته باشد؛

• و امکان انتقال هم‌زمان حرارت و جرم افزایش پیدا کند.

در طرف دیگر، فن یا سیستم جریان طبیعی، هوا را از داخل برج عبور می‌دهد.

در نتیجه در سطح مشترک آب و هوا دو فرآیند هم‌زمان رخ می‌دهد:

1. انتقال حرارت محسوس

به دلیل اختلاف دمای آب و هوا، بخشی از انرژی به‌صورت Sensible Heat به هوا منتقل می‌گردد.

2. انتقال جرم و گرمای نهان

آب به‌صورت بخار وارد جریان هوا می‌شود و انرژی لازم برای تبخیر نیز از سیستم دفع می‌شود.

بنابراین می‌توان فرآیند را به شکل زیر خلاصه کرد:

آب گرم + هوای ورودی ← انتقال حرارت محسوس + انتقال جرم ← آب سردتر + هوای گرم‌تر و مرطوب‌تر

این همان دلیلی است که ASHRAE برج خنک‌کننده را یک تجهیز انتقال هم‌زمان حرارت و جرم معرفی می‌کند.

آیا تمام حرارت دفع‌شده از طریق تبخیر سطحی منتقل می‌شود؟

خیر.

این یکی از مهم‌ترین نکاتی است که در بررسی عملکرد برج‌ها باید مورد توجه قرار گیرد.

گرمای دفع‌شده از آب را می‌توان به دو مؤلفه اصلی تقسیم کرد:

Heat Rejection = Sensible Heat + Latent Heat

در بخش محسوس، دمای هوا افزایش می یابد.

در بخش نهان، بخشی از آب تبخیر شده و رطوبت هوا افزایش پیدا می‌کند.

نسبت این دو مؤلفه ثابت نیست و به شرایط هوای ورودی بستگی دارد.

ASHRAE نشان می‌دهد که حتی اگر دمای حباب تر(وت بالب) یکسان باشد، تغییر دمای خشک و رطوبت نسبی هوا می‌تواند نسبت انتقال حرارت محسوس به نهان و در نتیجه نرخ تبخیر را تغییر دهد.

این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا نمی‌توان برای تمام شرایط آب‌وهوایی یک برج خنک‌کننده، درصد ثابت و دقیقی برای تبخیر در نظر گرفت.

نقش رطوبت هوا در تبخیر سطحی آب

یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده نرخ تبخیر، وضعیت رطوبتی هوای ورودی است.

هوای خشک ظرفیت بیشتری برای دریافت بخار آب دارد، در حالی که هوای مرطوب به حالت اشباع نزدیک‌تر است و نیروی محرک انتقال جرم کاهش پیدا می‌کند.

برای درک این موضوع باید با مفهوم Humidity Ratio یا نسبت رطوبت آشنا شویم.

اگر نسبت رطوبت هوای ورودی را Win و نسبت رطوبت هوای خروجی را Wout در نظر بگیریم، میزان آبی که وارد جریان هوا شده متناسب با اختلاف این دو مقدار است:

m˙evap=m˙da*(Wout−Win)

که در آن:

• m˙evap: نرخ تبخیر آب

• m˙da: دبی جرمی هوای خشک

• Win: نسبت رطوبت هوای ورودی

• Wout: نسبت رطوبت هوای خروجی

این رابطه از نظر ترمودینامیکی بسیار مهم است، زیرا نشان می‌دهد تبخیر را می‌توان مستقیماً از تغییر رطوبت هوا نیز محاسبه کرد.

چرا Wet Bulb برای برج خنک‌کن مهم است؟

دمای حباب تر یا Wet-Bulb Temperature یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی Cooling tower است.

در فرآیند تبخیر، دمای حباب تر بیانگر سطح مهمی از وضعیت ترمودینامیکی هوای ورودی است و به همین دلیل ظرفیت حرارتی کولینگ تاور به‌شدت تحت تأثیر آن قرار دارد.

یکی از پارامترهای اصلی برج، Approach است:

Approach=Tcold−Twb

که در آن:

• Tcold: دمای آب خروجی از برج

• Twb: دمای وت بالب هوای ورودی

هرچه Approach کمتر باشد، آب خروجی به دمای حباب تر نزدیک‌تر شده و معمولاً برج باید از نظر انتقال حرارت و جرم عملکرد بالاتری داشته باشد.

ASHRAE نیز Approach را اختلاف بین دمای آب خروجی و دمای حباب تر هوای ورودی تعریف می‌کند و آن را یکی از پارامترهای اصلی عملکرد برج می‌داند.

به همین دلیل است که یک برج خنک‌کننده که در یک روز با Wet Bulb برابر 20°C عملکرد بسیار خوبی دارد، الزاماً در Wet Bulb برابر 27°C همان دمای آب خروجی را ایجاد نخواهد کرد.

رابطه دمای آب با نرخ تبخیر

با افزایش دمای آب، فشار بخار اشباع آب نیز افزایش پیدا می‌کند.

این موضوع به افزایش اختلاف فشار بخار یا اختلاف پتانسیل انتقال جرم بین سطح آب و هوای اطراف می انجامد.

در نتیجه، در شرایط مشابه:

افزایش دمای آب ← افزایش فشار بخار اشباع ← افزایش نیروی محرک انتقال جرم ← افزایش پتانسیل تبخیر

البته نرخ واقعی تبخیر فقط تابع دمای آب نیست. دمای هوا، رطوبت، دبی هوا، سطح تماس، سرعت جریان و شرایط طراحی برج نیز دخالت دارند.

بنابراین نباید از یک رابطه ساده مانند «دمای آب بیشتر = تبخیر دقیقاً X درصد بیشتر» استفاده کرد.

نقش پکینگ در افزایش تبخیر سطحی

اگر آب فقط در یک حوضچه بزرگ قرار داشته باشد، سطح تماس آن با هوا محدود خواهد بود. اما در برج خنک‌کننده، پکینگ سطح مؤثر تماس آب و هوا را به‌شدت افزایش می‌دهد.

دو نوع اصلی پکینگ در برج‌ها عبارت‌اند از:

پکینگ فیلم

در پکینگ Film، آب به شکل لایه‌ای نازک روی سطوح مختلف حرکت می‌کند.

سطح تماس زیاد این نوع پکینگ باعث افزایش انتقال حرارت و جرم می‌شود.

پکینگ اسپلش

در پکینگ Splash، آب با برخورد به المان‌های مختلف به قطرات و جریان‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شود.

هدف هر دو روش، افزایش سطح مؤثر تماس و ایجاد شرایط مناسب برای انتقال حرارت و جرم است.

در واقع، یکی از وظایف اصلی پکینگ این نیست که صرفاً «آب را نگه دارد»؛ بلکه باید تماس مؤثر آب و هوا را افزایش دهد.

ASHRAE نیز توضیح می‌دهد که استفاده از پکینگ برای افزایش سطح تماس و زمان تماس آب و هوا انجام می‌شود.

آیا افزایش جریان هوا همیشه باعث افزایش تبخیر سطحی می‌شود؟

در حالت کلی افزایش مناسب جریان هوا می‌تواند ظرفیت انتقال جرم و حرارت را افزایش دهد؛ اما این موضوع نباید به شکل «هرچه هوا بیشتر، برج بهتر» تفسیر شود.

افزایش بیش از حد جریان هوا می‌تواند موارد ذیل گردد:

• افزایش توان مصرفی فن

• افزایش افت فشار

• افزایش احتمال Drift

• افزایش صدای فن

• افزایش هزینه بهره‌برداری

بنابراین طراحی برج باید بین دبی آب، دبی هوا، سطح پکینگ، افت فشار، توان فن و ظرفیت حرارتی تعادل برقرار کند.

در یک برج خنک کن با طراحی اصولی، هدف فقط بیشینه‌کردن تبخیر نیست؛ هدف، دفع مقدار مشخصی از بار حرارتی با کمترین هزینه و مصرف انرژی و آب منطقی است.

محاسبه میزان تبخیر آب در برج خنک‌کننده

یکی از ساده‌ترین روش‌های تخمین تبخیر، استفاده از موازنه انرژی است.

بار حرارتی دفع‌شده از آب تقریباً برابر است با:

Q = m˙× Cp × ΔT

که در آن:

• Q : بار حرارتی

• m˙: دبی جرمی آب

• Cp : گرمای ویژه آب

• ΔT  : برج

حالا اگر به‌صورت فرضی تمام این انرژی را گرمای نهان تبخیر در نظر بگیریم، داریم:

Q = ṁevap × hfg

که در آن:

• ṁevap = مقدار آب تبخیرشده در واحد زمان
• hfg = گرمای نهان تبخیر آب

بنابراین برای به‌دست‌آوردن مقدار آب تبخیرشده، رابطه بالا را به شکل زیر مرتب می‌کنیم:

ṁevap = Q / hfg

و چون از رابطه اول می‌دانیم:

Q = ṁw × Cp × ΔT

پس:

ṁevap = (ṁw × Cp × ΔT) / hfg

خیلی ساده‌تر:

یعنی:

آب تبخیرشده = بار حرارتی ÷ انرژی لازم برای تبخیر هر کیلوگرم آب

و نکته مهم این است که این فقط یک تخمین اولیه است، چون در برج واقعی تمام بار حرارتی به‌صورت گرمای نهان منتقل نمی‌شود و بخشی از آن به‌صورت حرارت محسوس (Sensible Heat) به هوا منتقل می‌شود.

برای تحلیل دقیق‌تر باید شرایط هوای ورودی و خروجی و تغییر آنتالپی هوا نیز در نظر گرفته شود. ASHRAE برای تحلیل برج از انتقال هم‌زمان حرارت و جرم و در روش Merkel از اختلاف آنتالپی به‌عنوان نیروی محرک استفاده می‌کند.

یک رابطه کاربردی برای تخمین اولیه تبخیر در کولینگ تاور

در شرایط متعارف طراحی برج‌های خنک‌کننده، یک تقریب رایج این است که نرخ تبخیر در حدود 1 درصد دبی آب در گردش به ازای هر 12.5°F اختلاف دما یا حدود 6.9°C عدد رنج باشد. این مقدار برای بدترین شرایط دمایی در اوج گرمای تابستان خواهد بود.

بنابراین می‌توان به‌صورت تقریبی نوشت:

E≈0.01×C 

برای Range(اختلاف دمای ورودی و خروجی) حدود 6.9°C. مقدار 

این عدد یک مقدار ثابت برای همه برج‌ها و همه شرایط نیست.

فرمول محاسبه دقیقتر مصرف آب کولینگ تاور بر اثر تبخیر

 E= 0.0015 ~ 0.0018*R*C
در این فرمول 
E : مقدار تبخیر آب برج خنک کننده بر حسب متر مکعب بر ساعت
R : اختلاف دمای رنج (ورودی و خروجی کولینگ تاور) بر حسب درجه سانتیگراد
C : دبی آب در گردش بر حسب متر مکعب بر ساعت است.

ASHRAE نیز تصریح می‌کند که نرخ تبخیر به بار حرارتی و شرایط هوای ورودی وابسته است و مقدار متوسط تبخیر در طول فصل معمولاً از مقدار متناظر با شرایط طراحی کمتر است.

به همین دلیل برای برآورد مصرف سالانه آب، استفاده از یک درصد ثابت می‌تواند خطای قابل‌توجهی ایجاد کند.

شما با استفاده از بخش محاسبه آنلاین ظرفیت کولینگ تاور، می توانید علاوه بر محاسبه تناژ تبرید نامی و واقعی برج خنک کن، مصرف آب بر اثر تبخیر را هم بدست آورید.

مثال محاسبات تبخیر آب Coolig tower

فرض کنیم یک برج خنک‌کن با مشخصات زیر در حال کار است:

• دبی آب : 500 m³/h

• دمای آب ورودی : 35^oC

• دمای آب خروجی : 29^oC

• رنج (اختلاف دمای آب ورودی و خروجی) :  6^oC

• وت بالب(دمای حباب تر) : 25^oC

ابتدا بار حرارتی را محاسبه می‌کنیم.

Q≈3483 kW

این یعنی برج باید تقریباً 3.48 MW گرما را از آب دفع کند.

حال اگر برای یک تخمین اولیه، گرمای نهان تبخیر را در حدود:

hfg≈2430 kJ/kg

در نظر بگیریم:

در مثال بالا، بار حرارتی دفع‌شده از آب برابر بود با:

Q = 12,540,000 kJ/h (معادل 3.48 مگاوات)

همچنین گرمای نهان تبخیر آب را به‌صورت تقریبی برابر با:

hfg = 2,430 kJ/kg

در نظر می‌گیریم.

اگر فرض کنیم تمام بار حرارتی فقط از طریق تبخیر آب دفع شده است، مقدار آب تبخیرشده از رابطه زیر به دست می‌آید:

ṁevap = Q ÷ hfg

حالا مقادیر را جایگذاری می‌کنیم:

ṁevap = 12,540,000 ÷ 2,430

بنابراین:

ṁevap ≈ 5,160 kg/h

از آنجا که چگالی آب تقریباً برابر با 1,000 kg/m³ است، می‌توان این مقدار را به دبی حجمی تبدیل کرد:

5,160 kg/h ÷ 1,000 kg/m³ = 5.16 m³/h

بنابراین:

ṁevap ≈ 5.16 m³/h

یعنی در این محاسبه ساده، میزان تبخیر آب حدود 5.16 مترمکعب در ساعت برآورد می‌شود.

اما آیا این مقدار، تبخیر واقعی برج است؟

خیر.

این عدد فقط یک تخمین تئوریک و ساده‌شده است. زیرا در محاسبه بالا فرض کردیم که:

تمام انرژی دفع‌شده از آب = گرمای نهان تبخیر

در حالی که در یک برج خنک‌کننده واقعی، تمام انرژی به تبخیر اختصاص پیدا نمی‌کند. بخشی از حرارت به‌صورت حرارت محسوس (Sensible Heat) از آب به هوا منتقل می‌شود.

بنابراین مقدار واقعی تبخیر می‌تواند با عدد به‌دست‌آمده متفاوت باشد.

برای محاسبه دقیق‌تر، باید موازنه جرم و انرژی بین آب و هوای عبوری از برج انجام شود و شرایط هوای ورودی و خروجی، از جمله دما و رطوبت، در محاسبات لحاظ شوند.

پس عدد 5.16 m³/h را باید به‌عنوان یک تخمین اولیه در نظر گرفت، نه مقدار دقیق تبخیر واقعی برج.

تبخیر واقعی را چگونه دقیق‌تر محاسبه کنیم؟

برای محاسبه دقیق‌تر میزان تبخیر، می‌توان به‌جای فرض اینکه تمام بار حرارتی صرف تبخیر می‌شود، تغییر رطوبت هوای عبوری از برج را اندازه‌گیری کرد.

هوا هنگام عبور از برج، بخشی از آب را به‌صورت بخار دریافت می‌کند. بنابراین اگر مقدار رطوبت هوای ورودی و خروجی را داشته باشیم، می‌توان مقدار آب اضافه‌شده به هوا را محاسبه کرد.

اگر:

• ṁda = دبی جرمی هوای خشک
• Win = نسبت رطوبت هوای ورودی
• Wout = نسبت رطوبت هوای خروجی

باشد، مقدار آب تبخیرشده از رابطه زیر به دست می‌آید:

ṁevap = ṁda × (Wout − Win)

یعنی ابتدا اختلاف رطوبت هوای خروجی و ورودی را محاسبه می‌کنیم:

ΔW = Wout − Win

سپس این اختلاف را در دبی جرمی هوای خشک ضرب می‌کنیم:

ṁevap = ṁda × ΔW

این رابطه از نظر فیزیکی بسیار ساده است:

مقدار آب تبخیرشده = دبی هوای خشک × افزایش نسبت رطوبت هوا

به عبارت دیگر، هر مقدار آبی که از آب در گردش تبخیر می‌شود، باید به‌صورت بخار آب وارد جریان هوای خروجی شود.

بنابراین با اندازه‌گیری دقیق شرایط هوای ورودی و خروجی برج، می‌توان مقدار تبخیر را به‌صورت مستقیم‌تری نسبت به روش تقریبی قبلی محاسبه کرد.

محاسبه بار حرارتی از روی هوای عبوری

از طرف دیگر، می‌توان بار حرارتی منتقل‌شده از آب به هوا را نیز با استفاده از تغییر آنتالپی هوا محاسبه کرد.

رابطه به‌صورت زیر است:

Q = ṁda × (hout − hin)

که در آن:

• Q = حرارت منتقل‌شده به هوا
• ṁda = دبی جرمی هوای خشک
• hin = آنتالپی هوای ورودی
• hout = آنتالپی هوای خروجی

ابتدا اختلاف آنتالپی را محاسبه می‌کنیم:

Δh = hout − hin

سپس:

Q = ṁda × Δh

این رابطه اهمیت زیادی دارد، زیرا آنتالپی هوای مرطوب هم انرژی محسوس و هم انرژی مرتبط با بخار آب موجود در هوا را در خود در نظر می‌گیرد.

به همین دلیل، بررسی اختلاف آنتالپی هوای ورودی و خروجی می‌تواند تصویر کامل‌تری از فرآیند انتقال حرارت و جرم در برج خنک‌کننده ارائه دهد.

در یک تحلیل واقعی عملکرد برج، می‌توان از ترکیب دبی هوا، دمای هوا، رطوبت هوا و شرایط آب ورودی و خروجی برای بررسی دقیق‌تر عملکرد برج استفاده کرد.

رابطه تبخیر سطحی Cooling tower با روش Merkel

در طراحی و تحلیل مهندسی برج‌های خنک‌کننده، یکی از روش‌های شناخته‌شده روش Merkel است.

تفاوت این روش با محاسبه ساده تبخیر این است که در اینجا فرآیند خنک‌کاری فقط بر اساس اختلاف دمای آب بررسی نمی‌شود.

در برج خنک‌کننده، هم‌زمان دو اتفاق رخ می‌دهد:

انتقال حرارت از آب به هوا

و

انتقال جرم آب به جریان هوا

روش Merkel این دو فرآیند را به‌صورت یک فرآیند ترکیبی بررسی می‌کند.

در این روش، یکی از مهم‌ترین مفاهیم، اختلاف آنتالپی بین هوای اشباع و هوای واقعی است.

به زبان ساده، برای هر دمای مشخص آب، می‌توان تصور کرد هوایی وجود دارد که در حالت اشباع قرار دارد. اختلاف بین آنتالپی این هوای اشباع و آنتالپی هوای واقعی، نیروی محرک انتقال حرارت و جرم را تشکیل می‌دهد.

معادله کلی Merkel به صورت زیر نوشته می‌شود:

KaV / L = ∫ [Cp,w × dT / (h − h)]*

برای اینکه مفهوم این رابطه واضح‌تر باشد، می‌توان آن را به این شکل خواند:

KaV/L = مجموع اثر انتقال حرارت و جرم در طول محدوده دمایی آب

در این رابطه:

• KaV/L = پارامتر عملکردی برج که شدت انتقال حرارت و جرم را نسبت به جریان آب نشان می‌دهد.
• K = ضریب انتقال جرم
• a = سطح مؤثر تماس آب و هوا در واحد حجم
• V = حجم مؤثر بخش انتقال
• L = دبی جرمی آب
• Cp,w = گرمای ویژه آب
• dT = تغییر بسیار کوچک دمای آب
• h* = آنتالپی هوای اشباع در دمای آب
• h = آنتالپی واقعی هوای عبوری

در واقع، عبارت مهم در مخرج کسر این است:

h − h*

این اختلاف نشان‌دهنده نیروی محرک انتقال است.

هرچه این اختلاف بیشتر باشد، شرایط برای انتقال حرارت و جرم مناسب‌تر است.

به همین دلیل، عملکرد برج خنک‌کننده به عواملی مانند:

• دمای آب
• دمای حباب تر
• رطوبت هوا
• دبی هوا
• دبی آب
• سطح مؤثر پکینگ
• کیفیت تماس آب و هوا

وابسته است.

یک نکته مهم

معادله Merkel بیشتر یک رابطه طراحی و تحلیل عملکرد برج است و برای محاسبه مستقیم میزان تبخیر آب به‌تنهایی استفاده نمی‌شود.

برای محاسبه میزان تبخیر، رابطه موازنه جرم:

ṁevap = ṁda × (Wout − Win)

مستقیم‌تر است.

اما روش Merkel به ما کمک می‌کند بفهمیم برج چگونه از نظر انتقال هم‌زمان حرارت و جرم عمل می‌کند و چرا شرایط هوا و آب، سطح پکینگ و دبی‌های جریان روی ظرفیت برج اثر می‌گذارند.

بنابراین می‌توان این دو روش را در کنار یکدیگر دید:

موازنه جرم → محاسبه میزان واقعی تبخیر

موازنه انرژی → محاسبه بار حرارتی

روش Merkel → تحلیل و ارزیابی فرآیند انتقال حرارت و جرم در برج

این تفکیک برای یک مقاله فنی مهم است، چون از اشتباه رایجِ یکی دانستن «بار حرارتی»، «گرمای نهان تبخیر» و «مقدار واقعی آب تبخیرشده» جلوگیری می‌کند.

تبخیر، Drift و Blowdown چه تفاوتی دارند؟

یکی از اشتباهات رایج در محاسبه مصرف آب برج خنک‌کننده، یکی دانستن تمام آب از دست‌رفته با تبخیر است.

در واقع:

Evaporation

بخشی از آب که واقعاً به بخار تبدیل شده و همراه جریان هوا از سیستم خارج می‌شود.

Drift

قطرات مایع آب هستند که بدون اینکه تبخیر شوند، به‌وسیله جریان هوای خروجی از برج خارج می‌شوند.

Blowdown

بخشی از آب مدار است که عمداً تخلیه می‌شود تا غلظت املاح و مواد محلول در آب کنترل شود.

بنابراین در حالت پایدار:

Makeup≈Evaporation+Drift+BlowdownMakeup \approx Evaporation + Drift + Blowdown

البته در موازنه دقیق آب باید تغییرات موجودی آب سیستم نیز در نظر گرفته شود.

SPX نیز مصرف آب برج را تابع تبخیر، Drift و Blowdown معرفی می‌کند و Drift را با آب مایع حمل‌شده توسط هوای خروجی تعریف می‌کند.

چرا تبخیر باعث افزایش TDS آب می‌شود؟

یکی از مهم‌ترین پیامدهای تبخیر، افزایش غلظت مواد محلول در آب است.

فرض کنیم آب مدار حاوی:

• کلسیم

• منیزیم

• کلراید

• سولفات

• سیلیکا

• و سایر مواد محلول

باشد.

هنگامی که آب تبخیر می‌شود، بیشتر این مواد همراه بخار آب از سیستم خارج نمی‌شوند.

در نتیجه:

آب کمتر می‌شود + مواد محلول باقی می‌مانند = افزایش غلظت املاح

اگر این روند کنترل نشود، می‌تواند باعث موارد ذیل گردد:

• تشکیل رسوب

• افزایش خوردگی

• افزایش هدایت الکتریکی

• کاهش کیفیت آب

• و آسیب به تجهیزات

به همین دلیل Blowdown در برج‌های خنک‌کننده اهمیت دارد.

SPX نیز توضیح می‌دهد که با تبخیر آب، مواد معدنی محلول باقی می‌مانند و غلظت آن‌ها در آب در گردش افزایش پیدا می‌کند؛ به همین دلیل برای کنترل کیفیت آب از Blowdown استفاده می‌شود.

آیا می‌توان مصرف آب برج خنک کن را بدون کاهش ظرفیت کاهش داد؟

تا حدی بله، اما باید بین تبخیر و سایر اجزای مصرف آب تفاوت قائل شویم.

اگر هدف کاهش تبخیر باشد، باید توجه داشت که تبخیر مستقیماً با بار حرارتی ارتباط دارد. وقتی برج باید مقدار مشخصی گرما را به محیط منتقل کند، بخشی از آب برای انجام فرآیند تبخیری مصرف خواهد شد.

بنابراین کاهش واقعی مصرف آب معمولاً از مسیرهای زیر دنبال می‌شود:

• کاهش بار حرارتی غیرضروری

• بهبود طراحی برج

• انتخاب صحیح پکینگ

• بهبود توزیع آب و هوا

• کنترل هوشمند فن

• استفاده از VFD در شرایط مناسب

• کنترل صحیح Blowdown

• افزایش Cycles of Concentration در محدوده مجاز

• کاهش Drift

• استفاده از سیستم‌های Hybrid یا Closed Circuit در کاربردهای مناسب

در واقع هدف مهندسی، صرفاً «کاهش تبخیر» نیست؛ بلکه باید مصرف کل آب سیستم نسبت به بار حرارتی دفع‌شده بهینه شود.

تبخیر در برج مدار باز و مدار بسته

در برج خنک‌کننده مدار باز، آب فرآیندی مستقیماً با هوا تماس دارد و بخشی از همان آب تبخیر می‌شود.

اما در برج خنک‌کننده مدار بسته، سیال فرآیندی داخل کویل جریان دارد و مستقیماً با هوای محیط تماس ندارد.

در این حالت، آب اسپری روی سطح خارجی کویل گردش می‌کند و بخشی از همین آب اسپری تبخیر می‌شود.

بنابراین:

Closed Circuit به معنی حذف تبخیر نیست.

تفاوت اصلی این است که سیال فرآیندی داخل مدار بسته باقی می‌ماند و تماس مستقیم آن با هوای محیط وجود ندارد. اما نمی توان گفت تبخیر در کولینگ تاور مدار بسته کمتر است. البته این امکان وجود دارد که در فصل های سرد، درصدی از حرارت آب داخل لوله های کویل توسط هوا دفع گردد لیکن این مقدار زیاد نخواهد بود.

ASHRAE نیز برج مدار باز را Direct Contact و برج مدار بسته را تجهیزی با تماس غیرمستقیم بین سیال فرآیندی و اتمسفر توصیف می‌کند.

آیا افزایش تبخیر همیشه به معنی عملکرد بهتر برج است؟

خیر.

این نکته شاید در نگاه اول عجیب باشد، اما هدف برج خنک‌کننده افزایش تبخیر نیست؛ هدف آن دفع بار حرارتی موردنظر است.

تبخیر یکی از مکانیزم‌های اصلی این فرآیند است.

اگر یک برج برای یک بار حرارتی مشخص، آب بیشتری نسبت به مقدار موردنیاز تبخیر کند، لزوماً به معنی عملکرد بهتر نیست.

ممکن است علت آن شامل این موارد گردد:

• شرایط آب و هوایی

• توزیع نامناسب آب

• عملکرد نامناسب فن

• طراحی نامناسب

• شرایط بار

• یا خطا در محاسبات

بنابراین باید بین این دو مفهوم تفاوت قائل شد:

Cooling Performance

و

Water Consumption

یک برج خوب باید بتواند بار حرارتی موردنیاز را با مصرف منطقی آب، انرژی و هزینه عملیاتی تأمین کند.

مهم‌ترین عوامل مؤثر بر تبخیر آب در برج خنک‌کننده

یک نکته مهم درباره اقلیم

شرایط آب‌وهوایی فقط روی دمای آب خروجی اثر نمی‌گذارد؛ بلکه روی مقدار آب تبخیرشده نیز اثر دارد.

ممکن است دو برج با بار حرارتی و دبی آب یکسان، در دو شرایط آب‌وهوایی متفاوت، نرخ تبخیر یکسانی نداشته باشند.

ASHRAE تصریح می‌کند که دمای خشک و رطوبت نسبی هوای ورودی می‌توانند روی نسبت انتقال حرارت نهان به محسوس و در نتیجه نرخ تبخیر اثر بگذارند، در حالی که Wet Bulb پارامتر اصلی تعیین‌کننده ظرفیت حرارتی برج است.

این موضوع برای طراحی برج در مناطق مختلف ایران اهمیت زیادی دارد.

برجی که برای یک اقلیم خشک طراحی شده، ممکن است در یک اقلیم مرطوب رفتار متفاوتی از نظر تبخیر و ظرفیت واقعی داشته باشد.

تبخیر سطحی؛ محرک اصلی عملکرد برج خنک‌کننده

اگر بخواهیم تمام این فرآیند را در یک زنجیره ساده خلاصه کنیم:

بار حرارتی فرآیند

↓

افزایش دمای آب

↓

تماس آب با هوای محیط

↓

انتقال حرارت محسوس + انتقال جرم

↓

تبخیر بخشی از آب

↓

انتقال گرمای نهان به جریان هوا

↓

کاهش دمای آب

↓

بازگشت آب خنک‌شده به فرآیند

این فرآیند به ظاهر ساده، در واقع ترکیبی از ترمودینامیک، انتقال حرارت، انتقال جرم، سایکرومتریک و مکانیک سیالات است.

به همین دلیل طراحی صحیح یک برج خنک‌کننده صرفاً انتخاب یک فن و یک حجم مشخص پکینگ نیست.

جمع‌بندی

تبخیر سطحی یکی از اساسی‌ترین پدیده‌های حاکم بر عملکرد برج‌های خنک‌کننده تبخیری است. هنگامی که آب گرم با جریان هوا تماس پیدا می‌کند، بخشی از آب تبخیر شده و گرمای نهان موردنیاز برای تغییر فاز را از آب در گردش دریافت می‌کند. هم‌زمان، بخشی از گرما نیز به‌صورت محسوس از آب به هوا منتقل می‌شود.

بنابراین عملکرد برج خنک‌کننده نتیجه انتقال هم‌زمان حرارت و جرم است، نه صرفاً یک فرآیند ساده تبخیر.

نرخ تبخیر به عوامل مختلفی از جمله بار حرارتی، Range، دمای آب، شرایط رطوبتی هوا، دبی هوا، سطح تماس آب و هوا و شرایط عملکرد برج وابسته است.

از طرف دیگر، نباید تبخیر را با Drift و Blowdown اشتباه گرفت. تبخیر مربوط به تبدیل آب مایع به بخار است، Drift مربوط به خروج قطرات مایع همراه هوای خروجی و Blowdown مربوط به تخلیه کنترل‌شده آب برای مدیریت غلظت املاح است.

برای یک طراحی مهندسی، استفاده از یک درصد ثابت برای تبخیر می‌تواند تنها یک تخمین اولیه باشد. در تحلیل دقیق‌تر باید موازنه جرم و انرژی، شرایط سایکرومتریک هوا و در طراحی‌های تخصصی‌تر روش‌هایی مانند Merkel Method و اختلاف آنتالپی مورد توجه قرار گیرند.

در نهایت، هدف یک برج خنک‌کننده خوب «بیشترین تبخیر» نیست؛ بلکه دفع بار حرارتی موردنیاز با کمترین مصرف منطقی آب و انرژی و حفظ شرایط پایدار و قابل‌اعتماد بهره‌برداری است.

منابع فنی و مراجع

• ASHRAE Handbook – Cooling Towers: مبانی عملکرد، انتقال حرارت و جرم، تبخیر، آنتالپی و روش Merkel.

• ASHRAE Handbook – Mass Transfer: مبانی انتقال جرم و کاربرد آن در برج‌های خنک‌کننده.

• ASHRAE Terminology: تعاریف Cooling Tower، Evaporation Loss و Approach.

• SPX Cooling Tech: مبانی مصرف آب، تبخیر، Drift و Blowdown در برج‌های خنک‌کننده.